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云计算-基于改进迭代中心差分卡尔曼滤波器的锂电池SOC估计算法的研究.pdf
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云计算-基于改进迭代中心差分卡尔曼滤波器的锂电池SOC估计算法的研究.pdf
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ABSTRACT
With the development of electronic Industries, requirements of electronic
products performance are getting higher, the volume and weight of power supply are
as small as possible, but the power is as high as possible. Compared with other
batteries, lithium battery as a new type of battery is definitely the best choice because
of its higher energy force ratio, higher volume ratio and lower self-discharge rate.
Lithium battery is not only used in the field of portable electronic products, but also
plays an important part in electric vehicles and space flight technology. As a result,
the battery management system is taken into the agenda and becoming the focus and
difficulty of research. However, the key point and premise of Lithium battery
management system is estimating the SOC of battery accurately.
To get accurate SOC Evaluation needs a precise battery model, this paper chooses
the second order RC equivalent circuit as the research model after analyzing and
discussing several kinds of battery models. The accuracy and effectiveness of the
model are verified through battery discharge-rest experiment in different condition.
The online identification of battery model parameters is proceeding using adjustable
factor of the least squares method. The modified iterative Center Difference Kalman
Filter for lithium SOC estimation is put forward after analysis and comparison of
several kinds of lithium batteries and combining adaptive filtering algorithm, to
enhance the adaptive and accuracy of algorithm, the estimated accuracy of lithium
batteries is raised and the adaptive and accuracy of algorithm is improved.
Finally, the hardware platform using the lithium battery of Tianjin Lishen
Company is constructed based on the communication with FPGA and AT90CAN128,
this paper designs and debugs the related circuits principle diagram ,and verify the
effectiveness and accuracy of algorithm by operating algorithm of lithium battery
SOC.
KEY WORDS:Lithium battery, SOC, CDKF, Adaptive filter
目 录
目 录 .............................................................................................................................. 3
第一章 绪论 ........................................................................................................................ 1
1.1 锂电池简介 ................................................................................................................ 1
1.2 锂电子电池应用现状 ................................................................................................ 3
1.3 锂电子发展及其前景 ................................................................................................ 4
1.4 锂电池管理系统 ........................................................................................................ 5
1.5 课题研究内容 ............................................................................................................ 8
第二章 SOC 定义及预测方法 ............................................................................................ 10
2.1 SOC 定义 ................................................................................................................... 10
2.2 SOC 预测方法 ........................................................................................................... 11
2.2.1 安时积分法 ....................................................................................................... 11
2.2.2 开路电压法 ....................................................................................................... 12
2.2.3 人工神经网络法 ............................................................................................... 12
2.2.4 卡尔曼滤波 ....................................................................................................... 13
2.3 本章小结 ................................................................................................................. 13
第三章 电池模型及参数辨识 ............................................................................................ 14
3.1 电池模型 ................................................................................................................. 14
3.1.1 电化学模型 ....................................................................................................... 14
3.1.2 神经网络模型 ................................................................................................... 14
3.1.3 等效电路模型 ................................................................................................... 15
3.2 磷酸铁锂电池模型的建立 ....................................................................................... 17
3.3 OCV 与 SOC 曲线的测取 ........................................................................................... 18
3.4 模型验证 ................................................................................................................. 20
3.5 参数测取 ................................................................................................................. 24
3.6 参数的在线辨识 ...................................................................................................... 27
3.6.1 可变加权递推最小二乘估计简介 .................................................................... 27
3.6.2 运用可变加权递推最小二乘法辨识参数步骤 ................................................. 30
3.7 参数辨识结果分析 .................................................................................................. 33
3.8 本章小结 ................................................................................................................. 34
第四章 锂电池 SOC 估计算法 ........................................................................................... 36
4.1 扩展卡尔曼滤波算法 .............................................................................................. 36
4.2 中心差分卡尔曼滤波 .............................................................................................. 39
4.3 迭代 CDKF 算法 ....................................................................................................... 44
4.4 改进的 ICDKF 算法 ................................................................................................... 45
4.5 本章小结 ................................................................................................................. 47
第五章 仿真实验与数据分析 ............................................................................................ 48
5.1 电池模型的空间状态方程 ....................................................................................... 48
5.2 模型参数与 SOC 联合估算 ...................................................................................... 49
5.2.1 脉冲式放电情况下锂电池 SOC 估计图 ............................................................ 50
5.2.2 恒流放电情况下 SOC 估计 ............................................................................... 55
5.2.3 变电流脉冲情况下 SOC 估计............................................................................ 57
5.2.4 充电情况下 SOC 估计结果 ............................................................................... 60
5.3 联合估算与离线估算 .............................................................................................. 62
5.4 本章小结 ................................................................................................................. 63
第六章 基于 FPGA 的电池管理系统硬件设计 .................................................................. 64
6.1 FPGA 简介 ................................................................................................................. 65
6.2 分频电路 ................................................................................................................. 65
6.3 电压/温度检测电路 ................................................................................................. 66
6.4 电流检测电路 .......................................................................................................... 68
6.5 LCD 液晶显示电路 .................................................................................................... 70
6.6 串口通讯的实现 ...................................................................................................... 71
6.7 本章小结 ................................................................................................................. 74
第七章 总结与展望 ........................................................................................................... 76
7.1 论文总结 ................................................................................................................. 76
7.2 展望 ......................................................................................................................... 77
参考文献 ............................................................................................................................ 79
发表论文和参加科研情况说明 .......................................................................................... 82
致 谢 ............................................................................................................................ 83
第一章 绪论
1
第一章 绪论
随着电子工业不断的发展,人们对电子产品的性能要求越来越高,而对能源
的要求其电源体积、质量尽可能小,能量尽可能提高,而且要求使用的材料是零
污染且环保的
[1]
。锂电池作为新型电池,具有比其他蓄电池更高的电压和比能量,
自放电率低等优点,越来越得到人们的青睐。
1.1 锂电池简介
锂电池
[2]
(Lithum battery,简称 LB)是指电化学体系中含有金属锂、锂合金、
锂离子和锂聚合物等的电池。目前,根据电池能否充电,一般将锂电池分为一次
锂电池和二次锂电池,一次锂电池也称锂原电池(Primary LB),二次锂电池又
称可充电电池(Rechargeable LB)。通常锂一次电池的负极选用金属锂合金或者
锂材料,而电池正极选用
2
MnO
,
2
SOCl
,
n
CF
等材料。20 世纪 50 年代,开始
了关于锂电池的研究,在 70 年代实现了锂电池的军用与民用。考虑到环保与资
源的问题,后来将可反复使用的二次电池作为研究的重点,并于 80 年代推出市
场。使用金属锂作为材料的早期锂电池,容易在充电过程中产生锂积淀和腐蚀问
题,这就使得电池的使用寿命大大的缩短,甚至会发生电池短路,更为严重时可
能会发生爆炸。锂离子电池的开发,就是人们为了解决上述问题而提出的。可以
容纳锂离子的晶状结构活性材料作为电池正负极的,就称为锂离子电池。其主要
工作原理就是在电池工作中,锂离子可在电池的正负极之间来回移动嵌入和脱
嵌。
一般锂离子的正极选用锂金属氧化物(
2
LiMO
或
2
LiCoO
),而负极选用焦炭、
石墨等碳(C)材料,锂离子电池的主要化学反应如下
[3]
:
正极反应:
2 (1 ) 2
x
LiMO Li MO xLi xe
(1-1)
负极反应:
6
6
Li e C LiC
(1-2)
总反应式:
2 (1 ) 2 6
6
x
LiMO xC Li MO xLiC
(1-3)
第一章 绪论
2
磷酸铁锂(
4
LiFePO
)电池的研发是由 Goodenough 等人于 1997 年开始着手
的,所谓的磷酸铁锂电池,就是使用
4
LiFePO
作为正极材料的锂离子电池,是锂
离子电池家族中较为年轻的成员。与以往的锂离子电池(如
2
LiCoO
、
2 4
LiMn O
、
2
LiNiMO
等)相比,
4
LiFePO
不仅具有较稳定的氧化状态,良好的安全性能,且高
温性能也很好,同时无毒、无污染、原材料来源广泛、价格便宜等也是其特大优
点,正是由于
4
LiFePO
具有以上突出特点及优点,而极有可能是新一代的正极材
料,从而替代现有的材料。目前,大容量锂离子电池安全性差等问题极有可能由
以
4
LiFePO
为代表的磷酸盐正极材料而得到解决,这样,锂离子电池的应用空间
将得到进一步的拓展。其负极反应不变,相应的正极反应如下:
(1 )
4 4
x
LiFePO Li FePO xLi xe
(1-4)
与镍氢电池、镍镉电池、铅酸蓄电池等其他材料的电池相比,锂电池的有如
下主要优点
[4-6]
:
1)较高的比能量
锂电池体积能量密度可达到
3
450 /
Wh hm
,质量能量密度达到
150 /
Wh kg
,
其体积比能量和重量比能量,都比铅酸蓄电池高出三倍以上,故同等电量需求下,
锂电池具有更小的体积,更轻的重量,所以锂电池将有着广阔的市场前景。
2)单体电池电压高
单体锂电池平均工作电压在 3.6-3.8V 之间,其具体电压值会因正极材料的不
同有着细微的差别,但其输出电压却比镍氢、镍铬电池高出很多,大概是它们输
出电压的 3 倍;此外,锂电池可保持长时间的通信联络,且需要电池组经串联而
获得高压输出的情况下,锂电池可以减小电池串联的数目,这样就降低电池组故
障的概率,也减少了电池组故障监测的复杂度。
3)循环使用寿命长
磷酸铁锂电池具有很长的寿命,一般是铅酸蓄电池的 1.5 到 5 倍以上;用于
电动车动力源的锂电池,其使用寿命一般在 800 次以上,而磷酸铁锂电池却可以
达到 2000 次左右;此外,当磷酸铁锂电池以 1C 的工作电流进行深度放电时,
有循环使用一万次左右的记录。
4)充电功率范围广
锂电池的独特优势就是充电功率的范围广,在必要时, 20~60min 内即可完
成充电工作,其充电效率可达到 85% 以上,具有较好的商业发展价值。
5)倍率放电性能好
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programxh
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