基于模型的锂离子电池SOC估计研究

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随着汽车产业的高速发展,伴随而生的石油资源短缺和环境污染等问题日益突出。电动汽车以其零排放,低噪声等优点成为汽车产业发展的必由之路。然而目前的电动汽车还存在续驶里程短、初期成本高和安全性差等问题,动力电池系统技术已成为电动汽车发展和走向产业化的主要瓶颈。文章首先列举了目前常用的四种车用动力电池,通过比较发现锂离子电池是较为理想且具有良好前景的电动汽车用动力电池。在动力电池选定后,需要电池管理技术来实现电动汽车能量高效和安全地利用。而准确估计电池的荷电状态SOC是电池管理系统良好运行的前提和关键。本文即是在研究电池模型和参数辨识的基础上,致力于电动汽车用锂离子电池SOC估计算法的研究。准确估计电池的SOC离不开良好的电池模型,为了建立适合工程实用的电池模型,本文引入电化学阻抗谱技术进行锂离子电池的建模研究。通过对锂离子电池进行恒电位模式下的电化学阻抗测量,将不同频率下的阻抗数据绘制成电化学阻抗谱。再利用电化学分析软件对阻抗谱进行拟合分析,得到锂离子电池的阻抗模型。通过理论分析和工程需要将阻抗模型进行简化,形成最终的二阶RC等效电路模型。在建立二阶RC模型之后,需要对模型进行参数辨识。文中通过两种方法:离线参数辨识法和在线参数辨识法分别对锂离子电池二阶RC模型进行了参数辨识。离线参数辨识通过脉冲充放电实验获取脉冲间歇的电压迟滞曲线,再利用Origin软件对迟滞电压曲线进行二阶指数拟合,获取模型参数。由于模型参数受温度、电流倍率和SOC的影响,因而设计了不同温度、不同电流倍率和不同SOC下的脉冲充放电实验,通过比较得到模型参数随影响因素的变化规律,初步建立模型参数的离线数据库。在线参数辨识通过DST动态工况实验采集在线电流和电压数据,利用含遗忘因子的递推最小二乘算法进行在线实时的模型参数辨识。利用端电压比较法对辨识参数进行仿真验证,通过误差分析可得辨识效果良好,同时也验证了二阶RC模型的合理性。将辨识的参数通过离线数据库查表可以得到电池相应的SOC值,从而估计电池的SOC。另外,在辨识模型参数的同时还可以估计电池的开路电压,结合开路电压法也可以粗略地估计电池的SOC。在实现在线参数辨识的基础上,基于二阶RC模型,采用扩展卡尔曼滤波算法,将SOC作为状态变量写入电池系统的空间状态方程中,结合安时法和开路电压法对锂离子电池进行了SOC的估计。通过与实际SOC的比较得出:该方法具有很好的估计精度,可以作为动态工况下在线估计SOC的一种有效方法。
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