机械工程设计

赵又群，周晓凤，刘英杰

机械工程设计

基于扩展卡尔曼粒子滤波算法的锂电池SOC估计

赵又群，周晓凤，刘英杰

目的：锂电池荷电状态（SOC）用来描述电池剩余电量的数量，进而反映电动汽车的续驶里程，是电池管理系统中的核心参数。电池循环次数的增加，瞬间大电流以及温度等因素都会使电池特性发生变化，使用扩展卡尔曼滤波算法（EKF）对电池荷电状态进行估计，会有较大的误差甚至导致算法不收敛。为了有效的抑制发散以及噪声的影响，本文基于锂电池混合噪声模型，应用扩展卡尔曼粒子滤波算法（EKPF，Extended Kalman Particle Filter）对锂电池荷电状态和电流漂移噪声进行同步估计，并根据充放电试验数据进行仿真分析，结果表明了该算法的优越性。方法：本文借鉴文献提出的结合Shepherd模型、Unnewehr模型和Nernst模型的复合模型，考虑电流漂移噪声的干扰，建立混合噪声模型，采用递推最小二乘法对锂电池复合模型进行参数辨识。建立锂电池的离散状态空间模型后，应用扩展卡尔曼粒子滤波算法（EKPF，Extended Kalman Particle Filter）对锂电池荷电状态和电流漂移噪声进行同步估计。最后为了验证扩展卡尔曼粒子滤波算法对锂电池 SOC估计的精确性，对锂电池进行放电试验，分别采用 EKF、PF和EKPF三种算法对电池SOC进行估计，以验证算法的优越性。结果：为了验证扩展卡尔曼粒子滤波算法对锂电池SOC估计的精确性，对3.2 V/20 Ah的锂电池进行放电试验，分别采用EKF、PF和EKPF三种算法对电池SOC进行估计，为了定量的比较EKF、PF和EKPF的性能，定义了试验的均方根误差RMSE和和单次平均消耗时间t。得到结果如下：（1）三种不同算法的SOC的估计结果图中，PF算法对应的曲线抖动很明显，而EKPF算法的曲线较为平滑。（2）EKF算法的RMSE为0.0583，单次平均消耗时间t为2.7157 s；PF算法的RMSE为0.0412，t为 49.3150 s；EKPF算法的RMSE为 0.0254，t为214.8240s。从仿真试验结果可以看出，基于锂电池混合噪声模型的EKPF算法精度较高，即说明了算法的优越性，也表明了模型的准确性。单独使用 PF算法时抖动很明显，而EKPF算法则比较平滑，在均方根误差（RMSE）的指标上也优于EKF算法和PF算法，但由于算法复杂，计算量相对较大，故单次平均消耗时间t相对较长。结论：本文基于锂电池混合噪声模型，应用扩展卡尔曼粒子滤波算法（EKPF，extended kalman particle filter）对锂电池荷电状态和电流漂移噪声进行同步估计，并根据充放电试验数据进行仿真分析，结果表明了该算法的优越性。在锂电池实际工作过程中，由于电池的非线性和非高斯性，应用扩展卡尔曼粒子滤波算法对电池SOC进行估计具有其独特的优越性，可实现电池SOC的准确估计。对于一个具有高斯特性的系统噪声和量测噪声的弱非线性系统，扩展卡尔曼粒子滤波算法能够较好地克服经典粒子滤波算法存在的粒子退化问题，同时较常用的卡尔曼滤波算法对比来说，精度得到提高。再进一步的研究中可以考虑锂电池混合噪声模型参数的在线辨识，提高模型精度。

来源出版物：中国机械工程,2015,26(3):394-397

入选年份：2015

基于知识重用的钳臂快速设计方法

杨志兵，李曼丽

摘要：目的：设计人员根据电焊钳钳臂的设计要求，凭借个人的设计经验，以产品模型库中基本满足用户需求的模型为基础来完成设计工作。最后找到的模型不一定是真正匹配的模型，且对检索实例进行的修改是基于草图和特征的修改，原有的设计知识不能得到真正的重用。方法：在CATIA V5平台下，利用三维设计技术建立钳臂的三维模型时，应根据钳臂的结构信息确定特征建立的顺序，以免某些变量的修改量比较大时，特征出现严重变形，导致模型无法更新。钳臂设计过程中，将主参数设置为全局参数，依据设计经验、设计标准等确定产品的从参数及关联规则，利用 CATIA的知识工程顾问模块中的公式建立关联关系。为便于给后续设计提供借鉴，保留产品的设计参数；为便于钳臂设计参数的记录和调用，采用数据库的形式表示设计参数。设计规则用产生式规则表示法描述，设计人员必须要遵守的设计规则通过 Checks功能编写代码进行描述。利用Publication功能发布与钳臂组件和握杆组件装配有关的轴、面等特征。装配关系用过程表示法表示，设计时调用该过程可方便地进行握杆组件的替换，且不改变装配的约束关系。采用参数化设计方法生成标准 CAD模型后，通过有限元分析确定钳臂的强度和刚度是否满足要求。采用三维实例模型与模型特征数据相结合的方法来描述实例，首先通过钳臂编码查找到三维实例模型，然后根据特征数据找到对应的实例。采用加权最近邻算法进行实例检索，得出新实例与已有实例的总相似度。当有多个已有实例均符合设计要求时，取总相似度大于设定阈值的实例或选取总相似度值较大的实例。钳臂实例的研究中，实例修改主要包括设计参数修改和零部件替换，主设计参数由用户自定义，设计规则、成熟的设计经验及网格划分信息均与主参数相关联。系统自动读取当前实例的设计参数，并加载其他匹配实例的设计参数和历史设计数据，设计人员直接在界面中进行参数修改和零部件替换。结果：对 CATIA进行二次开发，实现了钳臂的参数化设计；利用Access数据库建立了钳臂产品的实例库；利用VB6.0开发用户界面，实现了实例检索，实例修改以及实例的添加、删除等功能。钳臂设计过程中，设计人员只需要在用户界面上进行操作，有效利用了封装的设计知识，节约了模型查询时间和设计修改时间。结论：本文提出的钳臂快速设计方法充分重用了经过实践的设计知识，避免了设计人员的重复劳动。钳臂的快速设计的成功不能仅限于建模，还需进一步的仿真分析，未来可以对钳臂有限元模型的分析进行扩展研究。

来源出版物：中国机械工程,2015,26(2):223-227

入选年份：2015