[發明專利]用于大型無人機鋰離子電池組SOC估計的無跡粒子濾波方法

在審

• 申請號: 202110084556.3
• 申請日: 2021-01-21
• 公開（公告）號: CN112800707A
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 謝滟馨;王順利;范永存;王娜;陳蕾;包魯明;蔣聰;于春梅;曹文;牟其羽
• 申請（專利權）人: 西南科技大學;中國（綿陽）科技城工業技術研究院
• 主分類號: G06F30/367
• 分類號: G06F30/367;G06F17/13;G06F17/17;G06F17/18
• 代理公司: 成都環泰專利代理事務所(特殊普通合伙) 51242
• 代理人: 李斌;李輝

本發明公開了一種用于大型無人機鋰離子電池組SOC估計的無跡粒子濾波方法，包括以下步驟：S01、根據鋰離子電池組SOC的影響因素與內部因參數耦合而具有的非線性工作特性之間的關系構建電池模型；S02、采集電池組的各項數據并進行整合；S03、整合后的數據利用無跡卡爾曼濾波算法得到的均值和方差來更新粒子濾波算法采樣中的粒子集；S04、根據步驟S03的計算預測鋰離子電池組工作特性。具有采用無跡卡爾曼濾波具有良好的濾波效果，它通過采取對系統狀態變量的概率密度擬合，從而巧妙地避開了線性化過程帶來的誤差，估算精度進一步提升，系統魯棒性更好的優點。

技術領域

本發明涉及電池檢測領域，特別是涉及一種用于大型無人機鋰離子電池組 SOC估計的無跡粒子濾波方法。

背景技術

在大型無人機鋰離子電池組的電源管理系統(Battery Management System，BMS)設計和實現中，SOC估算是其中的一個重點和難點，由于電池的充放電具有嚴重的非線性關系，并不能簡單的通過電壓等單一變量反映鋰離子電池SOC；然而，只有準確的對鋰離子電池組的SOC進行實時檢測，給無人機的飛行控制器或者地面操作人員進行反饋，才能安全的規劃作業時間和航程，SOC估算成了 BMS設計中關鍵問題之一。

為了滿足大電容電池的大型無人機需求，常常將鋰離子電池進行串并聯組合使用，但由于電池在充電、放電的使用過程中過充、過放、過熱等現象時常發生，或多或少電池間或存在不一致性問題，這是不可避免的，進而降低其使用效率、縮短電池的使用壽命；不一致性問題會隨著使用次數的增多而加劇，只能采取相關措施抑制其加劇，但不能在根本上去除這一問題產生；電池管理系統因其能檢測電池物理參數、估計荷電狀態(State ofCharge，SOC)/健康狀態(State of Health，SOH)/功率狀態(State of Power，SOP)、均衡管理等，在無人機發展領域孕育而生，因此，電池管理系統可實現對鋰離子電池組工作狀態的監控、不一致性的均衡與控制，防止電池在充電過程出現歐姆極化、濃差極化和電化學極化構成的極化現象；其中，鋰離子電池組SOC值可以表征電池的剩余電量，精確估算可以為電池管理系統更為準確地判斷均衡的時機，為大型無人機預判剩余電量提供參考依據；選擇三元鋰離子電池組作為本文的研究對象，進行SOC預估，探獲SOC值。

近年來，針對鋰離子電池組的等效構建和荷電狀態估算，成為國際社會能源研究的重點方向之一，是世界范圍內的熱門話題，國內外大批優秀研究單位、研究人員對電池SOC估計積極展開研究，賓夕法尼亞州立大學、加州理工學院、倫敦帝國理工學院、斯坦福大學和國家可再生能源室等單位均對鋰離子電池積極展開研究，以清華大學為代表的相關科研單位在參數檢測、模型構建、狀態預估同步開展研究，獲得了大量的創新性研究成果，這些成果對鋰離子電池研究提供了關鍵參照依據；在動力電池中，SOC的準確估算和能量管理至關重要，現有SOC估算方法主要有庫倫計量法、放點測試法、開路電壓法、卡爾曼濾波法、人工神經網絡法以及粒子濾波法等，Wang等提出了一種新的無跡卡爾曼濾波估計方法電池模型，不需要線性化處理，降低了SOC估計的計算量，其誤差為1.42％；羅世昌等考慮到擴展卡爾曼濾波算法存在的不足，應用粒子濾波算法對鋰電池SOC進行在線估計，有效地降低擴展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter,EKF)過程中高階損失誤差；樊翠玲等采用改進粒子濾波算法提高鋰電池SOC估算的精度，通過UKF算法更新粒子，試驗結果表明SOC估計最大誤差為1.846％，明顯低于采用卡爾曼濾波和粒子濾波算法的SOC估計誤差，但該過程在粒子重采樣階段，只通過權值與閾值大小的比對，選擇粒子重排，未對粒子集枯竭現象進行抑制；Xiong等提出了一種用于鋰離子電池的雙尺度粒子濾波能態預測算法，極大程度提高了SOC的估算精度；本發明在Thevenin等效電路模型基礎上，針對傳統粒子濾波算法估算荷電狀態精度不高等缺點，因此有必要提出一種用于大型無人機鋰離子電池組SOC估計的無跡粒子濾波方法，并通過鋰離子電池組充放電測試數據對更新算法進行驗證。

發明內容