浙江大学学报(工学版), 2021, 55(10): 1978-1985 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.10.020

电气工程

基于改进多新息扩展卡尔曼滤波的电池SOC估计

雷克兵,, 陈自强,

上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 200240

Estimation of state of charge of battery based on improved multi-innovation extended Kalman filter

LEI Ke-bing,, CHEN Zi-qiang,

State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

通讯作者: 陈自强,研究员,博导. orcid.org/0000-0002-7490-6273. E-mail: chenziqiang@sjtu.edu.cn

收稿日期: 2020-11-26  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51677119)

Received: 2020-11-26  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目(51677119)

作者简介 About authors

雷克兵(1995—),男,硕士生,从事储能技术的研究.orcid.org/0000-0003-2296-4399.E-mail:864673032@qq.com , E-mail:Kebing_Lei@sjtu.edu.cn

摘要

为了提高SOC估计精度,提出基于遗忘因子改进多新息扩展卡尔曼滤波(FMIEKF)方法. 建立锂离子电池的双极化等效电路模型,开展开路电压测试. 通过递归最小二乘法,实现电池模型参数在线辨识. 提出FMIEKF进行SOC估计,该方法在融合多新息辨识理论和卡尔曼滤波基础上,引入遗忘因子削弱历史数据修正权重,解决数据过饱和问题. 通过实验和硬件在环进行验证. 结果表明,FMIEKF具有较高的准确性和收敛性,最大估计误差为0.948%,平均误差为0.214%,在不同SOC初值下20 s内收敛,可以适用于实际的电池管理系统中.

关键词: 锂离子电池 ; 多新息辨识 ; 卡尔曼滤波 ; SOC估计 ; 硬件在环

Abstract

An improved multi-innovation extended Kalman filter was proposed based on the forgetting factor in order to improve the accuracy of SOC estimation. Dual-polarization equivalent circuit model of lithium-ion battery was established, and open-circuit voltage testing was conducted. Recursive least squares method was used to realize online battery model parameter identification. FMIEKF was proposed for SOC estimation based on the fusion of multi-innovation identification theory and Kalman filtering. A forgetting factor was introduced to weaken the historical data correction weight and solve the problem of data oversaturation. The method was verified through experiments and hardware-in-the-loop. The experimental results show that FMIEKF has higher accuracy and convergence. The maximum estimation error was 0.948%, the average error was 0.214%, and the FMIEKF converged within 20 seconds under different initial values of SOC. The method can be applied to the actual battery management system.

Keywords: lithium-ion battery ; multi-innovation recognition ; Kalman filter ; estimation of SOC ; hardware in loop

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本文引用格式

雷克兵, 陈自强. 基于改进多新息扩展卡尔曼滤波的电池SOC估计. 浙江大学学报(工学版)[J], 2021, 55(10): 1978-1985 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.10.020

LEI Ke-bing, CHEN Zi-qiang. Estimation of state of charge of battery based on improved multi-innovation extended Kalman filter. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2021, 55(10): 1978-1985 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.10.020

近年来,能源危机和环境污染问题不断升级,低污染、高效率电动汽车已成为行业发展热点,锂离子电池具有尺寸小、能量密度高等特性,成为电动汽车的能量储存装置的第一选择[1]. SOC直接反映电池的剩余电量,为了提高电池的安全性能,延长电池寿命,确保电池系统安全、可靠、高效地运行,进行SOC精确估计具有重要意义[2-3].

针对电池SOC估计问题,国内外研究方法主要基于电池物理特性[4]、电池模型[5]和数据驱动[6-7]等. 扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)同时对噪声和状态进行预测估计,广泛应用于锂离子电池SOC估计中[8]. EKF估计精度对过程和测量噪声的初始值比较敏感,算法容易发散. Xiong等[9]在EKF基础上提出改进算法,如自适应扩展卡尔曼滤波(adaptive extended Kalman filter,AEKF)实现噪声协方差阵自适应匹配. 改进熵扩展卡尔曼滤波(correntropy extended Kalman filter,CEKF)结合样本熵和加权最小二乘的优点,在非高斯噪声环境下进行鲁棒性验证[10]. 双扩展卡尔曼滤波(dual extended Kalman filter,DEKF)实现电池的状态和参数联合估计[11]. 上述SOC估计方法从噪声角度分析和改进EKF,但没有考虑历史数据的再迭代修正作用,导致协方差矩阵退化,跟踪能力弱化,从而导致算法的估计精度不高. 为了提高历史数据的利用程度,Li等[12]提出多新息扩展卡尔曼滤波(multi-innovation extended Kalman filter,MIEKF). 该方法融合多新息辨识理论与卡尔曼滤波,进行电池状态估计和参数辨识,具有较好的估计效果. 该方法只是在时间维度上扩展迭代使用历史数据,没有区分新旧历史数据,造成数据过饱和,使得估计值与真实值具有较差的跟踪性能.

为了提高锂离子电池SOC估计的准确性和收敛性,本文利用历史数据修正,解决传统MIEKF中估计值与真实值的跟踪性能较差问题,提出基于遗忘因子改进多信息扩展卡尔曼滤波(multi- innovation extended Kalman filter based on forgetting factor,FMIEKF)的SOC估计方法. 新数据对提高算法的跟踪性能有促进作用,而旧历史数据可能产生累积干扰,通过引入遗忘因子矩阵,调整新旧历史数据权重,可以防止数据过饱和,通过实验和硬件在环验证FMIEKF方法的优越性.

1. 锂离子电池建模和参数辨识

1.1. 锂离子电池建模

等效电路模型通过电压源、欧姆内阻和阻容网络描述锂离子电池的外特性,实现对电池特性的快速仿真,方法简单,计算速度快[13]. 建立双极化等效电路模型,如图1所示.

图 1

图 1   双极化等效电路模型

Fig.1   Dual polarization equivalent circuit model


基于等效电路霍夫电压定律,可得

$ \dfrac{{{\rm{d}}{U_1}(t)}}{{{\rm{d}}t}} = \dfrac{{{i_{\rm{b}}}(t)}}{{{C_1}}} - \dfrac{{{U_1}(t)}}{{{R_1}{C_1}}}, $

$ \dfrac{{{\rm{d}}{U_2}(t)}}{{{\rm{d}}t}} = \dfrac{{{i_{\rm{b}}}(t)}}{{{C_2}}} - \dfrac{{{U_2}(t)}}{{{R_2}{C_2}}}, $

$ {U_{\rm{t}}}(t) = {U_{{\rm{ocv}}}}(t) - {U_1}(t) - {U_2}(t) - {i_{\rm{b}}}(t){R_0}. $

式中:Uocv(t)为开路电压;Ui(t)为极化电压;ib(t)为电流,充电为正,放电为负;R0为欧姆内阻;RiCi分别为极化内阻和极化电容. SOC定义为

$ {\rm{SOC}}(t) = {\rm{SOC}}({t_0}) - \dfrac{{\displaystyle\int_{{t_0}}^t {\eta {i_{\rm{b}}}(\tau ){\rm{d}}\tau } }}{{{C_{\rm{n}}}}}. $

式中:Cn为额定容量,η为充放电库仑效率,SOC(t0)为初始SOC. 以电池的SOC、极化电压U1(t)、U2(t)为状态量,建立离散的双极化等效电路状态空间方程,即

$ \begin{gathered} \left[ \begin{gathered} {U_1}(k) \\ {U_2}(k) \\ {\rm{SOC}}(k) \\ \end{gathered} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\exp\; ( - {{\Delta t} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta t} ({{R_1}{C_1}})}} \right. }( {{R_1}{C_1}}}))}&0&0 \\ 0&{\exp\; ( - {{\Delta t} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta t} ({{R_2}{C_2}})}} \right. } ({{R_2}{C_2}}}))}&0 \\ 0&0&1 \end{array}} \right]\times \\\left[ \begin{gathered} {U_1}(k - 1) \\ {U_2}(k - 1) \\ {\rm{SOC}}(k - 1) \\ \end{gathered} \right] + \left[ \begin{gathered} {R_1}{{(1 - \exp( - }}{{\Delta t} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta t} {{R_1}{C_1}}}} \right. }( {{R_1}{C_1}}}{\text{))}} \\ {R_2}{{(1 - \exp( - }}{{\Delta t} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta t} {{R_2}{C_2}}}} \right. } ({{R_2}{C_2}}}{\text{))}} \\ \eta \Delta t{\text{/}}{{C}_{\rm{n}}} \\ \end{gathered} \right]{i_{\rm{b}}}(k), \\ \end{gathered} $

$ {U_{\rm{t}}}(k) = {U_{{\rm{ocv}}}}({\rm{SOC}}(k)) - {U_1}(k) - {U_2}(k) - {i_{\rm{b}}}(k){R_0}. $

1.2. 开路电压测试

开路电压表征电池动态特性,随着电极材料、循环使用次数、环境温度等不同而发生改变,同时Uocv与SOC存在非线性函数关系[14]. 通过放电静置法进行锂离子电池开路电压测试,通过多项式拟合Uocv实验值. 以拟合系数R2和残差平方和(residual sum of squares,RSS)为评价指标,不同多项式的拟合结果统计如表1所示. 为了实现拟合结果较优的同时减少计算量,采用6阶多项式拟合Uocv实验值,拟合结果如图2所示. 多项式表达为

表 1   不同多项式的拟合结果统计

Tab.1  Statistics of different polynomial fitting results

阶数 RSS/10−5 R2
4阶 34.09 0.999 0
5阶 10.31 0.999 3
6阶 7.042 0.999 6
7阶 6.938 0.999 8

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图 2

图 2   Uocv-SOC特性曲线的拟合

Fig.2   Fitting of Uocv-SOC characteristic curve


$ \begin{split} {{U_{{\rm{ocv}}}}} =& {p_6}{\rm{SO}}{{\rm{C}}^6} + {p_5}{\rm{SO}}{{\rm{C}}^5} + {p_4}{\rm{SO}}{{\rm{C}}^4} + {p_3}{\rm{SO}}{{\rm{C}}^3} + \\ &{p_2}{\rm{SO}}{{\rm{C}}^2} + {p_1}{\rm{SO}}{{\rm{C}}^{}} + {p_0}. \end{split} $

1.3. 参数辨识

在进行电池参数辨识前,将电池的双极化等效电路模型转化成自回归滑动平均(autoregressive moving average,ARMA)模型[15],输出方程经Laplace变换得到s域的输出方程:

$ {U_{\rm{t}}}(s) = {U_{{\rm{ocv}}}}(s) - {i_{\rm{b}}}(s)\left({R_0} + \frac{{{R_1}}}{{1 + s{R_1}{C_1}}} + \frac{{{R_2}}}{{1 + s{R_2}{C_2}}}\right). $

${E_{\rm{t}}}(s) = {U_{{\rm{ocv}}}}(s) - {U_{\rm{t}}}(s)$,则电池模型传递函数的表达式为

$\begin{split} & G(s) = \frac{{{E_{\rm{t}}}(s)}}{{{i_{\rm{b}}}(s)}}\; = \\ &\dfrac{{{R_0}{s^2} + \dfrac{{{R_0}({\tau _1} + {\tau _2}) + {R_1}{\tau _2} + {R_2}{\tau _1}}}{{{\tau _1}{\tau _2}}}s + \dfrac{{{R_0} + {R_1} + {R_2}}}{{{\tau _1}{\tau _2}}}}}{{{s^2} + \dfrac{{{\tau _2} + {\tau _1}}}{{{\tau _1}{\tau _2}}}s + \dfrac{1}{{{\tau _1}{\tau _2}}}}}. \end{split} $

式中:G(s)为电路阻抗;τ1τ2为极化时间常数, $ {\tau _1} = {R_1}{C_1} $$ {\tau _2} = {R_2}{C_2} $. 采用双线性变换将s平面映射到z平面,得到离散传递函数,变换原理为

$ s = \frac{{2(1 - {z^{ - 1}})}}{{\Delta t(1 + {z^{ - 1}})}}. $

式中:Δ t为采样时间. 离散后的传递函数为

$ {Z_{\rm{T}}}(z) = \frac{{{\beta _0} + {\beta _1}{z^{ - 1}} + {\beta _2}{z^{ - 2}}}}{{1 + {\beta _3}{z^{ - 1}} + {\beta _4}{z^{ - 2}}}}. $

式中:β0β1β2β3β4为模型参数的待定系数,转化到离散时域为

$ \begin{split} &{E_{\rm{t}}}(k) = - {\beta _0}{i_{\rm{b}}}(k) - {\beta _1}{i_{\rm{b}}}(k - 1) - {\beta _2}{i_{\rm{b}}}(k - 2) + \\ &\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\beta _3}{E_{\rm{t}}}(k - 1) + {\beta _4}{E_{\rm{t}}}(k - 2). \\ \end{split} $

因此,参数辨识和状态矩阵为

$\left. {\begin{array}{*{20}{l}} {{\bf\textit{φ}}(k) = {{[{i_{\rm{b}}}(k),{i_{\rm{b}}}(k - 1),{i_{\rm{b}}}(k - 2),{E_{\rm{t}}}(k - 1),{E_{\rm{t}}}(k - 2)]}^{\rm{T}}},}\\ {{{{{\boldsymbol{\theta}}}} } = {{[ - {\beta _0}, - {\beta _1}, - {\beta _2},{\beta _3},{\beta _4}]}^{\rm{T}}}.} \end{array}} \right\}$

将式(13)写成FFRLS能够辨别的形式,估算出参数的最优估计,因此

$ {E_{\rm{t}}}(k) = {{\bf\textit{φ}}}{(k{\text{)}}^{\rm{T}}}{{{{\boldsymbol{\theta}} }}_k} + e(k). $

模型参数的求解如下:

$ \left. \begin{array}{l} {{\tau _1}{\tau _2} = \dfrac{{\Delta {t^2}(1 - {\beta _3} + {\beta _4})}}{{4(1 + {\beta _3} + {\beta _4})}}}, \\ {{\tau _1} + {\tau _2} = \dfrac{{1 - {\beta _4}}}{{\Delta t(1 + {\beta _3} + {\beta _4})}}} ,\\ {{R_0} = \dfrac{{{\beta _0} - {\beta _1} + {\beta _2}}}{{1 - {\beta _3} + {\beta _4}}}}, \\ {R_0} + {R_1} + {R_2} = \dfrac{{{\beta _0} + {\beta _1} + {\beta _2}}}{{1 + {\beta _3} + {\beta _4}}} , \\ {R_0}{\tau _1} + {R_0}{\tau _2} + {R_1}{\tau _2} + {R_2}{\tau _1} = \dfrac{{\Delta t({\beta _0} - {\beta _2})}}{{1 + {\beta _3} + {\beta _4}}}. \\ \end{array} \right\} $

解耦方程组,可以求出二阶RC模型参数R0R1R2C1C2. 通过混合动力脉冲能力特性(hybrid pulse power characteristic,HPPC)实验确定在线辨识的初始参数,在100%状态下的离线参数结果如表2所示.

表 2   100%SOC下的HPPC参数辨识结果

Tab.2  Results of HPPC parameter identification at 100% SOC

R0 /mΩ R1 /mΩ R2 /mΩ C1 /F C2 /F
3.89 7.548 0.453 3929 1101

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2. 基于FMIEKF状态估计

2.1. EKF多新息扩展

针对时变参数系统,Ding[16]提出多新息辨识方法,结合传统时域的最小二乘法、卡尔曼滤波、随机梯度等辨识算法,通过滑动窗口形式,利用一定时间范围内的历史数据,对参数进行递归辨识和估计. 该方法在一定程度上提高了算法收敛速度和参数辨识的准确性. 单新息参数的更新表达式为

$ {\boldsymbol{\hat \theta }}(t) = {\boldsymbol{\hat \theta }}(t - 1) + {\boldsymbol{L}}(t)e(t). $

式中:L(t)为增益向量,e(t)为单新息标量. 将单新息标量扩展成多新息向量,则

$ {\boldsymbol{\hat \theta }}(t) = {\boldsymbol{\hat \theta }}(t - 1) + {\boldsymbol{L}}(p,t){\boldsymbol{E}}(p,t). $

式中:p为新息长度. 为了考虑历史数据的再迭代修正作用,提高SOC估计的准确性和收敛性,在EKF算法中融合多新息辨识理论,形成MIEKF,实现对历史电压、电流数据的重复使用. 将EKF算法中的单新息扩展成多新息,表达式为

$ {\boldsymbol{E}}(p,k) = \left[ \begin{array}{l} {Z_k} - {\boldsymbol{H\hat X}}(\bar k) \\ {Z_{k - 1}} - {\boldsymbol{H\hat X}}(\bar k - 1) \\ \qquad\qquad\;\vdots \\ {Z_{k - p + 1}} - {\boldsymbol{H\hat X}}(\bar k - p + 1) \\ \end{array} \right]. $

为了保证矩阵维数的兼容性,根据新息长度p不同,应扩展增益矩阵,表达式为

$ {\boldsymbol{K}}(p,k) = [\begin{array}{*{20}{c}} {{{\boldsymbol{K}}_i}}&{{{\boldsymbol{K}}_{i - 1}}}& \cdots &{{{\boldsymbol{K}}_{i - p + 1}}} \end{array}]. $

通过滑动窗口实现数据的更新,新息长度为窗口长度,数据的更新示意图如图3所示. 在进行锂离子电池SOC估计时,当数据长度不到信息长度时,采用EKF进行状态估计,以确定扩展后的增益矩阵和多新息矩阵初始值.

图 3

图 3   滑动数据窗口的示意图

Fig.3   Schematic diagram of sliding data window


2.2. FMIEKF算法

针对非线性时变同时的状态估计和参数辨识问题,MIEKF只是在时间维度上扩展迭代使用的数据量,没有区分窗口长度内的新旧数据. 在SOC估计算法中,新测量数据对参数估计精度有促进作用,陈旧历史数据可能产生累积干扰,造成数据饱和的问题,从而使得估计值和真实值有较大偏差. 引入遗忘因子削弱递归过程中的历史数据修正作用,在一定程度上减少了累计干扰问题,从而提高SOC估计精度. 为调整新旧历史数据的权重,在EKF多新息扩展的增益矩阵K(p, k)乘以遗忘因子矩阵α,即

$ {\boldsymbol{K}}(p,k) = {\boldsymbol{\alpha }}{\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\boldsymbol{K}}(k)}&{{\boldsymbol{K}}(k - 1)}& \cdots &{{\boldsymbol{K}}(k - p + 1)} \end{array}} \right]^{\rm{T}}}. $

$ {\boldsymbol{\alpha }} = {\rm{diag}}\;[{\lambda _1},{\lambda _2}, \cdots ,{\lambda _p}]. $

状态方程更新后,可得

$ \begin{split} {\boldsymbol{\hat X}}(k) &= {\boldsymbol{\hat X}}(\bar k) + {\boldsymbol{\alpha K}}(p,k){\boldsymbol{E}}(p,k) \\ & = {\boldsymbol{\hat X}}(\bar k) + \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\lambda _1}{\boldsymbol{K}}(k)} \\ {{\lambda _2}{\boldsymbol{K}}(k - 1)} \\ \vdots \\ {{\lambda _p}{\boldsymbol{K}}(k - p + 1)} \end{array}} \right]{\boldsymbol{E}}(p,k). \end{split} $

为了增大当前新数据的权重,取权重最大,则

$ {\lambda _1} \geqslant {\lambda _2} + {\lambda _3} + \cdots + {\lambda _p}. $

为了削弱历史数据累积干扰的作用,保证FMIEKF算法的有效修正,带遗忘因子权值矩阵可以取为

$\left. \begin{array}{l} {\lambda _{\text{1}}}{\text{ = 1}} , \\ {\lambda _{\text{2}}}{\text{ = }}{\lambda _{\text{3}}}{\text{ = }} \cdots {\text{ = }}{\lambda _p} = \dfrac{\varepsilon }{{p - 1}}. \\ \end{array} \right\} $

式中:ε为历史数据遗忘率,满足0 ≤ ε ≤ 1.0.

2.3. 参数辨识和状态估计流程

采用带有遗忘因子递归最小二乘法(forgetting factors recursive least squares,FFRLS),开展电池在线参数辨识,辨识参数包括R0R1C1R2C2. 将辨识参数结果代入FMIEKF算法中,求解锂离子电池的SOC,具体流程如图4所示. FFRLS-FMIEKF联合估计流程如下.

图 4

图 4   FFRLS-FMIEKF联合SOC估计流程

Fig.4   FFRLS-FMIEKF joint SOC estimation process


1)初始化. 采样时间Δt=0.1 s;遗忘因子μ=0.99;初始协方差矩阵P0;电池的相关初始参数,SOC、UocvCn.

2)参数迭代更新.

$ {{\boldsymbol{\theta }}_{k + 1}} = {{\boldsymbol{\theta }}_k} + \frac{{{{\boldsymbol{P}}_k}{{{\bf\textit{φ}}}_{k + 1}}({{{U}}_{k + 1}} - {{{\bf\textit{φ}}}^{\rm{T}}_{k + 1}}{{\boldsymbol{\theta }}_k})}}{{{{{\bf\textit{φ}}}_{k + 1}^{\rm{T}}}{{\boldsymbol{P}}_k}{{\bf\textit{φ}}}_{k + 1} + \mu }}. $

$ {{\boldsymbol{P}}_{k + 1}} = \frac{1}{\mu }\left\{ {{{\boldsymbol{P}}_k} - \frac{{{{\boldsymbol{P}}_k}{{{\bf\textit{φ}}}_{k + 1}}{{{{{\bf\textit{φ}}}^{{\rm{T}}}_{k + 1}}}}}{\boldsymbol{P}}_k}{{{{{\bf\textit{φ}}}_{k + 1}^{\rm{T}}}{{\boldsymbol{P}}_k}{{\bf\textit{φ}}}_{k + 1} + \mu }}} \right\}. $

3)根据参数辨识结果,预测状态:

$ {{\boldsymbol{\hat x}}_{\bar k}} = {\boldsymbol{A}}{{\boldsymbol{\hat x}}_{k - 1}} + {\boldsymbol{B}}{{\boldsymbol{u}}_{k - 1}}. $

4)协方差矩阵预测:

$ {{\boldsymbol{\hat P}}_{\bar k}} = {\boldsymbol{A}}{{\boldsymbol{P}}_{k - 1}}{{\boldsymbol{A}}^{\rm{T}}} + {\boldsymbol{Q}}. $

5)增益矩阵更新:

$ {\hat {\boldsymbol{K}}_k} = {{\boldsymbol{\hat P}}_{\bar k}}{{\boldsymbol{H}}^{\rm{T}}}{({\boldsymbol{H}}{{\boldsymbol{\hat P}}_{\bar k}}{{\boldsymbol{H}}^{\rm{T}}} + R)^{ - 1}}. $

6)多新息矩阵和扩展增益矩阵更新,见式(19)、(20).

7)状态修正更新:

$ {{\boldsymbol{\hat x}}_k} = {{\boldsymbol{x}}_{\bar k}} + {\boldsymbol{\hat K}}(p,k){\boldsymbol{E}}(p,k). $

8)协方差矩阵更新:

$ {{\boldsymbol{\hat P}}_k} = ({\boldsymbol{I}} - {\hat {\boldsymbol{K}}_k}{\boldsymbol{H}}){{\boldsymbol{\hat P}}_{\bar k}}. $

9)令k= k+1,返回2).

3. 实验及结果分析

3.1. 实验设置

电池充放电实验装置的结构如图5所示,由恒温箱Biolab BLH-100、充放电测试仪Neware BTS-400、辅助通道和上位机组成. 用于实验电池部分的参数如表3所示,采用三元聚合物锂离子电池,额定容量为10A·h,工作电压为3.0~4.2 V. 上位机中编辑动态应力测试(dynamic stress test,DST)工步,验证改进FFRLS-FMIEKF算法的准确性、收敛性. 该实验温箱的环境温度设置为25 ℃,电池初始SOC状态为100%,采样步长为0.1 s,最大放电电流为20 A,最大充电电流为10 A,整个工况放电时长约为4 h.

图 5

图 5   电池充放电实验装置结构

Fig.5   Structure of battery charging and discharging experimental device


表 3   实验电池的参数表

Tab.3  Parameter table of experimental battery

参数 数值
电池型号 聚合物锂电池1265132
外形尺寸 厚8 mm,宽92 mm,高112 mm
净重 200 g
额定容量 10 A·h
标准电压 3.7 V
工作电压 3.0~4.2 V
持续工作电流 ≤25 A
充电电流 ≤5 A

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3.2. 实验结果分析

3.2.1. 在线参数辨识结果

在DST工况中,电池初始SOC为100%,通过FFRLS在线辨识参数,所辨识参数分别为R0R1C1R2C2,辨识结果如图6所示. 参数趋于收敛后,在线参数的辨识结果和离线实验数据结果接近,因此提出的参数辨识方法具有较高的准确度.

图 6

图 6   FFRLS参数辨识结果

Fig.6   FFRLS parameter identification results


3.2.2. 正确SOC初值下的估计准确性分析

开展FMIEKF算法的SOC估计准确性分析,SOC准确初值为100%,估计结果如图7表4所示. 图中,ESOC为SOC误差. 可知,FMIEKF算法收敛后具有较好的准确度,最大估计误差为0.948%,平均误差为0.214%,与EKF、AEKF和MIEKF相比,最大误差分别减少了3.75%、1.96%和1.45%,平均误差分别减少了19.85%、14.06%和8.15%. 提出的FMIEKF算法误差较小,验证了多新息矩阵和增益矩阵对历史数据的重复使用,有利于提高SOC估计的准确性.

图 7

图 7   SOC估计准确性的对比

Fig.7   Comparison of SOC estimation accuracy


表 4   不同算法的SOC估计误差统计

Tab.4  SOC estimation error statistics of different algorithms

估计算法 ESOC /%
最大误差 平均误差 标准差
EKF 0.985 0.267 0.405
AEKF 0.967 0.249 0.328
MIEKF 0.962 0.233 0.309
FMIEKF 0.948 0.214 0.287

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3.2.3. 不同SOC初值下的收敛性分析

电池在实际工作情况下无法确定准确的SOC初值,因此需要开展FMIEKF算法的不同SOC初值收敛性分析. 使用6种不同的SOC初值进行讨论分析,分别包括100%、80%、60%、40%、20%、10%. 为了控制算法参数对算法收敛性的影响,新息长度参数设为9,遗忘因子参数设为0.5.

FMIEKF算法的收敛结果如图8所示. 图中,U为电压. 从图8可知,在不同的初始SOC下,端电压预测值在20 s内收敛至测量值. 电池在静置过程中,算法能够修正电池SOC的估计误差,因此提出的FMIEKF算法具有较好的收敛效果.

图 8

图 8   FMIEKF收敛结果

Fig.8   Convergence comparison of FMIEKF


3.2.4. 新息长度对FMIEKF准确性的影响

新息长度决定了历史数据使用量,对FMIIEKF准确性具有较大的影响. 采用控制单一变量,参数遗忘因子设置为0.5,新息长度分别选取p = 3、6、9、12,估计结果如图9所示. 可知,相比较EKF,FMIEKF算法进行SOC估计误差曲线平滑,修正幅度相对稳定,误差明显更小;p越大,估计误差越小,估计精度越高,但超过一定新息长度时,误差趋于饱和,因此一定长度的历史数据重复利用有利于提高EKF算法的估计精度.

图 9

图 9   不同新息长度下的SOC估计结果

Fig.9   SOC estimation results for different innovation lengths


3.2.5. 遗忘因子对FMIEKF算法准确性的影响

遗忘因子决定了滑动窗口内新、旧历史数据的占比权重. 若遗忘因子过大,则会造成状态估计误差变大,甚至无法收敛;若遗忘因子过小,则历史数据无法得到充分重复利用,状态估计精度降低. 研究遗忘因子对FMIEKF准确性的影响.

p=9的条件下,选取不同的遗忘因子:a=0.3、0.5、0.7、0.9,与MIEKF算法进行对比,结果如图10所示. 可知,与改进前的MIEKF相比,增大遗忘因子有利于提高算法的估计精度;随着遗忘因子的增大,SOC估计误差先减小后增大,当a=0.5时,具有较好的SOC估计精度.

图 10

图 10   不同遗忘因子的SOC估计结果

Fig.10   SOC estimation results for different forgetting factors


4. 硬件在环验证

为了探究提出的SOC估计算法的实用性,进行硬件在环(hardware in loop,HIL)实验验证. 利用实验室设备,包括电池模拟器、BMS采集板、直流电源、USB-CAN等,搭建HIL验证平台,如图11所示. 其中电池模拟器为被控对象,实时响应模拟单体电池的电压、电流和温度. 上位机基于LABVIEW编程环境,集成电池模拟器控制程序和BMS数据采集程序,分别通过USB-CAN、USB与BMS和电池模拟器实现数据传输.

图 11

图 11   硬件在环验证平台

Fig.11   Hardware in loop verification platform


FMIEKF算法的HIL结果和实验结果对比如图12所示,具体指标的对比数据如表5所示. 可以看出,HIL收敛速度较快,最大误差、平均误差和均方误差分别为1.903%、0.243%和0.342%;与实验值相比,平均误差和均方误差变化小于0.05%,最大误差变化小于1%. HIL和实验结果误差的原因主要有以下2个方面. 1)HIL中的BMS采用单精度浮点类型运算,造成数据精度损失. 2)电压和电流的数据采集受实验室环境影响,存在采集噪声干扰.

图 12

图 12   硬件在环与实验结果的对比

Fig.12   Comparison of HIL and experimental result


表 5   改进MIEKF的HIL结果统计

Tab.5  HIL result statistics of improved MIEKF

%
指标 最大误差 平均误差 均方误差
实验值 0.948 0.214 0.287
HIL 1.903 0.243 0.342

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5. 结 论

(1)FMIEKF算法的最大估计误差为0.948%,平均误差为0.214%,相比EKF、AEKF和MIEKF,平均误差分别减少19.85%、14.06%和8.15%,因此改进MIEKF具有很好的准确性.

(2)FMIEKF算法在不同的SOC初值下,端电压预测值在20 s内收敛至测量值,且电池在静置过程中能够修正电池SOC的估计误差,因此改进MIEKF具有很好的收敛性.

(3)通过硬件在环,验证了提出的锂离子电池SOC估计算法具有较高的实时性和可靠性,可以适用于实际的电池管理系统中.

参考文献

GRUOSSO G, GAJANI G, RUIZ F, et al

A virtual sensor for electric vehicles’ state of charge estimation

[J]. Electronics, 2020, 9 (2): 278

DOI:10.3390/electronics9020278      [本文引用: 1]

LI Y, CHATTOPADHYAY P, XIONG S, et al

Dynamic data-driven and model-based recursive analysis for estimation of battery state-of-charge

[J]. Applied Energy, 2016, 184 (12): 266- 275

URL     [本文引用: 1]

周诗尧, 陈自强, 郑昌文, 等

全海深深潜器所用动力锂离子电池电气特性

[J]. 上海交通大学学报, 2019, 53 (1): 49- 54

URL     [本文引用: 1]

ZHOU Shi-yao, CHEN Zi-qiang, ZHENG Chang-wen, et al

Electrical characteristics of power lithium-ion batteries used in all-sea deep submersibles

[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2019, 53 (1): 49- 54

URL     [本文引用: 1]

韩雪冰. 车用锂离子电池机理模型与状态估计研究[D]. 北京: 清华大学, 2014.

[本文引用: 1]

HAN Xue-bing. Research on mechanism model and state estimation of lithium-ion batteries for vehicles [D]. Beijing: Tsinghua University, 2014.

[本文引用: 1]

ZHENG C, CHEN Z, HUANG D

Fault diagnosis of voltage sensor and current sensor for lithium-ion battery pack using hybrid system modeling and unscented particle filter

[J]. Energy, 2020, 191 (1): 116504

URL     [本文引用: 1]

刘征宇, 杨俊斌, 张庆, 等

基于QPSO-BP神经网络的锂电池SOC预测

[J]. 电子测量与仪器学报, 2013, 27 (3): 44- 48

[本文引用: 1]

LIU Zheng-yu, YANG Jun-bin, ZHANG Qing, et al

Lithium battery SOC prediction based on QPSO-BP neural network

[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2013, 27 (3): 44- 48

[本文引用: 1]

KLASS V, BEHM M, LINDBERGH G

Capturing lithium-ion battery dynamics with support vector machine-based battery model

[J]. Journal of Power Sources, 2015, 298 (8): 92- 101

URL     [本文引用: 1]

PING S, OUYANG M, LU L, et al

The co-estimation of state of charge, state of health, and state of function for lithium-ion batteries in electric vehicles

[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2018, 67 (1): 92- 103

DOI:10.1109/TVT.2017.2751613      [本文引用: 1]

XIONG R, GONG X, MI C C, et al

A robust state-of-charge estimator for multiple types of lithium-ion batteries using adaptive extended Kalman filter

[J]. Journal of Power Sources, 2013, 243 (6): 805- 816

URL     [本文引用: 1]

DUAN J, WANG P, MA W, et al

State of charge estimation of lithium battery based on improved correntropy extended Kalman filter

[J]. Energies, 2020, 13 (16): 4197

DOI:10.3390/en13164197      [本文引用: 1]

WASSILIADIS N, ADERMANN J, FRERICKS A, et al

Revisiting the dual extended Kalman filter for battery state-of-charge and state-of-health estimation: a use-case life cycle analysis

[J]. The Journal of Energy Storage, 2018, 19 (10): 73- 87

URL     [本文引用: 1]

LI W, YANG Y, WANG D, et al

The multi-innovation extended Kalman filter algorithm for battery SOC estimation

[J]. Ionics, 2020, 26 (10): 1- 12

DOI:10.1007/s11581-020-03716-0      [本文引用: 1]

吴佳铭, 陈自强

可变低温环境锂电池组内部短路故障诊断

[J]. 浙江大学学报:工学版, 2020, 54 (7): 1433- 1439

URL     [本文引用: 1]

WU Jia-ming, CHEN Zi-qiang

Fault diagnosis of internal short circuit of lithium battery pack in variable low temperature environment

[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science Edition, 2020, 54 (7): 1433- 1439

URL     [本文引用: 1]

葛云龙, 陈自强, 郑昌文

UTSTF锂离子电池时变参数估计与故障诊断

[J]. 浙江大学学报: 工学版, 2018, 52 (6): 1223- 1230

URL     [本文引用: 1]

GE Yun-long, CHEN Zi-qiang, ZHENG Chang-wen

Time-varying parameter estimation and fault diagnosis of UTSTF lithium-ion battery

[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science Edition, 2018, 52 (6): 1223- 1230

URL     [本文引用: 1]

HUANG D, CHEN Z, ZHENG C, et al

A model-based state-of-charge estimation method for series-connected lithium-ion battery pack considering fast-varying cell temperature

[J]. Energy, 2019, 185 (C): 847- 861

URL     [本文引用: 1]

DING F

System identification. Part F: multi-innovation identification theory and methods

[J]. Journal of Nanjing University of Information Science and Technology, 2012, 4 (1): 1- 28

URL     [本文引用: 1]

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