一种变长度滑动窗辨识电池参数的电池荷电状态估计方法
【专利摘要】本发明涉及一种变长度滑动窗辨识电池参数的电池荷电状态估计方法，由变长度滑动窗最小二乘法实时辨识电池参数，再利用这些电池参数进行自适应扩展卡尔曼滤波估计出电池SOC，从而克服了电池老化引起的电池参数变化对电池SOC估计精度的影响。不仅可以有效跟踪时变的电池参数，且对初始数据的选择没有依赖性；自适应卡扩展尔曼更能适应非线性时变系统的状态估计；矩阵求逆运算转换成标量除法运算，具有更好的实时性。
【专利说明】一种变长度滑动窗辨识电池参数的电池荷电状态估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电动汽车动力电池管理系统【技术领域】，具体涉及一种变长度滑动窗辨 识电池参数的电池荷电状态估计方法。
【背景技术】
[0002] 动力电池是影响电动汽车动力性、安全性以及经济性的关键部件。对其进行高效 可靠的控制是电池管理系统实现车辆安全行驶的关键保证。而对电池荷电状态（SOC)的准 确估计则是电池管理系统的关键技术之一。
[0003] 目前SOC的估计方法有经典的安时积分法，开路电压法，卡尔曼滤波法、神经网络 法等等。安时积分法随着时间的累加会产生累积误差，且误差会越来越大，通常需要借助开 路电压法辅助修正安时积分得到的SOC估计值。开路电压法由于需要动力电池静置相当长 一段时间，因此不适合在整车上进行实时的SOC估计，但可以结合其它估计方法作为SOC的 一种辅助算法。神经网络算法则需要大量的训练数据来进行支撑。当前在实际应用中的卡 尔曼滤波算法通常会结合一定的参数辨识算法（用来辨识电池参数，例如等效内阻，开路 电压等）来估计电池的S0C。常用的参数辨识算法在实际应用中又分为离线参数辨识和在 线参数辨识两种。①离线参数辨识是将所有的电池实验数据使用最小二乘法进行辨识得到 相关的电池参数，在使用卡尔曼滤波算法估计SOC的过程中，这些参数是作为常数进行计 算的，这种算法的缺点是随着电池寿命的衰减，这些电池参数是会发生变化的，随着电池的 老化如果仍然沿用初始的电池参数估计S0C，就会造成比较大的估计误差。②在线参数辨识 是使用迭代最小二乘算法实时辨识电池参数，在卡尔曼滤波算法估计SOC的过程中，这些 参数是实时更新的，虽然这种方法可以实时跟踪电池参数的变化，但迭代最小二乘算法随 着数据的增长，将出现数据饱和现象，以致递推最小二乘算法慢慢失去修正能力。卡尔曼滤 波算法在实际应用中也存在有以下的不足：①对初始参数依赖性比较大，如果不能准确给 出比较贴近实际的初始值，将会产生比较大的估计误差；②滤波器的计算量以状态维数的 三次方剧增，无法满足车辆运行过程中的实时性要求。
[0004] 综上所述，动力电池是一个非线性、时变性较强的系统，离线参数辨识算法始终使 用固定的常数估计电池荷电状态，随着电池老化估计的误差会越来越大，不能满足整车的 使用需求；在线参数辨识使用的递推最小二乘算法虽然具有实时跟踪参数变化的优点，但 随着数据的增长会出现数据饱和现象，导致算法慢慢失去修正能力；卡尔曼滤波算法对初 始参数依赖性比较大，当不能准确给出比较贴近实际的初始值时，往往会产生比较大的估 计误差；另外卡尔曼滤波算法的计算量是以状态维数的三次方剧增的，无法满足车辆运行 过程中的实时性要求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有SOC估计算法的不足，提出了一种变长度滑动窗最小 二乘算法和自适应扩展卡尔曼滤波算法相结合的电池SOC估计方法。由变长度滑动窗最 小二乘法实时辨识电池参数，再利用这些电池参数进行自适应扩展卡尔曼滤波估计出电池 SOC，从而克服了电池老化引起的电池参数变化对电池 SOC估计精度的影响。本发明适用于 动力电池，且具有较高的估计精度。具体技术方案如下：
[0006] 采用变长度滑动窗的最小二乘法在线辨识电池参数，并利用辨识出的电池参数进 行自适应扩展卡尔曼滤波算法估计电池荷电状态。
[0007] -种变长度滑动窗辨识电池参数的电池荷电状态估计方法，包括如下步骤：
[0008] (1)辨识电池参数；
[0009] (2)利用步骤⑴中辨识出的电池参数使用自适应扩展卡尔曼滤波算法估计电池 荷电状态。
[0010] 进一步地，步骤（1)中具体包括如下步骤：
[0011] (1-1)根据电池的电化学特性建立状态方程和观测方程；
[0012] (1-2)采用变长度滑动窗的最小二乘法在线辨识电池参数。
[0013] 进一步地，步骤（1-1)具体包括如下步骤：
[0014] 1)建立动力电池等效电路模型；
[0015] 2)建立状态方程和观测方程：
[0016] 3)离散化状态方程和观测方程。
[0017] 进一步地，
[0018] 步骤1)中采用thevenin等效电路模型，该电路由并联的等效极化内阻和等效极 化电容与等效欧姆内阻串联而成，且由该等效电路可得： _9] Ut = Uoc-Up-IR0
【权利要求】
1. 一种变长度滑动窗辨识电池参数的电池荷电状态估计方法，其特征在于，包括如下 步骤： (1) 辨识电池参数； (2) 利用步骤（1)中辨识出的电池参数使用自适应扩展卡尔曼滤波算法估计电池荷电 状态。
2. 如权利要求1所述的变长度滑动窗辨识电池参数的电池荷电状态估计方法，其特征 在于，步骤（1)中具体包括如下步骤： (1-1)根据电池的电化学特性建立状态方程和观测方程； (1-2)采用变长度滑动窗的最小二乘法在线辨识电池参数。
3. 如权利要求2所述的变长度滑动窗辨识电池参数的电池荷电状态估计方法，其特征 在于，步骤（1-1)具体包括如下步骤： 1) 建立动力电池等效电路模型； 2) 建立状态方程和观测方程： 3) 离散化状态方程和观测方程。
4. 如权利要求3所述的变长度滑动窗辨识电池参数的电池荷电状态估计方法，其特征 在于， 步骤1)中采用thevenin等效电路模型，该电路由并联的等效极化内阻和等效极化电 容与等效欧姆内阻串联而成，且由该等效电路可得： Ut = Uoc-Up-IR0
Uoc = Ko+KJnSOC+^ln (I-SOC) 其中，Up为等效极化内阻上电压，Ut为动力电池的端电压，U。。为动力电池的开路电压， Rtl为动力电池的等效欧姆内阻，Cp和Rp分别为动力电池的等效极化电容和极化内阻，KpKp K2为无单位的电池参数； 由方程组式（1)可得到：
步骤2)中所建立的状态方程和观测方程为： 状态方程X = f(x，u)+W (3) 观测方程Y = H ? X+V (4) 其中，状态向量 X = [Ut Up K0 K1 K2 1/Rp 1/Cp R0]T (5) A为f (x，u)中的第i个状态方程；Xi为X中的第i个状态变量，i = 1，2,…，8 ; Z1 = (-X1 + X3 + X4 InSOC + ln{l - SOC))xhx7-X^x1 X^u-X1 u-x/i 一 X7U-X2X6X7 f3 = 0 f4 = o (6) f5 = O f6 = O f7 = O f8 = O 观测矩阵 H = [I 000000 0]; 步骤3)中建立离散化状态方程和观测方程： Ut，k = mi+n^Utn+i^lnSOCk+mJn (I-SOCk) +mJk+mjH (7) 其中，
状态方程用矩阵表示为： z = 〇0 (9) 其中，z为状态变量Ut，0为系统参数向量： 0 = [In1 m2 m3 m4 m5 m6] (10) ①为状态转移矩阵： O = [I Ut，H InSOCk In(I-SOCk) Ik Ik_JT (11)。
5. 如权利要求2-4中任一项所述的变长度滑动窗辨识电池参数的电池荷电状态估计 方法，其特征在于，步骤（1-2)具体包括如下步骤： 1) 检测电池参数是否发生变化； 2) 滑动窗长度的调节。
6. 如权利要求5所述的变长度滑动窗辨识电池参数的电池荷电状态估计方法，其特征 在于，步骤1)中是根据电池参数的预测误差e(k)来检测电池参数的变化： e(k) = zI-LH^Ln = k) (12) 其中，(众-Z+1) Z(灸-i)…Z(灸）]r，iL+1是勺估计值，当在kd 时刻检测到平均滑动窗指数d(k)超出了预设的门限值P，则认为待辨识的电池参数发生 了变化；
其中，M是窗口长度，用于计算检测指数d(k)，H1是系统参数发生变化的置信区间，Htl是系统参数未发生变化的置信区间，P为系统参数发生变化的门限值； 步骤2)中，当检测到电池参数的变化，窗口长度会减小，通过使用更短的窗口长度，跟 踪到电池参数的变化，从窗口长度缩小发生开始，窗口长度会逐步增长到最初的长度。
7. 如权利要求1-6中任一项所述的变长度滑动窗辨识电池参数的电池荷电状态估计 方法，其特征在于，步骤（2)中具体包括如下步骤： (2-1)时间更新过程； (2-2)测量更新过程。
8. 如权利要求7所述的变长度滑动窗辨识电池参数的电池荷电状态估计方法，其特征 在于， 步骤（2-1)中时间更新过程： 状态向量估计过程右=I1 (15) 状态向量估计协方差G=(/ + J rv )& (/ + /17；. f + (16) 式（16)中的矩阵A为状态转移矩阵在状态估计向量处的偏导；
9. 如权利要求8所述的变长度滑动窗辨识电池参数的电池荷电状态估计方法，其特征 在于，当有新的状态向量更新时，转到第（1)步重新辨识电池参数，然后再根据辨识得到的 电池参数进一步更新系统状态向量。
10. 如权利要求1-9中任一项所述的变长度滑动窗辨识电池参数的电池荷电状态估计 方法，其特征在于，步骤（1)和步骤（2)在每一时刻是交替进行的。
【文档编号】G06F17/50GK104360282SQ201410662956
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】闫鹤 申请人:奇瑞汽车股份有限公司