[发明专利]一种基于采样点卡尔曼滤波的电池剩余电量估计方法

摘要

本发明涉及一种基于采样点卡尔曼滤波的电池剩余电量估计方法。现有方法不能满足在线检测要求，并且精度差。本发明方法首先测量在k时刻的电池端电压y_k和电池供电电流i_k，然后用状态方程和观测方程表示电池的各个时刻的荷电状态，再执行初始化过程，采用采样点卡尔曼滤波算法进行循环递推，递推所得到的状态更新值即为当前时刻k所估计得到的电池剩余电量。本发明方法可以方便地进行电池剩余电量的快速估计，收敛速度快、估计精度高。

主权项

1、一种基于采样点卡尔曼滤波的电池剩余电量估计方法，其特征在于该方法的具体步骤是：步骤(1)测量在k时刻的电池端电压y_k和电池供电电流i_kk＝1，2，3，…；步骤(2)用状态方程和观测方程表示电池的各个时刻的荷电状态：状态方程：zk+1=f(zk,ik)+wk=zk-(ηiΔtQn)ik+wk]]>观测方程：yk=g(zk,ik)+vk=K0-Rik-K1zk-K2zk+K3lnzk+K4ln(1-zk)+vk]]>其中z为电池的荷电状态，即剩余电量，η_i为电池的放电比例系数，Q_n是电池在室温25℃条件下、以1/30倍额定电流的放电速率放电时所能得到的额定总电量，Δt是测量时间间隔，w_k为处理噪声，K₀、K₁、K₂、K₃、K₄为常数，p＝[K₀ R K₁ K₂ K₃ K₄]^T，p为电池观测模型的参数，是一个列向量，对同类型的电池它们是不变的，R为电池的内阻，v_k为观测噪声；放电比例系数η_i的确定方法为：(a)将完全充满电的电池以不同放电速率C_i恒流放电N次，N＞10，计算相应放电速率下的电池总电量Q_i，1≤i≤N；(b)根据最小二乘方法拟合出Q_i与C_i间的二次曲线关系，即在最小均方误差准则下求出同时满足Q_i＝aC_i²+bC_i+c，a，b，c为最优系数；(c)在放电电流为i_k时，对应的放电比例系数η_i为：ηi=Qnaik2+bik+c]]>电池的内阻R以及常数K₀、K₁、K₂、K₃、K₄的确定方法为：(e)在室温25℃条件下、以1/30倍额定电流对充满电的电池进行恒定电流放电直至电量耗尽；(f)在放电过程中以时间间隔Δt测量电池在s时刻的端电压y_s，s＝0，1，2，...M，其中s＝0对应电池充满后的起始放电时刻，s＝M对应电池电量耗尽的终止时刻；(g)计算s时刻的剩余电量z_s＝1-s/M；(h)记Y=y0y1...yM,]]>H=1-C30-1z0-z0lnz0ln(1-z0)1-C30-1z1-z1lnz1ln(1-z1)..................1-C30-1zM-zMlnzMln(1-zM),]]>p=K0RK1K2K3K4]]>则p＝(H^TH)^-1H^TY，也就得到内阻R以及常数K₀、K₁、K₂、K₃、K₄；步骤(3)执行如下初始化过程：起始状态及其方差P₀分别为：z^0=100%,]]>P₀＝var(z₀)＝10^-2，处理噪声w_k的方差R_w和观测噪声v_k的方差R_v分别为：R_w＝10^-5，R_v＝10^-2扩展后的状态向量及其协方差P₀^a为：z^0a=z000T,]]>P0a=P0000Rw000Rv]]>尺度参数γ为：γ=3]]>均值加权系数w_i^(m)，i＝0，1，2，...，6和方差加权系数w_i^(c)，i＝0，1，2，...，6分别为：w0(m)=0,]]>w0(c)=2,]]>wi(m)=wi(c)=1/6,1≤i≤6]]>步骤(4)采用采样点卡尔曼滤波算法进行循环递推：在时刻k＝1，2，3，…，根据测得的电池端电压y_k及电池的供电电流i_k，按下列各式进行递推计算：①根据k-1时刻的扩展状态向量及其协方差P_k-1^a，计算该时刻的所有的采样点序列②根据状态方程进行时间域更新：由采样点序列根据状态方程计算采样点更新对采样点更新进行加权，计算状态估计计算状态估计的方差③根据观测方程完成测量更新：由采样点更新根据观测方程计算测量更新对测量更新进行加权，计算测量估计计算测量估计的方差计算与的互协方差计算卡尔曼增益K_k：Kk=PzkykPy~k-1]]>计算状态更新z^k=zk-+Kk(yk-y^k-)]]>计算状态更新的方差Pxk=Pxk--KkPy‾kKkT]]>递推所得到的状态更新值即为当前时刻k所估计得到的电池剩余电量。