摘 要

随着全球生态环境恶化和化石能源消耗问题越来越严重，电动汽车得到了广泛的认可。国内外越来越多的研究者纷纷投身于电动汽车的研发当中。动力电池是电动汽车的主要动力输出源，准确估算电池的荷电状态（SOC）能有效提高电动汽车整体性能，保证电池的高效与安全性能，因此本文主要以18650的锂离子电池为研究对象，对锂离子电池的建模与荷电状态估算进行研究所得到的研究成果如下：

本文首先介绍锂离子电池的工作过程的基本原理和相关的工作特性；针对影响电池估算模型的工作温度、充放电倍率、自放电、电池循环寿命等因素进行分析，并根据实验条件对各个影响因素做出适当的修正；建立锂离子电池的二阶RC等效电路模型，基于最新的HPPC试验标准的做锂离子电池的循环特性试验并对模型电路的参数进行辨识，利用最小二乘法原理对电池参数辨识；在SIMULINK进行建模仿真，仿真结果表明，二阶RC电路模型具有高精度，能准确描述锂离子电池的动态特性。

本文选用的估算方法是扩展阿尔曼滤波算法（EKF），基于已建立并验证精度的二阶RC等效电路模型，对EKF估算锂离子电池SOC进行算法设计；然后将搭建的SOC估算模型在FUDS工况下进行仿真验证，分析数据对比结果，得到各个时刻的估算误差都不超过2%，均方根误差（RMSE）为5.31×10^-3，估算模型具有很高的精度。

关键词：锂离子电池；二阶RC等效电路模型；EKF算法；建模仿真

Abstract

With the deterioration of the global ecological environment and increasing energy consumption, electric vehicles have been widely recognized. More and more research scholars at home and abroad have devoted themselves to research and development in the field of electric vehicles. The power battery is the main power output source of the electric vehicle. Accurately estimating the state of charge (SOC) of the battery can effectively improve the overall performance of the electric vehicle and ensure the high efficiency and safety performance of the battery. Therefore, the main research object of this paper is 18650 lithium-ion batteries. The modeling and simulation of the method for accurately estimating the SOC of the lithium-ion battery, and then verifying the accuracy of the model, the research results obtained are as follows:

This article first introduces the basic principles and related operating characteristics of the working process of lithium-ion batteries；Analyze the factors such as working temperature, charge/discharge rate, self-discharge and battery cycle life that affect the battery estimation model, and make appropriate corrections to each influencing factor according to the experimental conditions; A second-order RC equivalent circuit model of a lithium-ion battery was established. The cycle characteristics of a lithium-ion battery were tested based on the latest HPPC test standard, and the parameters of the model circuit were identified. The curve fitting tool was used to fit the parameters；Modeling and simulation are performed on SIMULINK. The simulation results show that the second-order RC circuit model has high accuracy and can accurately describe the dynamic characteristics of the lithium-ion battery.

The estimation method used in this paper is to expand the EKF algorithm, and based on the established second-order RC equivalent circuit model, the EKF is used to estimate the SOC of the lithium-ion battery；Then the constructed SOC estimation model is verified by simulation under the condition of FUDS, and the data comparison results are analyzed. The estimation error at each moment is less than 2%, and the root mean square error (RMSE) is 5.31×10^-3，the estimation model has a high degree of accuracy.

Keywords: lithium-ion battery, second-order RC equivalent circuit model, EKF algorithm, modeling and simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 锂离子电池模型及SOC估计算法研究现状 3

1.2.1 电池模型研究现状 3

1.2.2 电池SOC估算方法研究现状 4

1.3 本文研究的内容及章节安排 5

第2章 锂离子电池特性及SOC估计方法 7

2.1 锂离子电池的工作原理 7

2.2 锂离子电池的充放电特性 8

2.2.1 锂离子电池的充电特性 8

2.2.2 锂离子电池的放电特性 9

2.3 锂离子电池的SOC估算方法 10

2.3.1 放电法 10

2.3.2 安时积分法（AH） 11

2.3.3 内阻法 11

2.3.4 开路电压法 11

2.3.5 神经网络法 13

2.3.6 卡尔曼滤波法 13

2.3.7 本文SOC估算方法的选择 14

2.4 本章小结 14

第3章 锂离子电池模型的建立和验证 15

3.1 影响电池建模的因素 15

3.1.1 温度 15

3.1.2 充放电倍率 16

3.1.3 自放电因素 17

3.1.4循环寿命 17

3.2 电池等效电路模型的选择 18

3.2.1 常用的等效电路模型 18

3.2.2 本文电池模型的确定 19

3.3 等效电路模型的参数辨识 20

3.3.1 复合脉冲功率试验 20

3.3.2 开路电压和电池内阻辨识 21

3.3.3 极化电阻和极化电容辨识 23

3.3.4 辨识数据的整理 25

3.4 二阶RC等效电路模型的建立与仿真验证分析 25

3.5 本章小结 28

第4章 基于EKF的锂离子电池SOC估算 29

4.1 卡尔曼滤波器算法原理 29

4.1.1 线性卡尔曼滤波器 29

4.1.2 扩展卡尔曼滤波器（EKF） 29

4.2基于EKF的SOC估计的算法设计 30

4.3 基于EKF 的SOC估算结果分析 32

4.4 本章小结 33

第5章 总结与展望 35

5.1 全文总结 35

5.2 研究展望 35

参考文献 37

致谢 39

附录 40

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

随着全球生态环境恶化、能源消耗问题越来越严重，电动汽车以其绿色低碳的优势，逐渐在汽车市场中占据重要地位。为了在新一轮的全球竞争中继续处于主导地位，世界上一些主要的汽车生产强国相继出台一系列政策刺激发展新能源汽车。我国政府对新能源汽车产业提供了大力的支持，积极推进新能源汽车产业的发展。随着各级政府和各大整车企业对新能源汽车产业发展规律的不懈探索，以及示范推广的检验，我国纯电动汽车相关技术在此期间得到了长足发展，一条完整的新能源汽车产业链在国内逐步完成。近几年我国新能源汽车迎来了快速发展，渗透率也在增高。^[1]2015年我国新能源汽车总产销量分别为达到了34万辆和33万辆，同比增长3.3和3.4倍。2016年我国新能源汽车累计总销量达到了50.7万辆，同比增长53%。按照这样的增长速度预计3年后我国新能源汽车总销量可以达到200万辆。由此可见，新能源汽车正在我国快速发展，也是推动汽车行业发展的一股重要力量。

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