基于EKF的电动车辆动力锂电池SOC估算方法研究

那红军 王顺利 蒋聪 李建超

摘要：目前，國家正在大力推广纯电动汽车，准确的荷电状态（SOC）估算是动力锂电池可靠使用的关键性问题。本文通过对三元锂电池进行混合动力脉冲能力特性（HPPC）实验，进行参数辨识，建立Thevenin等效电路模型以表征锂电池工作特性。运用扩展卡尔曼滤波（EKF）算法对于荷电状态进行准确估算，在BBDST工况下验证了估算效果。结果表明，在BBDST工况下运用EKF算法可以修正SOC估算初始误差，最大误差低于1.5%，全过程平均误差为0.37%，为动力电池的可靠安全使用提供了理论基础。

关键词：动力锂电池;荷电状态估算;Thevenin模型;EKF算法;BBDST工况

中图分类号：TM92          文献标识码：A

目前我国正在推动新能源汽车技术发展，全面推广先进纯电动车和混合动力车，电池是电动汽车的关键。现如今电动车辆可选择的电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、燃料电池和锂电池等。几种电池比较，因锂电池具有体积小、工作电压高、重量轻、比能量大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应和无污染等一系列优点，其已成为电动车辆近期重点发展的动力电源[1]。但锂电池的安全使用仍是需要面对的问题[2]。动力锂电池的安全可靠使用需要准确的荷电状态（state of charge， SOC）估算。在国内外有大量科研工作人员对锂电池进行了研究。苏杰等[3]基于PNGV模型探索了钴酸锂电池的内阻特性。钱能等[4]对改进PNGV模型进行了研究。Lai Xin等[5]比较了不同阶数的锂电池等效电路模型对荷电状态估算效果的影响。Wang Shun-Li等[6]优化了开路电压与SOC的关系，用于航空锂离子电池状态监测。

1 数学理论分析

1.1 锂电池Thevenin模型

常用锂电池等效模型主要有纯数学模型、电化学模型、电路模型。由于等效电路模型具有计算简单、物理意义明确的优点，应用最为广泛。电池的内阻和极化效应对电池有较大影响，本次采用的Thevenin等效电路模型可以表征锂电池的欧姆效应和极化效应。其具体等效电路如图1所示。

2 实验分析

2.1 HPPC测试

所使用电池测试设备为亚科源BTS750-200-100-4，功率限值750 W，电压限值200 V，电流限制100 A，4个测试通道。完整HPPC实验流程如下：先充满电，搁置40 min，以50 A的电流进行放电10 s，再搁置40 s，以50 A电流充电10 s，再搁置，此次HPPC实验完成，放电至下一SOC值为90%时进行HPPC实验，直至SOC=0.1为止。完整HPPC测试过程电流电压数据如图3所示。

利用1.2所阐述的模型参数辨识方法，结合HPPC测试数据。可以得到各个参数值如表1所示。

由于放电电流较大，在放电末期电压下降幅度增大，达到截止电压2.75 V，未在SOC为10%进行HPPC测试。由表1中数据可以看出，中前期欧姆内阻、极化电阻变化不明显。随着SOC值降低到20%以下，欧姆内阻、极化电阻显著增大，而极化电容减小。而UOCV全程随SOC下降而下降。

2.2 仿真分析

通过在Matlab/Simulink中建立仿真系统验证EKF算法SOC估算效果。导入根据北京公交动态测试工况（beijing bus dynamic stress Test， BBDST）进行实验所得到电流、电压数据。如图4所示。

仿真主要部分是编写EKF算法程序的s-function模块，2个signal builder模块为电流、电压。根据模型得到的R0（SOC）、Rp（SOC）、Cp（SOC）、OCV-SOC等4个多项式函数模块。得到的Simulink仿真模型如图4所示。输出的SOC及误差如图5和图6所示。

SOC1是真实SOC值，SOC2是运用扩展卡尔曼算法进行的SOC估算值。这里是从充满电开始放电，即从SOC=100%开始，而为了验证EKF算法纠正初始值能力，将其SOC初值设为75%，初始误差25%。在短暂的迭代以后，SOC2成功跟上SOC1的值。其误差如图6所示。

由图6中的SOC估算误差曲线可以看出估算误差在很短的时间就低于1.5%。将误差数据取绝对值再求取平均值，得到平均估算误差为0.37%。

3   结论

扩展卡尔曼滤波算法对于荷电状态估算效果良好，在BBDST工况下运用EKF算法可以修正SOC估算初始误差，使其最大误差低于1.5%，全过程平均误差为0.37%。

参考文献

[1] 肖九梅.电动车辆动力电池的性能特点及其发展[J].电源世界，2018，21（1）：51-56.

[2] 张永龙，夏会玲，陈少杰，等.浅析固态锂离子电池安全性[J].储能科学与技术，2018，7（6）：994-1002.

[3] 苏杰，王顺利，王露，等.基于PNGV电路模型的新能源汽车钴酸锂电池内阻研究[J].自动化与仪表，2018，38（10）：11-14，32.

[4] 钱能，严运兵，李文杰，等.磷酸铁锂离子电池Thevenin等效模型的改进[J].电池，2018，48（4）：257-261.

[5] LAN X，ZHENG Y J，SUN T. A comparative study of different equivalent circuit models for estimating state-of-charge of lithium-ion batteries[J]. Electrochimica acta，2018，259：566-577.

[6] WANG S L， CARLOS F， ZOU C Y， et al. Open circuit voltage and state of charge relationship functional optimization for the working state monitoring of the aerial lithium-ion battery pack[J]. Journal of cleaner production，2018（10）：1090-1104.