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三元锂电池SOC电量准确估计仿真研究

2021-06-18 来源:世旅网
第34卷第12期 文章编号:1006—9348(2017)12—0143-06 计算机仿真 2017年12月 三元锂电池SOC电量准确估计仿真研究 吴燕,周云山,李泉 (湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南长沙410082) 摘要:为提高新能源汽车的整车动力性、经济性以及安全性,需要准确估计动力电池的SOC值。因电池SOC存在非线性特 性且受许多因素影响,提高准确性的关键在于建立准确的模型并与适当的估算算法相结合。首先对三元锂离子电池建立了 二阶RC等效电路模型,之后采用平方根无迹卡尔曼滤波法与改进的安时法相结合,综合考虑了充放电倍率、温度以及循环 次数的影响。通过Simulink仿真,分别在SOC初值不准确和因老化引起的容量衰减的条件下对比该算法与传统安时法,仿 真结果显示,参数扰动造成的估算误差得到了快速的修正。改进的平方根无迹卡尔曼滤波算法具有较高的鲁棒性及SOC 估计精度。 关键词:三元锂离子电池;电池模型;荷电状态;平方根无迹卡尔曼滤波 中图分类号:TP391.9 文献标识码:B Simulation on Accurate SOC Estimation of Ternary Lithium Battery WU Yah,ZH0U Yun—shan,LI Quan (State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Soay, Hunan University,Changsha Hunan 410082,China) ABSTRACT:In order to improve the power performance,the economy and safety of new energy vehicle,the SOC of power battery should be estimated accurately.Due to the nonlinear characteristics of the battery SOC,which affected by many factors,the key for improving its accuracy is to establish an accurate model and combine with the appropri— ate estimation algorithm.Fist.we estarblished a second—order RC equivalent circuit model for ternary lithium—ion battery,then combined the square root unscented Kalman ifker(SRUKF)with the improved current integral method, and comprehensively considered the influence of the battery charge and discharge rate,temperature and cycle times. Compared this algorithm with traditional current time integral under the condition of inaccurate SOC initil vaalue and capacity fading caused by aging through Simulink simulation,the simulation results show that the estimation error caused by parameter pe ̄urbation is rapidly corrected.The improved square root unscented Kalman filtering algorithm has higher robustness and SOC estimation accuracy. KEYWORDS:Ternary lithium—ion battery;Battery model;State of charge;SRUKF 策略的基础,还能有效防止电池的过充、过放,提高电池的使 1 引言 随着能源短缺与环境污染问题的日益凸出,新能源汽车 用安全性,延长电池的使用寿命 。但SOC不能直接测量, 只能通过相关可测参数去估算,因其受许多相关因素影响且 存在非线性特性,给实时在线估算SOC带来很大的困难 j。 提高SOC估算精度的关键是把准确的电池模型和适当的估 算方法相结合。 工程常用的电池SOC估算方法如安时法 简单易实 现,但存在SOC初值不能自动确定以及电流传感器误差累积 的问题;开路电压法 估计的SOC值较为准确,但需要较长 的静置时间,不能满足实时在线估算的需求。目前研究的热 一成为未来汽车的重要发展趋势。而三元锂离子电池因其单 体电压高、能量密度大、循环寿命长、性能较为均衡等优点, 成为目前新能源汽车动力电池的主要研究方向…。准确的 电池荷电状态(State f oCharge,SOC)是新能源汽车整车控制 基金项目:国际合作项目资助(2014DFA70170) 收稿日期:2016—12—26修回日期:2017一叭一o4 】43— 点是基于卡尔曼滤波的SOC估计,文献[6—7]提出的扩展 卡尔曼滤波可用于电池SOC的估算,但在计算时需要对电池 的非线性模型线性化,引入了线性化误差,影响其SOC的估 系为 U(t)= 一 (t)一 (t)一/R。 (3) 由以上(3)式可得电池模型中电流与输出端电压的关 U(t)=U 一,(t)R0一,(t)Rl(1一e一 ) 一算精度,文献[8]提出改进的卡尔曼滤波对SOC进行估计, 考虑了充放电倍率以及温度因素,但未考虑循环寿命因素。 文献[9]提出的无迹卡尔曼滤波通过uT变换对状态变量进 行确定性采样,避免了线性化误差,但在算法运算初期可能 因协方差负定导致滤波器失效,无法继续估算电池的 SOC值。 ,(t)R:(1一e ) (4) 2.2模型参数辨识 据《FreedomCAR电池测试手册》,每隔10%SOC对电池 施加0.5C(5A)脉冲电流120s,静置360s,基于式(4)与最小 二乘法辨识可得电池模型参数R。、R 、C,、R:、C:。 电池的OCV与SOC值相关,在环境温度25℃下对电池 分别施加0.5C恒流脉冲充、放电电流,每隔10%SOC静置 为解决模型精度、线性化误差以及算法不稳定等问题, 本文在二阶RC模型的基础上采用平方根无迹卡尔曼滤波法 (Square Root Unscented Kalman Filter,SRUKF)结合修正的安 时法来动态地估算SOC,综合考虑了充放电倍率、温度以及 老化因素的影响。本文以适用于新能源汽车的国产 K9265177NP一3.6V/10Ah聚合物软包三元锂离子电池为研 究对象,使用该算法电池SOC进行了估算。 2电池等效电路模型 2.1电池等效电路模型 目前使用最广的电池模型是电池等效电路模型,其使用 恒压源、电阻与电容等元件来模拟电池的动态特性,便于分 析电池特性及辨识模型参数。在建立等效电路模型时需要 兼顾模型的精确性以及计算的复杂性,一般模型的阶数越 高,描述的特性越接近实际,但同时计算量也更大。针对所 研究的三元锂离子电池特性,比较了一阶、二阶以及高阶的 电池模型精度与计算量之后建立了如图1所示的二阶RC等 效电路模型。 图1二阶RC等效电路模型 图1中U 表示电池的开路电压(Open Circuit Voltage, OCV),R0描述电池的电极、电解液、隔膜等构成回路的各部 分接触所产生的电阻,即等效欧姆内阻。R。和c。为电池电 化学极化时的等效阻抗,时间常数为r , (t)为C,两端的 电压。 :和c2为电池浓差极化时的等效阻抗,时间常数为 r:, (t)为电容C 两端的电压。,(t)表示回路中的电流,U (t)表示电池的端电压。 由基尔霍夫定理得 dU1(t)/dt=一U1(t)/'rl+,(t)/Cl (1) dU2(t)/dt=一 (t)/ 2+,(t)/C2 (2) 一】44一 1h,取实验测得的OCV值进行曲线拟合结果如图2所示。 由图可知电池的充放电OCV—SOC曲线之间存在迟滞电压, 即在同一SOC值下充电时的OCV值高于放电时的OCV值, 因其差值较小,故取两曲线的平均作为三元锂离子电池的 OCV与SOC关系曲线。 2.3 SOC准确估计的难点 SOC不能直接测量得到,必须通过其它可测参数去估 算,而锂离子电池工作时内部会发生复杂的电化学反应,反 应过程中电池特性参数会因所处环境温度、所承受电流大 小、电池老化及振动等外界因素的影响而不断变化,这些因 素导致难以实现SOC准确实时在线估算。 图2电池OCV—SOC关系曲线 3 改进的平方根无迹卡尔曼滤波算法 电池工作过程中特性参数受到许多因素的影响,而传统 SOC定义并未考虑这些影响,使估算所得SOC准确性降低, 故本文先对传统SOC定义进行修正,再将算法与改进的SOC 定义相结合对电池电量进行估计。 3.1 SOC定义修正 电池SOC描述的是在一定的使用条件下电池的剩余电 量与电池额定容量的比值,其值受许多因素影响,除电池材 料、尺寸等不能改变的因素外,主要有充放电倍率、温度与循 环次数 …。 sDc( sJDc( — d (5) [ 曼,]=[ 一 e一 z;][ 三 ] Cholesky因式分解以及最tb-乘法。在下述算法中: { } 表示对矩阵进行QR分解;chol{ }表示对矩阵进行Cholesky 因式分解;cholupdate{¥}表示求取秩1的Cholesky因子, cholupdate{s,u,±vf返回S± u “ 。 SRUKF实现的步骤如下: 1)初始化状态向量,据状态变量初值 。求取协方差的 平方根初值S。,用协方差的平方根替换无迹卡尔曼滤波中的 协方差参与运算 。=E(x。) (1O) So=chol{[( 。一 。)( 。一量。) ]} (11) 2)Sigma点的计算,使用 变换进行确定性采样 l=[ 一1 盂 一l+71S 一l一叼s ] (12) 3)时间更新,求取状态变量的一步预测 、协方差的平 方根Jsf以及输出估计值 ,考虑到 可能为负值,采用式 (16)来确保矩阵的非负定性 一l=F[X ,u ] (13) =∑∞ (14) si=qr{[ ̄/∞ ( ll2 一互 ) } (15) Jsi=cholupdate{si,Xo 一曼 , } (16) Y 一1=tl[x  l一1] (17) =∑∞ 一, (18) 4)测量更新,更新输出残差协方差的平方根S 状态估 计与输出估计的互协方差Px Sy =qr{[ (y 一 )瓶]} (19) Sy =cholupdate{S ,Yo 一 ,∞o } (20) =∑ 一引 一。一 (21) 更新系统的卡尔曼滤波增益K¨状态估计未 以及状态 估计误差协方差平方根.s =( / T )/.s, (22) =;i+K (Y 一 i) (23) U=KkS (24) S =cholupdate{.s ,U,一1} (25) 在上述式中:n是状态向量维数,A:n( 一1)和田= n+A是比例参数, 值决定了Sigma点在 左右的分布状 态,常取10I4≤ ≤1。{∞ }和{∞ }分别是均值和协方差的 权集,用来控制各Sigma点的权重,其中,∞o _l,∞?= +(1--Ot2+卢), = i= , =1,2,…,2n。卢 为先验知识和状态分布的结合量,对高斯分布取口=2可实 一145— 现最优估计。 4实验与分析 4.1模型验证 为验证模型参数的准确性,在Simulink搭建如图3所示 的模型,I和U分别代表所测得加载在实际电池中的电流和 输出端电压值。此处I为0.5C脉冲放电电流,加载电流 12min后间隔1h。同时将该电流施加到电池模型中,由积分 得到电池的实时SOC值,使用该SOC值对照辨识所得参数 表查询可得该时刻的OCV、R。、R 、C 、R:、C 值,之后通过式 (4)所示的关系式计算电池模型的输出端电压值U 。模型 电流,A 与实测电池的端电压对比如图4所示,电压最大误差为 0.03V,在整个SOC区间内模型准确度均较高,该模型可模 拟锂电池的动态特性。 图3参数验证Simulink模型 4-2 4.0 3.8 宙 脚 3.6 3.4 3.2 图4模型输出与实测端电压对比图 4.2 SOC定义修正因素 图5为在环境温度25℃下,使用不同数值的电流对满充 的电池进行恒流放电测得的电池实际放电容量,对实测数据 点进行曲线拟合可得充放电倍率对电池容量的修正系数 叼,= (26) 图6为将满充的电池置于不同的环境温度下,使用0.5C放 电倍率对电池进行恒流放电测得的电池实际放电容量,利用 所测数据点进行曲线拟合可得温度对电池容量的修正系 数 T: r=一0.7285×e-0.09娜 +10.1 (27) 一146一 图5 电池容量与放电倍率关系图 温度/℃ 图6电池容■与温度关系图 图7为在环境温度25 ̄C下,对电池施加0.5C放电倍率测得 的循环次数与实际容量之间的关系。由图可知,在循环次数 小于500时,其容量大于等于标称容量10Ah,而在循环次数 超过500之后其容量逐渐衰减,所以,认为循环次数在500 以内其容量为标称容量,未对电池造成不可恢复性损失。对 实验数据进行拟合可得循环寿命因素 : r10,Ⅳ≤500 I一8.L一. 37e一 Ⅳ2+6^ + ..91 3e一一  +N+9. . 8636.. >N>50 0 (28) 图7电池容量与循环次数关系图 4.3算法验证 为0.5,估算结果如图10所示,经过150s左右收敛到真值附 由《电动汽车用电池管理系统技术条件》可知国标对电 池管理系统的SOC估算精度的要求是不大于10%。新能源 汽车在实际行驶时电池所经受的电流是不断变化的,因此, 为验证算法的性能,对电池施加如图8所示基于ECE15工况 的变电流工况,图中给出了该工况的电流和实测的端电压 近。估算误差如图11所示,由于SOC初值误差及老化容量 误差,使得初始偏差较大,但改进SRUKF能很快校正该误 差,估算精度为0.92%。 0.70 响j直。 之幽 图8变电流工况电流和端电压曲线图 1)SOC初值不准确时算法验证 对上述电流工况,在不同SOC初值下单独的安时法和改 进的SRUKF估算的结果对比如图9所示。在较短时间内电 流累计误差较小,故将准确初值结合安时法估算的SOC视作 参考值;OCV表示由OCV—SOC曲线求得SOC初值,因电池 静置时间不够致使初值偏离真值,对比可知,安时法无法修 正该误差,而改进的SRUKF在40s左右能收敛到真值附近, 估算精度为1.376%。 n印 图9初值不同时估算结果对比 2)容量不准确时算法验证 电池可用容量会随着充放电循环次数的增加而发生衰 减,由图7可得循环1000次后的电池实际容量为9.72Ah,对 该老化电池施加图8所示的工况电流。将改进的SRUKF算 法中的循环次数因素设置为标称容量lOAh,SOC初值设置 0.65 u 0.60 0 ∽ 0 55 0.50 图10容量不同时估算结果对比 0・2O 0・l5 0.10 量 0・O5 0.O0 图1l容量不同时估算误差曲线 5结论 首先采用二阶RC模型对三元锂离子电池进行建模,使 用最小二乘法辨识模型参数,经仿真与实验对比知该模型参 数精确度较高。对SOC定义进行了修正,综合考虑了充放电 倍率、温度以及循环次数的影响。针对无迹卡尔曼滤波的不 足,提出SRUKF结合改进安时法来估算电池SOC值。在变 电流工况下验证该算法的可行性,分别在SOC初值不准确以 及老化造成的电池容量不准确时估算SOC值,结果表明,改 进的SRUKF相比传统的安时法能较快的收敛到真值,算法 的鲁棒性得到提高,估算的准确性满足实际使用要求。 参考文献: [1]B Scrosati,J Garche.Lithium batteries:status.prospects and fu— ture[J].Journal of Power Sources,2010,195(9):2419—2430. 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