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基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC

1、KF卡尔曼滤波原理(离散形式)

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_物理意义

单 位 滞 后 
状 态 方 程 
输 出 观 测 方 程

初始化状态和方差阵   ➡    循环计算

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_线性系统_02

👇👇👇

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_线性系统_03

每一次迭代=一步预测+一步校正

k+l 
时 间 
一 预 瀏 
校 正

校正过程

原 系 统 
模 型

2、EKF扩展卡尔曼算法(描述非线性系统)

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_线性系统_04

滞 后 
状 态 方 程 
输 出 观 测 方 程

有了状态空间方程,EKF将非线性系统进行线性化处理,即一阶泰勒展开

 (假设f和g在当前工作点上是可微的)

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_物理意义_05

展开后重新定义A和C,再得到新的状态空间方程

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_物理意义_06

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_物理意义_07

完整的EKF(和KF几乎是一样的)

冖 ( n' 匕 丨 ; 一 bl + Ⅱ x 
冖 Ox)7=0+X

只是在状态矩阵和输出矩阵的差异上,其他关键思想与KF相同

非线性系统内部状态的估计算法,除EKF,还有UKF等

3、EKF估算SOC

将ECM写成状态空间方程的形式

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_物理意义_08

 

假设是一阶的,即Thevenin(教程原版是二阶)

t是连续时间系统下,k是离散时间系统下

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_状态空间_09

输出观测方程:

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_状态空间_10

 

其中,状态量为SOC和U1,即状态变量

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_状态空间_11

 

写出f和g的函数

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_物理意义_12

继续写出A、B、C、D

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_物理意义_13

这样使用标准KF即可估算出SOC

 

算法稳定性

 证明完全能观能控,算法可收敛

 

实际意义

从实际物理意义触发来考察算法是否能够收敛正确的SOC

KF通过调整状态x来使得模型的输入-输出关系尽量符合电池实际的输入-输出关系

很显然,本文建立的模型各部分对电压影响情况是不一样的

R0影响电池端电压的突变,R1C1影响电池电压的缓变

(即SOC)影响电压的总体走势,相比R1C1,该环境时间常数最大

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_状态空间_14

因此,在电压修正过程中,真正影响SOC修正的元素实际是电压变化的走势情况

由于对SOC估计起修正作用的是电压的总体走势

所以,只要测量电池正常工作时的端电压、电池的工作电流、并且知道内阻R0,根据SOC-OCV的关系

可以简单计算得到一个包含噪声的近似SOC估计

基于EKF扩展卡尔曼滤波算法估算锂电池SOC_状态空间_15

这三个式子保证了估计得到的SOC不会偏差真实值太多(由于OCV的限制作用)

实质是反馈校正的作用

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