基于粒子滤波的锂离子电池SOC预测方法研究
摘 要
锂离子电池荷电状态(SOC)是锂离子电池管理系统中最重要的参数之一，通过锂离子电池SOC可以判断锂离子电池组中单体锂离子电池之间的性能差异，避免锂离子电池的过度充电过度放电，因此及时和准确地对锂离子电池SOC进行估计具有非常重要的现实意义。但是由于锂离子电池SOC估算受锂离子电池工作状态、电流大小、温度高低等诸多因素的影响，想要计算出准确的SOC值是很困难的，距离应用于真正的锂离子电池设备还有一定的距离。
由于锂离子电池是一个复杂的非线性系统，而粒子滤波算法在求解非线性问题方面具有一定的优越性，因此本文研究了利用粒子滤波算法动态估计锂离子电池的SOC值，将粒子滤波算法和锂离子电池模型相结合，利用实测数据进行了锂离子电池SOC的估计实验。结果表明，粒子滤波算法能够对锂离子电池的SOC做出较准确的估计，该算法具有很好的适用性。
本文给出了用粒子滤波方法预测锂离子电池剩余有用寿命的详细实现方式，用集总参数模型来计算锂离子电池所有的动态特性，包括：非线性开环电压、电流，温度，循环次数和与时间不相关的储能容量。锂离子电池内部的反应是此模型的基础，系统中静态噪声经处理后可以对剩余有用寿命做估计。仿真的结果表明发展的预测系统能很好地预测锂离子电池的剩余有用寿命。
关键词：粒子滤波算法；SOC；锂离子电池
Research of Management Information System of Power Plant Based on UML
Abstract
Lithium 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 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 estimation 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 nonlinear 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 experiment result shows that particle filter algorithm can do an accurate prediction on battery SOC, and the prediction algorithm has better applicability
Particle filter method are presented to predict the remaining useful life of the lithium-ion batteries which is implemented in this paper, using the 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 can 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 Batteries
I
安徽新华学院2013届本科毕业论文（设计）
目 录
1 绪 论…………………………………………………………..…....2 1.1 引言………….…………………..…………………………..………2 1.2 研究背景…………………………………………………….............2 1.3 研究意义 …………………………………..…………….…………3 2 锂离子电池的工作原理及性能分析……………………....…………5 2.1 锂离子电池的工作原理及锂离子电池工作的优缺点………….…5 2.2 锂离子电池的性能分析………………………………….…………6 3 基于粒子滤波算法的锂离子电池SOC估计………………. ……. …9 3.1 锂离子电池荷电状态的定义……………….……....………….…...9 3.2 粒子滤波算法的实现………………………………..…………..….9 4 实验过程及收获……………………………………………..………14 4.1 数据处理步骤及软件算法实现…………….………….............….14 4.2 实验收获………………………………………………..…….....…16 致 谢……………………………………………………………........19 参考文献……………………………………...……………….……..…20 附 录…………………………………………...…………...…......…21
1 绪 论
1.1 引言
锂离子电池是许多系统中的一个重要部分，锂离子电池的故障的出现往往会导致系统性能下降并可能使系统瘫痪。例如，在2006年11月美国国家的宇航局的火星全球探勘者号停止了工作，其原因就是因为锂离子电池的散热片对着太阳放置而导致锂离子电池温度上升以致锂离子电池失去充电能力。现今出于不同的目的，对锂离子电池的设计有了很大的关注。然而这都是因为这些应用的共同特点是都希望锂离子电池有充足长的运行时间和较低的耗散功率。
现如今，因为锂离子电池它能够重复的充电以及放电，它的使用成本也较低，所以锂离子电池现在越来越多的运用在手机以及笔记本电脑等便携式电子产品中。尤其是进入21世纪以来，国家不可再生资源的大幅度减少，锂离子电池作为新能源之一也逐渐受到了各国政府及人民的关注与支持。伴随着二次锂离子电池技术的广泛应用与发展，对锂离子电池的科学应用也成为最重要的中心环节，但怎样提高锂离子电池的使用效率，以及怎样保证其安全性和怎样延长每次满电后的使用寿命，其中这就显示出，锂离子的发展以及对锂离子电池SOC的预测研究都显得特别重要。
1.2 研究背景
我国锂离子电池的发展，目前我国政府对锂离子电池的研究工作尤为关注，早在\计划中我国就把研究开发锂离子电池列为关键项目[1]，又在\九五\期间将锂离子电池列入我国国家重点科技攻关项目，把它作为电子行业中新的重大经济增长点。目前我国的锂电池技术落后于日本，但是我们都相信，我国锂离子在未来发展潜力上一定会超过日本。伴随着我国研发能力的提高和我国低成本的优势，我国在锂电池在未来的竞争发展中将占据举足轻重的地位。
早在2000年以前，日本国家的锂离子二次电池产量达到全世界的95%以上。
2
但是由于近年来，中国厂商和韩国厂商在锂离子这一块的迅速发展正逐渐改变这一格局。特别是进入2001年以后，我国的锂离子二次电池产业开始进入迅速成长的阶段，其产量年均增长超过140%。而韩国也凭借着近年来在消费和移动等IT终端产品领域的强势增长，韩国的锂离子电池业有了长足的发展。在全世界锂离子二次电池的生产经过近几年的发展，已经基本形成了中，日，韩三分天下的格局[2]。
由于我国现有材料和锂离子电池设计技术的改进尤其新材料的出现，锂离子电池的应用范围不断被拓展。它的应用已经从信息 产业(移动电话，PDA，笔记本电脑等)发展到能源交通 (电动汽车，电网调峰，太阳能，风能电站蓄电)，军用 则涵盖了海(潜艇，水下机器人)，陆(陆军士兵系统， 机器战士)，天(无人飞机)，空(卫星，飞船)诸兵种 ，目前，锂离子电池技术已经不单单是一项产业技术，它还关乎电子信息产业的发展，作为新能源产业发展技术之一， 并且以后将成为未来军事装备中关键重要的\粮食\之一 。
其中，在美国市场调查公司工作的人员Frost & Sullivan介绍，以后，锂电池的发展将在全球市场上大幅增长，2013年的供货量将有可能达到39.9亿块。 Frost & Sullivan还指出，锂电池它的能源密度提高以及轻，量化将成为今后需求扩大的关键因素。而且目前因为高能效电池的产业使用便携设备的需求增加，所以它也会推动锂电池市场的增长。电子消费类产品中用锂电池市场已经相当成熟， 面向小产业及车载市场的发展在今后5年到7年内还会持续增长。
1.3 研究意义
锂离子电池作为电子产品，它是能提供动力能源的配套产品，而且它的消费需求是否增长关键取决于它所需要的配套的电子产品的消费增长。现在它主要应用在手机和手提电脑中，而且未来将会应用在台式电话子母机，摄像机，电动自行车，军警移动通讯工具和设备，以及电动汽车等领域中。可以看出，锂离子电池它的潜在需求非常大。并且当人们越来越重视环境保护与积极寻求不可再生能源的替代品。现在各个国家都在研制更加环保型的锂离子电池，随着世界的发展，锂离子二次充放电的普及，我们对锂离子电池的性能要求也将会逐步提高。因此开发高端的锂离子电池，并将其广泛的应用于汽车，电动汽车。当然，如果锂离
3