广西师范大学学报(自然科学版) ›› 2021, Vol. 39 ›› Issue (3): 1-10.doi: 10.16088/j.issn.1001-6600.2020061109

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融合阻抗模型与扩展卡尔曼滤波的锂离子电池荷电状态估算

王瑞, 宋树祥*, 夏海英   

  1. 广西师范大学 电子工程学院, 广西 桂林 541004
  • 收稿日期:2020-06-11 修回日期:2020-08-19 发布日期:2021-05-13
  • 通讯作者: 宋树祥(1970—),男,湖南双峰人,广西师范大学教授,博士。E-mail: songshuxiang@mailbox.gxnu.edu.cn
  • 基金资助:
    广西重大科技专项(桂科 AA18118009)

Estimation of Lithium Battery SOC with Fusion Impedance Model and Extended Kalman Filtering

WANG Rui, SONG Shuxiang*, XIA Haiying   

  1. College of Electronic Engineering, Guangxi Normal University, Guilin Guangxi 541004, China
  • Received:2020-06-11 Revised:2020-08-19 Published:2021-05-13

摘要: 随着电动汽车(electric vehicles,EV)的发展,电池荷电状态(state of charge,SOC)估计受到越来越多关注。荷电状态的精确估计对于电动汽车的能量管理至关重要,然而,估算精度成为限制其发展的瓶颈。本文在阻抗谱分析基础上,利用恒相元件(constant phase element,CPE)导出简化的电池阻抗模型,从而建立模型的状态方程和观测方程;针对锂电池的非线性特性,引入扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filtering,EKF),通过在阻抗模型上与EKF算法的融合对锂离子电池进行SOC准确估算;建立电池测试台,通过仿真和电池动态工况试验验证。结果表明,与其他模型和EKF算法相比,所提出的SOC估算方法能有效提高SOC估算精度,并将误差控制在±1%以内,具有较好的收敛性和鲁棒性。

关键词: 锂离子电池, 电动汽车, 荷电状态估计, 阻抗模型, 扩展卡尔曼滤波

Abstract: With the development of electric vehicle (EV), the estimation of battery state of charge (SOC) has attracted more and more attention. Accurate estimation of state of charge is very important for the energy management of electric vehicles. However, the accuracy of estimation has become the bottleneck of its development. Based on the analysis of impedance spectrum, a simplified impedance model of battery is derived by using constant phase element (CPE). By introducing EKF, a battery test platform is established, through the fusion with the EKF algorithm on the impedance model to estimate the SOC of lithium-ion battery accurately. The results of simulation and dynamic state test show that compared with other models and EKF algorithm, the SOC estimation method proposed has good performances in convergence and robustness, which could control the error within ±1%.

Key words: lithium-ion battery, electric vehicles, estimation of SOC, impedance model, extended Kalman filtering

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[1]潘海鸿,吕治强,李君子,等. 基于灰色扩展卡尔曼滤波的锂离子电池荷电状态估算[J]. 电工技术学报,2017,32(21):1-8. DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.160837.
[2]刘欣博,王乃鑫,李正熙. 基于扩展卡尔曼滤波法的锂离子电池荷电状态估算方法研究[J]. 北方工业大学学报,2016,28(1):49-56.
[3]谷苗,夏超英,田聪颖. 基于综合型卡尔曼滤波的锂离子电池荷电状态估算[J]. 电工技术学报,2019,34(2):419-426. DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.171560.
[4]韦振汉,宋树祥,夏海英. 基于随机森林的锂离子电池荷电状态估算[J]. 广西师范大学学报(自然科学版),2018,36(4):27-33. DOI:10.16088/j.issn.1001-6600.2018.04.004.
[5]聂文亮,谭伟杰,邱刚,等. 基于ARX模型的锂离子电池荷电状态在线估算[J]. 中国电机工程学报,2018,38(18):5415-5424. DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.172196.
[6]付浪,杜明星,刘斌,等. 基于开路电压法与卡尔曼滤波法相结合的锂离子电池SOC估算[J]. 天津理工大学学报,2015,31(6):9-13.
[7]冯飞,宋凯,逯仁贵,等. 磷酸铁锂电池组均衡控制策略及荷电状态估计算法[J]. 电工技术学报,2015,30(1):22-29. DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.2015.01.004.
[8]DU L B,CHENG X M,YANG L. The research on battery SOC estimation within first-order Markov process[C]// 2015 34th Chinese Control Conference. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2015:7849-7854.
[9]高明煜,何志伟,徐杰.基于采样点卡尔曼滤波的动力电池SOC估计[J]. 电工技术学报,2011,26(11):161-167. DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.2011.11.024.
[10]CHANG K C,CHEN H D. Efficient inference algorithms for hybrid dynamic bayesian networks(HDBN)[J]. Proceedings of SPIE,2004,5429(1):402-409. DOI:10.1117/12.544060.
[11]MASTALI M, VAZQUEZ-ARENAS J, FRASER R, et al. Battery state of the charge estimation using Kalman filtering[J]. Journal of Power Sources,2013,239:294-307. DOI:10.1016/j.jpowsour.2013.03.131.
[12]杨世春,麻翠娟. 基于 PNGV 改进模型的 SOC 估计算法[J]. 汽车工程,2015,37(5):582-586,598.
[13]魏克新,陈峭岩. 基于自适应无迹卡尔曼滤波算法的锂离子动力电池状态估计[J]. 中国电机工程学报,2014,34(3):445-452. DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.03.016.
[14]WOLFF N,HARTING N,HEINRICH M,et al. Nonlinear frequency response analysis on lithium-ion batteries: a model-based assessment[J]. Electrochim Acta,2018,260:614-622. DOI:10.1016/j.electacta.2017.12.097.
[15]赵天意,彭喜元,彭宇,等. 改进卡尔曼滤波的融合型锂离子电池 SOC 估计方法[J]. 仪器仪表学报,2016,37(7):1441-1448. DOI:10.19650/j.cnki.cjsi.2016.07.001.
[16]CHEN J,OUYANG Q,XU C F,et al. Neural network-based state of charge observer design for lithium-ion batteries[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology,2018,26(1):313-320.
[17]YE M,GUE H,CAO B G. A model-based adaptive state of charge estimator for a lithium-ion battery using an improved adaptive particle filter[J]. Applied Energy,2017,190:740-748. DOI:10.1016/j.apenergy.2016.12.133.
[18]王惠娟,郭利健.电化学阻抗谱在锂电池状态检测中的应用[J]. 电源技术,2014,38(1):73-74.
[19]李晓宇,朱春波,魏国,等.基于分数阶联合卡尔曼滤波的磷酸铁锂电池简化阻抗谱模型参数在线估计[J]. 电工技术学报,2016,31(24):141-149. DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.2016.24.017.
[20]DONG G Z,WEI J W,CHEN Z H. Constrained bayesian dual-filtering for state of charge estimation of lithium-ion batteries[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems,2018,99:516-524. DOI:10.1016/j.ijepes.2018.02.005.
[21]GUO P Y,CHENG Z,YANG L. A data-driven remaining capacity estimation approach for lithium-ion batteries based on charging health feature extraction[J]. Journal of Power Sources,2019,412:442-450. DOI:10.1016/j.jpowsour.2018.11.072.
[22]XU J,MI C C,CAO B G,et al. A new method to estimate the state of charge of lithium-ion batteries based on the battery impendence model[J]. Journal of Power Sources,2013,233:277-284. DOI:10.1016/j.jpowsour.2013.01.094.
[23]ZHANG L,HU X S,WANG Z P,et al. Fractional-order modeling and state-of-charge estimation for ultracapacitors[J]. Journal of Power Sources,2016,314:28-34. DOI:10.1016/j.jpowsour.2016.01.066.
[1] 韦振汉, 宋树祥, 夏海英. 基于随机森林的锂离子电池荷电状态估算[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2018, 36(4): 27-33.
[2] 王剑, 黄植功, 许金海. 基于优化EKF的永磁同步电机转速估计[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2014, 32(4): 11-17.
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[1] 李贤江, 石淑芹, 蔡为民, 曹玉青. 基于CA-Markov模型的天津滨海新区土地利用变化模拟[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2018, 36(3): 133 -143 .
[2] 陈梦华,刘敏,王宁. Weizscker-Skyrme核质量公式的理论预言能力研究[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2018, 36(1): 1 -8 .
[3] 唐国吉,赵婷,何登旭. 扰动广义混合变分不等式的可解性[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2018, 36(1): 76 -83 .
[4] 莫佛艳,蒙丽,冯慧喆,苏宇乔,薛跃规. 广西唇形科一新记录属——喜雨草属[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2018, 36(1): 129 -131 .
[5] 赵航,王任翔,刘灵. 瘤足蕨科植物叶表皮微形态及其系统学意义[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2018, 36(1): 142 -148 .
[6] 贾亚兰,杜慧敏,宇克莉,郑连斌,包金萍,张兴华. 布朗族成人皮褶厚度特征的研究[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2018, 36(1): 158 -163 .
[7] 康福丽,朱国政,林钰,胡振兴,邓荫伟,冯玉能,陈胜华,陈付林,刘灵. AMF对金橘苗根围土壤酶活性及植株生长的影响[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2017, 35(1): 104 -112 .
[8] 薛洋,曾庆科,夏海英,王文涛. 基于卷积神经网络超分辨率重建的遥感图像融合[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2018, 36(2): 33 -41 .
[9] 严娟,李旭,周伟,李明会. 中国鮡科褶鮡属鱼类的分布、习性与资源保护[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2018, 36(2): 111 -117 .
[10] 唐振军. 基于PCA特征距离的图像哈希算法[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2016, 34(4): 9 -18 .
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