基于粒子濾波的鋰離子電池SOC預(yù)測(cè)方法研究

1、基于粒子濾波的鋰離子電池SOC預(yù)測(cè)方法研究摘 要鋰離子電池荷電狀態(tài)(SOC)是鋰離子電池管理系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一，通過鋰離子電池SOC可以判斷鋰離子電池組中單體鋰離子電池之間的性能差異，避免鋰離子電池的過度充電過度放電，因此及時(shí)和準(zhǔn)確地對(duì)鋰離子電池SOC進(jìn)行估計(jì)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是由于鋰離子電池SOC估算受鋰離子電池工作狀態(tài)、電流大小、溫度高低等諸多因素的影響，想要計(jì)算出準(zhǔn)確的SOC值是很困難的，距離應(yīng)用于真正的鋰離子電池設(shè)備還有一定的距離。由于鋰離子電池是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，而粒子濾波算法在求解非線性問題方面具有一定的優(yōu)越性，因此本文研究了利用粒子濾波算法動(dòng)態(tài)估計(jì)鋰離子電池的SO

2、C值，將粒子濾波算法和鋰離子電池模型相結(jié)合，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了鋰離子電池SOC的估計(jì)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，粒子濾波算法能夠?qū)︿囯x子電池的SOC做出較準(zhǔn)確的估計(jì)，該算法具有很好的適用性。本文給出了用粒子濾波方法預(yù)測(cè)鋰離子電池剩余有用壽命的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方式，用集總參數(shù)模型來計(jì)算鋰離子電池所有的動(dòng)態(tài)特性，包括：非線性開環(huán)電壓、電流，溫度，循環(huán)次數(shù)和與時(shí)間不相關(guān)的儲(chǔ)能容量。鋰離子電池內(nèi)部的反應(yīng)是此模型的基礎(chǔ)，系統(tǒng)中靜態(tài)噪聲經(jīng)處理后可以對(duì)剩余有用壽命做估計(jì)。仿真的結(jié)果表明發(fā)展的預(yù)測(cè)系統(tǒng)能很好地預(yù)測(cè)鋰離子電池的剩余有用壽命。關(guān)鍵詞：粒子濾波算法；SOC；鋰離子電池Research of Management Inf

3、ormation System of Power Plant Based on UMLAbstractLithium ion battery state of charge is one of the most important management systems in lithium ion battery parameters. The lithium ion battery state of charge can determine the performance differences between the lithium ion battery monomer lithium

4、ion batteries. In order to avoid over charging and excessive discharge of lithium ion battery, Therefore, timely and accurately to the lithium ion battery state-of-charge estimation has a very important practical significance。But because of the influence of lithium ion battery state-of-charge estima

5、tion of many factors such as working state, lithium ion battery current and temperature etc. we want to calculate the exact state-of-charge values is very difficult. Application of distance from real lithium ion battery equipment there is a certain distance. Due to power battery is a complex nonline

6、ar system, and particle filter (PF) has advantages in solving nonlinear problems, so this paper proposes the usage of PF in solving the battery SOC estimation problem. Making use of the measured battery data, we do the experiment of battery SOC estimation based on the lithium-ion battery model. The

7、experiment result shows that particle filter algorithm can do an accurate prediction on battery SOC, and the prediction algorithm has better applicabilityParticle filter method are presented to predict the remaining useful life of the lithium-ion batteries which is implemented in this paper, using t

8、he lumped parameter model to calculate all the dynamic characteristics of li-ion battery, including: nonlinear open-loop voltage, current, temperature, time and cycle times and energy storage capacity. Lithium ion battery internal reaction is the basis of this model, static noise after processing ca

9、n do estimate the remaining useful life in the system. The simulation results show that the development of prediction system can well predict the remaining useful life of lithium-ion batteries. Key Words: Particle Filtering Algorithm; SOC; Lithium Ion Batteries22目 錄1 緒 論.21.1 引言.21.2 研究背景.21.3 研究意義

10、.32 鋰離子電池的工作原理及性能分析.52.1 鋰離子電池的工作原理及鋰離子電池工作的優(yōu)缺點(diǎn).52.2 鋰離子電池的性能分析.63 基于粒子濾波算法的鋰離子電池SOC估計(jì). . 93.1 鋰離子電池荷電狀態(tài)的定義.93.2 粒子濾波算法的實(shí)現(xiàn).94 實(shí)驗(yàn)過程及收獲.144.1 數(shù)據(jù)處理步驟及軟件算法實(shí)現(xiàn).144.2 實(shí)驗(yàn)收獲.16致 謝.19參考文獻(xiàn).20附 錄.211 緒 論1.1 引言鋰離子電池是許多系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分，鋰離子電池的故障的出現(xiàn)往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降并可能使系統(tǒng)癱瘓。例如，在2006年11月美國(guó)國(guó)家的宇航局的火星全球探勘者號(hào)停止了工作，其原因就是因?yàn)殇囯x子電池的散熱片對(duì)著

11、太陽放置而導(dǎo)致鋰離子電池溫度上升以致鋰離子電池失去充電能力?，F(xiàn)今出于不同的目的，對(duì)鋰離子電池的設(shè)計(jì)有了很大的關(guān)注。然而這都是因?yàn)檫@些應(yīng)用的共同特點(diǎn)是都希望鋰離子電池有充足長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間和較低的耗散功率?，F(xiàn)如今，因?yàn)殇囯x子電池它能夠重復(fù)的充電以及放電，它的使用成本也較低，所以鋰離子電池現(xiàn)在越來越多的運(yùn)用在手機(jī)以及筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品中。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來，國(guó)家不可再生資源的大幅度減少，鋰離子電池作為新能源之一也逐漸受到了各國(guó)政府及人民的關(guān)注與支持。伴隨著二次鋰離子電池技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，對(duì)鋰離子電池的科學(xué)應(yīng)用也成為最重要的中心環(huán)節(jié)，但怎樣提高鋰離子電池的使用效率，以及怎樣保證其安全性和

12、怎樣延長(zhǎng)每次滿電后的使用壽命，其中這就顯示出，鋰離子的發(fā)展以及對(duì)鋰離子電池SOC的預(yù)測(cè)研究都顯得特別重要。1.2 研究背景我國(guó)鋰離子電池的發(fā)展，目前我國(guó)政府對(duì)鋰離子電池的研究工作尤為關(guān)注，早在"863"計(jì)劃中我國(guó)就把研究開發(fā)鋰離子電池列為關(guān)鍵項(xiàng)目1，又在"九五"期間將鋰離子電池列入我國(guó)國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，把它作為電子行業(yè)中新的重大經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。目前我國(guó)的鋰電池技術(shù)落后于日本，但是我們都相信，我國(guó)鋰離子在未來發(fā)展?jié)摿ι弦欢〞?huì)超過日本。伴隨著我國(guó)研發(fā)能力的提高和我國(guó)低成本的優(yōu)勢(shì)，我國(guó)在鋰電池在未來的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展中將占據(jù)舉足輕重的地位。早在2000年以前，日本國(guó)家

13、的鋰離子二次電池產(chǎn)量達(dá)到全世界的95%以上。 但是由于近年來，中國(guó)廠商和韓國(guó)廠商在鋰離子這一塊的迅速發(fā)展正逐漸改變這一格局。特別是進(jìn)入2001年以后，我國(guó)的鋰離子二次電池產(chǎn)業(yè)開始進(jìn)入迅速成長(zhǎng)的階段，其產(chǎn)量年均增長(zhǎng)超過140%。而韓國(guó)也憑借著近年來在消費(fèi)和移動(dòng)等IT終端產(chǎn)品領(lǐng)域的強(qiáng)勢(shì)增長(zhǎng)，韓國(guó)的鋰離子電池業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。在全世界鋰離子二次電池的生產(chǎn)經(jīng)過近幾年的發(fā)展，已經(jīng)基本形成了中，日，韓三分天下的格局2。由于我國(guó)現(xiàn)有材料和鋰離子電池設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)尤其新材料的出現(xiàn)，鋰離子電池的應(yīng)用范圍不斷被拓展。它的應(yīng)用已經(jīng)從信息 產(chǎn)業(yè)(移動(dòng)電話，PDA，筆記本電腦等)發(fā)展到能源交通 (電動(dòng)汽車，電網(wǎng)調(diào)峰，太

14、陽能，風(fēng)能電站蓄電)，軍用 則涵蓋了海(潛艇，水下機(jī)器人)，陸(陸軍士兵系統(tǒng)， 機(jī)器戰(zhàn)士)，天(無人飛機(jī))，空(衛(wèi)星，飛船)諸兵種 ，目前，鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)不單單是一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)，它還關(guān)乎電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)之一， 并且以后將成為未來軍事裝備中關(guān)鍵重要的"糧食"之一 。其中，在美國(guó)市場(chǎng)調(diào)查公司工作的人員Frost & Sullivan介紹，以后，鋰電池的發(fā)展將在全球市場(chǎng)上大幅增長(zhǎng)，2013年的供貨量將有可能達(dá)到39.9億塊。 Frost & Sullivan還指出，鋰電池它的能源密度提高以及輕，量化將成為今后需求擴(kuò)大的關(guān)鍵因素。而且目前

15、因?yàn)楦吣苄щ姵氐漠a(chǎn)業(yè)使用便攜設(shè)備的需求增加，所以它也會(huì)推動(dòng)鋰電池市場(chǎng)的增長(zhǎng)。電子消費(fèi)類產(chǎn)品中用鋰電池市場(chǎng)已經(jīng)相當(dāng)成熟， 面向小產(chǎn)業(yè)及車載市場(chǎng)的發(fā)展在今后5年到7年內(nèi)還會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。1.3 研究意義鋰離子電池作為電子產(chǎn)品，它是能提供動(dòng)力能源的配套產(chǎn)品，而且它的消費(fèi)需求是否增長(zhǎng)關(guān)鍵取決于它所需要的配套的電子產(chǎn)品的消費(fèi)增長(zhǎng)。現(xiàn)在它主要應(yīng)用在手機(jī)和手提電腦中，而且未來將會(huì)應(yīng)用在臺(tái)式電話子母機(jī)，攝像機(jī)，電動(dòng)自行車，軍警移動(dòng)通訊工具和設(shè)備，以及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域中?？梢钥闯?，鋰離子電池它的潛在需求非常大。并且當(dāng)人們?cè)絹碓街匾暛h(huán)境保護(hù)與積極尋求不可再生能源的替代品?，F(xiàn)在各個(gè)國(guó)家都在研制更加環(huán)保型的鋰離子電池，隨著

16、世界的發(fā)展，鋰離子二次充放電的普及，我們對(duì)鋰離子電池的性能要求也將會(huì)逐步提高。因此開發(fā)高端的鋰離子電池，并將其廣泛的應(yīng)用于汽車，電動(dòng)汽車。當(dāng)然，如果鋰離子電池的成本能逐步降低的話，那么將來它必然會(huì)作為新型電子產(chǎn)品的電源。未來，我們將會(huì)研發(fā)出高能量和高性能的鋰離子電池。伴隨著鋰離子的安全性，簡(jiǎn)便性，高容量性的鋰離子電池的推廣，未來鋰離子二次電池將會(huì)成為電子產(chǎn)品企業(yè)必不可少的元件。之前，對(duì)諾基亞、索尼相關(guān)電子產(chǎn)品公司緊急召回手機(jī)，筆記本電池事件，業(yè) 內(nèi)專家分析認(rèn)為鋰離子電池會(huì)是而今最好的，安全性能最高的選擇，目前即使很多企業(yè)仍在開發(fā)燃料電池以期待它能替代鋰離子電池，但是結(jié)果表明，便于攜帶的燃料電池

17、依照目前的技術(shù)還達(dá)不到商用標(biāo)準(zhǔn)，而且它的安全性也并不是100%，而且業(yè)內(nèi)分析人士Geoff Blaber指出在未來的3到5年時(shí)間內(nèi)像這樣這種情況不會(huì)有太大的變化，即使有可能它的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)達(dá)到商用標(biāo)準(zhǔn)，但讓它在在手機(jī)，筆記本等電子產(chǎn)品當(dāng)中的普及也需要一段很長(zhǎng)的時(shí)間，所以在未來的幾年，我們不用擔(dān)心會(huì)有其他電池產(chǎn)品會(huì)對(duì)鋰離子電池進(jìn)行替代。當(dāng)前，研究鋰離子電池還有很多現(xiàn)實(shí)意義，比如在人類還沒有找到理想的燃料來替代石油和煤等核心能源之前，鋰離子電池的技術(shù)將會(huì)是一個(gè)比較好的過度性技術(shù)，雖然鋰離子電池不能自己產(chǎn)生電能，但是它卻可以儲(chǔ)存攜帶能量，并且能把能量從一個(gè)地方傳到另一個(gè)地方，這就會(huì)減小人們對(duì)石油、煤等不可

18、再生資源的消耗。而且我們現(xiàn)在日常生活中用鋰電池的地方特別多，我們常用的手表，它的電池可以說大部分都是用鋰離子電池做成的，筆記本電腦也不例外，現(xiàn)在還有一部分電動(dòng)車也在開始用鋰離子，軍用手電筒，電棍等現(xiàn)在都是用鋰離子電池，所以我們會(huì)得出這樣一個(gè)結(jié)論，只要有能用到移動(dòng)電源的地方，都有用到鋰離子電池的可能。2 鋰離子電池的概念及性能分析2.1 鋰離子電池的工作原理與優(yōu)缺點(diǎn)鋰離子電池它是由嵌入化合物的正極材料和負(fù)極材料構(gòu)成的電池，電池在充放電的循環(huán)過程時(shí)，鋰離子會(huì)在正極與負(fù)極間進(jìn)行交換，由于這個(gè)原因，鋰離子電池同樣被稱為搖椅電池，就是鋰離子電池在充放電過程中，它在正極與負(fù)極之間做來回的遷徙運(yùn)動(dòng)3。它的正

19、極材料主要是由具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨化碳材料組成，銅箔集流體上會(huì)涂覆這種材料。負(fù)極材料是一種典型的石墨化碳材料制成，電池在充電時(shí)，正極材料會(huì)被氧化，負(fù)極材料會(huì)被還原，而就在此時(shí)正極材料中的鋰離子會(huì)脫嵌出來，隨即會(huì)及嵌入到負(fù)極材料中，而放電過程則相反。因?yàn)殇囯x子在正負(fù)極中有相對(duì)固定的空間和位置，所以鋰離子電池充電反應(yīng)的可逆性很好。 鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在如下十個(gè)方面4：(1) 單體鋰離子電池工作的電壓較高，高達(dá)3.6V，鋰離子電池是鎳氫和鎘鎳電池的3倍，這就是說，組裝成電壓的電池組它所需的單體電池會(huì)較少。(2) 鋰離子電池它的容量較大，它的容量為同等鎘鎳電池的兩倍。(3) 鋰離子電池重量比能量和體積

20、比能量都比較高，通常情況下鋰離子電池的比能量比其它各類電池要高出1倍以上。(4)鋰離子電池它的工作溫度范圍寬廣，它具有很好的高低溫放電性能，一般情況下能在-20到55°C內(nèi)正常工作。(5)鋰離子電池荷電保持能力強(qiáng)，以開路形式存放在溫度為(20±5) °C環(huán)境下，然而一個(gè)月后，它在常溫下放電容量會(huì)大于額定容量的85%。(6)鋰離子電池它的內(nèi)阻不會(huì)隨著電池的充放電而出現(xiàn)明顯變化，而且僅在電池剩余量過高或過低時(shí)才會(huì)出現(xiàn)較大的變化。(7) 鋰離子電池循環(huán)壽命一般很長(zhǎng)，通常在常溫下，100%DOD (放電深度)就可以達(dá)到600到800次，而80%DOD (放電深度)可達(dá)10

21、00次，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他電池。(8)鋰離子電池它的安全性能高，具有在抗短路，抗過沖以及在過放的條件下會(huì)出現(xiàn)自保護(hù)的功能，與此同時(shí)還回出現(xiàn)防振動(dòng)，不起火，不爆炸等優(yōu)點(diǎn)。(9)鋰離子電池具有無記憶效應(yīng)和可快速充電和放電的功能。這是由于它的陽極是用特許的碳電極組成，可以在1C充電率的條件下還能進(jìn)行快速充電及放電，其安全性能大大提高。(10) 鋰離子電池具有體積小、質(zhì)量輕以及無環(huán)境污染功能。因?yàn)槠渲胁缓U、汞、鎘等有害物質(zhì)，它是一種清潔無污染，可再生的環(huán)保型的"綠色"電池。盡管鋰離子有這么多的優(yōu)點(diǎn)，但是鋰離子電池的缺點(diǎn)也不可避免，其表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)它是采用有機(jī)溶液作為電解液

22、，因此鋰離子電池內(nèi)阻相對(duì)其它電池而言要大。(2)鋰離子電池的工作電壓變化大，電池放電到接近于額定容量時(shí)，它的電壓變化將會(huì)是鎘鎳電池的兩倍。(3)鋰離子電池需要有保護(hù)電路，以防止整組電池中個(gè)別電池出現(xiàn)過度充電以及過度放電的情況。(4)目前，鋰離子電池價(jià)格相對(duì)其它電池來說成本價(jià)格較高，也就妨礙了大量的鋰離子電池的出現(xiàn)。但通過比較而言，鋰離子電池的這些缺點(diǎn)與它的優(yōu)點(diǎn)相比，它的這些缺點(diǎn)都不是大問題，尤其是應(yīng)用在高科技電子產(chǎn)品和環(huán)保型電子產(chǎn)品中。2.2 鋰離子電池的性能分析(1) 鋰離子電池容量 鋰離子電池它的容量是說滿電狀態(tài)的鋰離子電池在特殊條件下鋰離子電池進(jìn)行放電到放電終止電壓時(shí)它所輸出的電量5。鋰

23、離子電池的容量可以分為理論容量、額定容量及實(shí)際容量。其中理論容量是說鋰離子電池內(nèi)部活性物質(zhì)假設(shè)全部都參加反應(yīng)的條件下，依照法拉第定理計(jì)算得到的最大值，其值為 Co=26.8nmo/M=mo/q （2-1）式中mo所有鋰離子電池內(nèi)部活性物質(zhì)的質(zhì)量；M為電池內(nèi)部活性物質(zhì)的摩爾質(zhì)量；q電池內(nèi)部活性物質(zhì)的電化學(xué)當(dāng)量；n化學(xué)反應(yīng)的得失電子數(shù)；其次它的額定容量是說我們對(duì)電池進(jìn)行研究的時(shí)候，要保證在特定的放電條件下，鋰離子電池能放出的最低限度的電量。最后實(shí)際容量是指鋰離子電池在特定的放電條件下它所能放出的電量，鋰離子電池的實(shí)際容量會(huì)受很多因素的影響，比如溫度，放電電壓，放電電流，電池老化程度等等，它的數(shù)值會(huì)

24、遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論值。通常情況下:理論容量大于實(shí)際容量，而實(shí)際容量大于額定容量6。一般情況下，我們都是用電池的荷電狀態(tài)(SOC)來說明電池容量的轉(zhuǎn)變，也就是說電池在特定放電倍率下，它的剩余電量與同樣條件下額定容量的比值。 (2) 電池能量和電池比能量7在特定的放電條件下，電池的能量是指鋰電池所輸出的能量，通常用工作電壓乘以電流得出來的結(jié)果在時(shí)間上的積分來說明。電池比能量指出的是電池輸出的能量在其重量或體積上的反映，電池比能量反映的是電池的質(zhì)量，不同系列的電池它的質(zhì)量水平不一樣。(3) 電池內(nèi)阻電池內(nèi)阻是鋰離子電池的一個(gè)很重要參數(shù)，由于電池內(nèi)阻的存在以及電池在充電時(shí)它的端電壓會(huì)大于它的開路電壓與電動(dòng)勢(shì)

25、，又由于電池在放電時(shí)它的端電壓會(huì)小于它的開路電壓和電動(dòng)勢(shì)。所以電池在放電的時(shí)候它的工作電壓較高，而且時(shí)間長(zhǎng)，工作溫升低，但是當(dāng)電池內(nèi)阻變大時(shí)，它的情況卻剛好相反，這將不會(huì)利于電池的性能與壽命。(4)電池的自放電率8鋰離子電池的自放電率是指在沒有外部負(fù)荷的條件下，電池在存放的過程中自行消耗的速度，其值為單位時(shí)間內(nèi)它自行放電消耗的容量比上它存儲(chǔ)前容量，一般用百分?jǐn)?shù)表示，電池自放電率的大小反映了電池它的荷電保持能力，通常來說，其溫度越大它的自放電率就越大，對(duì)于不同類型的電池，它的自放電率也會(huì)不同，例如，鋰離子電池的自放電率為2%到5%/月，而鎘鎳、鎳氫電池卻達(dá)到了20%到25%/月。(5) 電池充電

26、效率在一定的條件下，電池的充電效率是指電池放電放至某一電壓是輸出的容量比上在充電時(shí)輸入的電池容量得出的比值。也可以按照以下的公式來計(jì)算:電池充電效率=(放電電流*放電至截止電壓的時(shí)間/充電電流*充電時(shí)間)*100%。由上式可以看出，電池充電效率波及充電所需要的時(shí)間和它的運(yùn)行成本，因此電池的充電效率是一個(gè)很重要的參數(shù)。(6) 電池的循環(huán)使用壽命在一定的充放電條件下，電池的循環(huán)使用壽命是說當(dāng)電池容量放電放到額定容量的80%時(shí)，它所經(jīng)歷的充放電循環(huán)總的次數(shù)。然而在實(shí)際中，常用電池SOH指的是電池的使用壽命。它的使用壽命和它的制作工藝、充放電過程以及使用維護(hù)有密切的關(guān)系。(7) 放電深度在放電過程中，

27、放電深度是指電池放電放出的容量比上其額定容量的值，它是一個(gè)百分?jǐn)?shù)，如果電池放電深度越深，它的使用壽命越短。(8) 記憶效應(yīng)假如電池長(zhǎng)期不徹底充電放電的情況下，就會(huì)在電池內(nèi)留下痕跡，就會(huì)降低電池容量，鎘鎳電池有記憶效應(yīng)，但是鋰離子電池則沒有。這就是電池的記憶效應(yīng)。3 基于粒子濾波算法的電池SOC估計(jì)3.1 電池的荷電狀態(tài)的概念（SOC）在鋰離子電池充電以及放電的過程中，鋰離子電池本身的內(nèi)阻以及端電壓等參數(shù)的值會(huì)跟伴隨著鋰離子電池剩余電量的變化而相對(duì)會(huì)出現(xiàn)某種規(guī)律性的變化，因此在一些放電情況比較相對(duì)簡(jiǎn)單或?qū)τ谑Ｓ嗳萘恐档镁_度要求還不是很高的情況下，我們一般可以用簡(jiǎn)單的電池端電壓值來表示鋰離子電池

28、剩余的容量值，市場(chǎng)上現(xiàn)今普遍采用的鋰離子電池的容量就是使用端電壓的大小來表示的。但現(xiàn)在為了能夠更準(zhǔn)確的表示鋰離子電池的剩余電量，我們引入了SOC，即鋰離子電池的荷電狀態(tài)，電池的荷電狀態(tài)(SOC)表示的就是電池的剩余電量8，其在數(shù)值上表示為當(dāng)前電池剩余容量比上電池的額定容量的值，其公式如下： SOC = Qt/Qd = 1-(Qd/Qo) （3-1）式中 Qt電池的剩余電量； Qd電池放出的電量； Qo電池的額定容量；由上面的式子我們可以知道，電池SOC的值它是一個(gè)相對(duì)值。在一定溫度條件下，一般我們定義電池充電到不能再吸收能量時(shí)的SOC值為100%，同樣我們定義電池在完全放電時(shí)的它的SOC值為0

29、%。但是很顯然，我們所說的這些現(xiàn)象在一般情況下出現(xiàn)的可能性幾乎為零。通常情況下，充放電倍率，電壓，環(huán)境溫度，電池老化程度，電流等因素都會(huì)影響SOC的值。在實(shí)際情況中，我們并不能直接得到電池的荷電狀態(tài)SOC的值，但我們可以有電池的其它參數(shù)得到電池的SOC估計(jì)值。3.2 粒子濾波算法的理論基礎(chǔ)粒子濾波是一類非線性濾波器，它是把貝葉斯學(xué)習(xí)機(jī)制與重要性重采樣的結(jié)合。粒子濾波是可以保持特定計(jì)算負(fù)荷基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)很好的目標(biāo)跟蹤。它也可以稱為次優(yōu)濾波器，是采用序列蒙特卡洛方法9的一種用點(diǎn)集來表達(dá)的概率密度。系統(tǒng)的狀態(tài)可以由概率密度函數(shù)來說明，也可以由相應(yīng)表征離散概率點(diǎn)集的權(quán)重集來表示。其中概率密度函數(shù)表示的是是

30、由未知空間當(dāng)中采取大量的近似采樣值。我們可以使用測(cè)量模型這個(gè)工具由對(duì)狀態(tài)先驗(yàn)估計(jì)當(dāng)中出現(xiàn)粒子，一般情況下，非線性模型是被用來處理粒子隨著時(shí)間而傳播的情況，并且可以由測(cè)量值來遞歸更新。對(duì)跟蹤的狀態(tài)向量進(jìn)行分析，我們可以得出模型的參數(shù)，所以對(duì)狀態(tài)的估計(jì)可以由模型對(duì)其鑒定。將模型調(diào)好并較好的說明跟蹤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析，在達(dá)到失效閥值前，計(jì)算RUL的概率密度函數(shù)可以由粒子濾波在粒子的傳播中。(1) 狀態(tài)空間模型的貝葉斯10貝葉斯估計(jì)給于了一類和傳統(tǒng)方法不一樣的概率分布的估計(jì)形式，其基本思想是假如沒有獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)的前提下，已經(jīng)知道隨機(jī)變量(未知參數(shù))x它的先驗(yàn)分布px的條件下，只能依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)對(duì)x做出推論

31、。就是在獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)之后，利用先驗(yàn)分布，按照貝葉斯定理對(duì)Px進(jìn)行修改得出隨機(jī)變量X的后驗(yàn)分布。所以在貝葉斯估計(jì)中，最重要就是理解先驗(yàn)分布和后驗(yàn)分布的關(guān)系，后驗(yàn)分布綜合了先驗(yàn)分布與樣本的信息。由此可以得出貝葉斯估計(jì)的本質(zhì)是由系統(tǒng)模型來預(yù)測(cè)狀態(tài)的先驗(yàn)概率密度，其后再依據(jù)最新的得到的值進(jìn)行改正，得出后驗(yàn)概率密度，這是一種結(jié)合了觀測(cè)值與先驗(yàn)知識(shí)在內(nèi)的所有有用的信息的方法，這種方法對(duì)未知參數(shù)的估計(jì)會(huì)更合理，誤差會(huì)比較小。貝葉斯估計(jì)包含預(yù)測(cè)與更新兩個(gè)過程:預(yù)測(cè)的意思是由上一時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)又依據(jù)系統(tǒng)模型來估計(jì)出下一時(shí)刻狀態(tài)的先驗(yàn)概率密度;更新的意思是在獲得當(dāng)時(shí)時(shí)刻的觀測(cè)值以后又對(duì)預(yù)測(cè)得出的先驗(yàn)概率密度進(jìn)行改

32、正，得出狀態(tài)的后驗(yàn)概率密度，由此就可以說明先驗(yàn)概率是怎樣遞推后驗(yàn)概率的。但是當(dāng)中的后驗(yàn)概率密度卻不能用解析法分析，為了解決這個(gè)問題，一種次優(yōu)解決方案就是使用近似濾波器。擴(kuò)展卡爾曼濾波器是由基于泰勒級(jí)數(shù)擴(kuò)展，所以它對(duì)非線性程度很高的系統(tǒng)效果并不好。而且即使就是高斯分布，因?yàn)榉蔷€性方程的影響，也不可能是高斯分布。這樣就會(huì)得出EKF失效。這樣就使得解決這個(gè)問題的唯一方法就是粒子濾波。(2) 粒子濾波的框架如何根據(jù)粒子濾波方法11去分析電池放電特性，具體方法如圖3.1所示。 開始初始化設(shè)置參數(shù)產(chǎn)生粒子狀態(tài)預(yù)測(cè)更新權(quán)重計(jì)算估計(jì)值權(quán)值歸一化K=K+1結(jié)束重采樣判斷是否結(jié)束判斷是否重采樣是是否否圖3.1 粒

33、子濾波方法流程圖濾波分為對(duì)狀態(tài)變量的跟蹤與預(yù)測(cè)問題兩大部分，非高斯噪聲的非線性、非靜態(tài)模型中的EOL與EOD，粒子濾波卻能比較好地解決不確定問題。具體方法如上圖所示。(3) 粒子濾波算法的實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子濾波算法進(jìn)行分析，就是為了解決模型中的不確定性，而且可以對(duì)EOD與EOL做出有效的預(yù)測(cè)12。圖3.2 預(yù)測(cè)EOD上圖為在鋰離子電池放電循環(huán)中，EOD(end-of-discharge)，就是損耗終止，由粒子濾波方法估計(jì)出的平均值與電池電壓的事實(shí)狀態(tài)。在上圖中，藍(lán)色表示的是實(shí)際電壓值，紅點(diǎn)表示的是電池測(cè)量電壓，綠色表示是用粒子濾波算法估計(jì)得到的電壓值。方法中用到了1000個(gè)粒子，由選擇與實(shí)驗(yàn)情況下得出

34、數(shù)據(jù)最相似的粒子，粒子濾波算法可以實(shí)現(xiàn)樣本的。為了得出電池放電的正確曲線，可以通過計(jì)算其均值做估計(jì)得出。EOL（end-of-life）被這樣定義13：電池不能提供其80%電量時(shí)的點(diǎn)?；诙喾N因素影響的生命終止若要被很好地描述其特性，不同操作模式信息是前提（如充放電循環(huán)）。組合影響能用庫倫效率因子來表示充放電循環(huán)。電池的周期剩余使得這些反應(yīng)產(chǎn)物耗盡，以增加下個(gè)循環(huán)的容量。因此，電池的自充電能用周期剩余中的一個(gè)因子計(jì)算，并且它能被結(jié)合到用指數(shù)形式表示的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?。下圖是用粒子濾波算法得出的均值估計(jì)，就可以知道電池的最大壽命與仿真鋰電池容量的時(shí)事狀態(tài)。這個(gè)算法是為了估計(jì)和預(yù)測(cè)電池最后一次循環(huán)的容量

35、。藍(lán)線代表的是實(shí)際容量值，紅點(diǎn)代表測(cè)量的容量值，綠線代表預(yù)測(cè)的點(diǎn)，粒子濾波算法的這次估計(jì)總共使用了1000個(gè)。下圖為壽命終止，使用粒子濾波算法得到的均值估計(jì)值，就可以確定電池的最大的使用壽命。由觀測(cè)數(shù)據(jù)中可以得出，當(dāng)電池在140次充電放電循環(huán)以后就出現(xiàn)了最小容量閥值。圖3.3 EOL預(yù)測(cè)從圖3.2和圖3.3可以得出，使用粒子濾波的預(yù)測(cè)算法可以對(duì)EOD與EOL做出很好的預(yù)測(cè)。4 實(shí)驗(yàn)過程及收獲4.1 數(shù)據(jù)處理步驟及軟件算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理主要由數(shù)據(jù)的解析，其變量的計(jì)算，電池?cái)?shù)據(jù)的插值估計(jì)，電池?cái)?shù)據(jù)的分類這幾個(gè)部分組成，此實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)的解析是在Excel表中分析的，對(duì)它的數(shù)據(jù)處理是通過Matlab程序

36、仿真來表明的，對(duì)電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，其步驟如下所示14：步驟1：把電池?cái)?shù)據(jù)最開始的文件放到Excel表格中，對(duì)每一條電池信息分別進(jìn)行解析，以達(dá)到十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換到十進(jìn)制數(shù)。步驟2：選取實(shí)驗(yàn)所需要的解析過后的電池?cái)?shù)據(jù)不一樣的值放到電池?cái)?shù)據(jù)表格中，與此同時(shí)通過比較求得各個(gè)時(shí)刻最低單體電壓，并且可以由計(jì)算得出各個(gè)時(shí)刻電池組的平均溫度。步驟3：從開始點(diǎn)繼續(xù)往下搜索，當(dāng)找到SOC值為100%，并且對(duì)應(yīng)的電流值為正的數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，標(biāo)記該條數(shù)據(jù)為一個(gè)放電過程的起始點(diǎn)。步驟4：從電池?cái)?shù)據(jù)表的第一條數(shù)據(jù)開始搜索，當(dāng)發(fā)現(xiàn)SOC值高于0%，并且對(duì)當(dāng)時(shí)電流的值為負(fù)時(shí)，對(duì)這一點(diǎn)作標(biāo)記并且該點(diǎn)可能是放電過程的結(jié)束點(diǎn)，繼續(xù)往下搜索

37、，假如連續(xù)五條數(shù)據(jù)的SOC值都高于0%，并且其電流值都為負(fù)時(shí)，我們就可以得出開始與結(jié)束之間就是一個(gè)完整的放電過程。步驟5：在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，每隔5S進(jìn)行一次采樣，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)插值時(shí)，我們?cè)O(shè)定時(shí)間間隔范圍為8，35并將時(shí)間間隔分段，并做相應(yīng)的離散處理，依據(jù)每個(gè)時(shí)間段對(duì)當(dāng)時(shí)的電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行插值標(biāo)記，如果其時(shí)間間隔t高于35S，則將此時(shí)間間隔可以改做5S，可以說這一段時(shí)間處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。步驟6：直接找出不一樣常數(shù)據(jù)項(xiàng)，并對(duì)該數(shù)據(jù)點(diǎn)作插值標(biāo)記。步驟7：依據(jù)所作的插值標(biāo)記，對(duì)每一個(gè)放電過程都要作插值處理。步驟8：將處理所得的電池?cái)?shù)據(jù)放到一張新的Excel表中。end=j-1If SOCj>1 and I

38、j<1 and start-bz=1記start=j, start-bz=1If SOCj=1 and Ij>1 and start-bz=0If j<mIf j<m計(jì)算電池?cái)?shù)據(jù)為m條定義循環(huán)控制變量j產(chǎn)生一張完整的數(shù)據(jù)表讀取時(shí)間信息讀取總電壓讀取SOC值讀取平均溫度開始否否是是1234否是結(jié)束最值離散符合要求的時(shí)間間隔,標(biāo)記要插值的點(diǎn)j+將start和end之間的數(shù)據(jù)導(dǎo)入放電過程表判斷j+1到j(luò)+5這些數(shù)據(jù)項(xiàng)的SOC值是否大于零,電流值是否小于零否是4321圖4.1 電池?cái)?shù)據(jù)處理算法流程圖4.2 實(shí)驗(yàn)收獲鋰離子電池一般可以分為下列三個(gè)狀態(tài):即放電狀態(tài)、充電狀態(tài)和靜止?fàn)?/p>

39、態(tài)，而電池的靜止?fàn)顟B(tài)就像手機(jī)處于關(guān)機(jī)的狀態(tài)一樣，這個(gè)狀態(tài)下電池既沒有放電也沒有充電，電池的電量與開機(jī)前保持一致15。圖4.1 鋰離子電池狀態(tài) 由于粒子濾波算法在分析非線性問題方面有著一定的優(yōu)越性，并且鋰離子電池又是非線性電池，所以使用粒子濾波算法去估計(jì)電池的SOC值，使用粒子濾波算法與鋰離子電池模型這兩種方法，并且經(jīng)過具一定的算法設(shè)計(jì)，使用采集到的電池?cái)?shù)據(jù)，對(duì)電池的SOC值進(jìn)行估計(jì)實(shí)驗(yàn)，得出一些細(xì)致的SOC估計(jì)結(jié)果圖與誤差曲線圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粒子濾波算法能夠較好地估計(jì)出電池SOC的變化趨勢(shì)，估計(jì)誤差絕對(duì)值一般保持在0到0.008的范圍之內(nèi)。為了能最大限度的檢查鋰離子電池SOC值估計(jì)的準(zhǔn)確性和

40、客觀性，采用均方根誤差和均方根相對(duì)誤差去比較粒子濾波算法對(duì)鋰離子電池SOC估計(jì)它的準(zhǔn)確度，按照粒子濾波算法流程圖編輯Matlab仿真軟件程序，得出基于粒子濾波算法的電池SOC估計(jì)結(jié)果。圖4.2 粒于濾波算法估計(jì)鋰離子電池SOC結(jié)果圖圖4.3 粒于濾波算法估計(jì)鋰離子電池SOC的誤差 致 謝 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我得到了一次用專業(yè)知識(shí)、專業(yè)技能分析和解決問題全面系統(tǒng)的鍛煉，使我在MATLAB軟件及其應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程，以及在常用編程設(shè)計(jì)思路技巧的掌握方面都能向前邁了一大步，為日后成為合格的應(yīng)用型人才打下了良好的基礎(chǔ)。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我不僅將理論很好地應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中去，而且我還學(xué)會(huì)了如何去培養(yǎng)我們的

41、創(chuàng)新精神，從而不斷地戰(zhàn)勝自己，超越自己。創(chuàng)新可以是在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使之功能不斷完善，成為真實(shí)的東西。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，我花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，更重要的是，我在學(xué)會(huì)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，同時(shí)還懂得合作精神的重要性，學(xué)會(huì)了與他人合作。我在張老師的精心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下，獲得了豐富的理論知識(shí)，極大的提高了實(shí)踐能力，信號(hào)領(lǐng)域這對(duì)我今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)圖像處理方面的知識(shí)有極大的幫助。在此，衷心感謝老師以及許多同學(xué)的指導(dǎo)和支持。我會(huì)繼續(xù)努力的學(xué)習(xí)，大膽創(chuàng)新，使自己得到更大的提升。大學(xué)學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束，回顧這幾年來的學(xué)習(xí)生活，感受頗深，最重要的是收獲豐厚。在論文的寫作過程中，有很多困難，無論是在開始的理論的學(xué)

42、習(xí)階段，還是在論文的選題、資料查詢、開題、研究和撰寫的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都沒有離開過老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助。借此機(jī)會(huì)我向?qū)熀褪谡n老師表示衷心的感謝！同時(shí)，我要感謝各位幫助我的同學(xué)、感謝他們給與我的幫助，他們?yōu)槲易珜懻撐奶峁┝瞬簧俚慕ㄗh和幫助。在此感謝我的指導(dǎo)老師張老師，謝謝你的教誨，我將終生不忘。參考文獻(xiàn)1 張潔.基于粒子濾波算法的電動(dòng)汽車剩余電量動(dòng)態(tài)估計(jì)研究D.北京:北京交通大 學(xué),2012.2 田曉輝.鋰離子電池SOC預(yù)測(cè)方法應(yīng)用研究D.河南:河南科技大學(xué),2009.3 孫駿，李寶輝，薛敏.電動(dòng)汽車SOC估算方法J.汽車工程師,2011,32(1):25-27.4 朱志宇.粒于濾波算法及其應(yīng)用

43、M.北京:科學(xué)技術(shù)出版社,2010:13-15,28.5 胡十強(qiáng)，敬忠良.粒子濾波原理及應(yīng)用M.北京:科學(xué)技術(shù)出版社,2008:18-21,31.6 李孟敏.改進(jìn)粒子濾波算法及其在目標(biāo)跟蹤中應(yīng)用研究D.合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2011.7 賀本林.鋰離子電池的新研究D.蘭州:蘭州大學(xué),2008.8 郭炳坤.鋰離子電池M.湖南:中南大學(xué)出版社,2005:11-13,21.9 黃可龍.鋰離子電池原理與關(guān)鍵技術(shù)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001:15-18,14.10 Gordon N,Salmond D. Novel approach to nonlinear/non-Gaussian Bayesia

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