摘 要

环境污染、石油资源短缺以及国家能源安全等问题让各国越来越重视电动汽车的发展，而电动汽车的发展是以其各个关键部件的发展为前提的。作为一辆电动汽车的能量源，动力电池又是电动汽车的关键部件。锂离子电池具备比能量高、循环寿命长、自放电率低、无记忆性、环保无污染等优点，是目前最适合作为电动汽车动力源的电池。荷电状态（State of Charge, SOC）是电池的重要性能参数，锂离子电池SOC估算的研究对推动电动汽车行业的发展具有重大意义。

本先选取了Thevenin等效电路模型模拟电池的工作，考虑充放电倍率、循环寿命和自放电等因素，设计了改进的HPPC循环试验，选取不同的SOC点并分充放电方向进行实验，根据实验得到的数据，借助MATLAB拟合工具得到电池模型的各个参数并建立了等效电路的Simulink模型。结果表明，该模型具有较高的精度，能够准确模拟锂电池的动态特性。

针对锂电池SOC估算过程非线性的特点，确定采用EKF作为SOC估算的算法。根据线性的普通卡尔曼滤波算法的计算流程，对所研究的模型做拟线性化处理，主要方法包括：状态空间进行离散化、状态变量一阶泰勒展开。然后借助MATLAB/Simulink软件设计了EKF的估算流程。最后对估算的结果进行分析并结合开路电压法对估算结果进行修正，利用联邦城市运行工况（FUDS）验证算法的准确性。

关键词：锂离子电池；等效电路模型；EKF；SOC估算

Abstract

Problems such as environmental pollution, shortage of petroleum resources, and national energy security have made countries pay more and more attention to the development of electric vehicles. The development of electric vehicles is based on the development of their key components. As an energy source for an electric vehicle, the power battery is a key component of the electric vehicle. Lithium-ion batteries have the advantages of high specific energy, long cycle life, low self-discharge rate, no memory, and no environmental pollution, making them the most suitable batteries for electric vehicles. The state of charge (SOC) is an important performance parameter of the battery. Research on the SOC estimation of the lithium ion battery is of great significance to the development of the electric vehicle industry.

The Thevenin equivalent circuit model was selected to simulate the battery operation. Considering factors such as charge/discharge rate, cycle life, and self-discharge, an improved HPPC cycle test was designed. Different SOC points were selected and charged and discharged in different directions for experimentation. The obtained data, using the MATLAB fitting tool to obtain the various parameters of the battery model and establish a Simulink model of the equivalent circuit. The results show that the model has high accuracy and can accurately simulate the dynamic characteristics of lithium batteries.

In view of the non-linearity of the SOC estimation process of the lithium battery, the EKF is used as the SOC estimation algorithm. According to the calculation process of the linear general Kalman filter algorithm, the model studied is quasi-linearized. The main methods include: state space discretization, first-order Taylor expansion of state variables. Then using MATLAB/Simulink software to design the EKF estimation process. Finally, the result of the estimation is analyzed and the open circuit voltage method is used to modify the estimation result. Then the accuracy of the algorithm is verified by using the federal city operating conditions (FUDS).

Key Words：Lithium-ion Battery；Equivalent Circuit Model；EKF；SOC Estimation

目 录

摘要 II

Abstract III

第1章 绪论 1

1.1 课题的背景和意义 1

1.2 电动汽车用动力电池介绍 1

1.3 动力电池SOC估算 2

1.3.1动力电池SOC估算的意义 2

1.3.2 SOC估算的研究现状 2

1.4 本文研究内容及技术方案 3

1.4.1主要研究内容 3

1.4.2技术方案 4

第2章 锂电池工作原理和性能参数 5

2.1锂离子动力电池的工作原理 5

2.2锂离子动力电池的主要性能参数 5

2.2.1锂电池的电压 6

2.2.2锂电池的内阻 6

2.2.3锂电池的容量 7

2.2.4荷电状态 7

2.3锂电池充放电特性 8

2.4本章小结 9

第3章 锂离子电池模型和参数辨识 10

3.1锂电池的等效电路模型 10

3.1.1内阻等效模型 10

3.1.2 Thevenin等效电路模型 11

3.1.3二阶RC等效电路模型 11

3.1.4 PNGV等效电路模型 12

3.1.5 GNL等效电路模型 12

3.2模型参数辨识 14

3.2.1开路电压和电池内阻的辨识 15

3.3.2极化电阻和计划电容的辨识 17

3.4本章小结 19

第4章 基于EKF的SOC估算 20

4.1卡尔曼滤波器的基本原理 20

4.1.1线性卡尔曼滤波器的特点 20

4.1.2拓展卡尔曼滤波算法 21

4.2基于EKF的SOC估算 23

4.3仿真结果分析 24

4.4 FUDS工况验证 26

4.5本章小结 27

第5章 结论 28

5.1全文总结 28

5.2展望 28

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

1.1 课题的背景和意义

汽车行业的快速发展，为人民大众提供了方便、舒适、快捷的现代生活。然而，随着传统燃料汽车数量的不断增加，环境污染，石油资源短缺，国家能源安全等问题日益凸显。在我国，城市大气污染很大一部分是由于汽车的排放污染，因此，越来越多的人们呼吁节能减排的。结合国际汽车产业发展趋势来看，大力发展以纯电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车等为代表的新能源汽车，它不仅有助于解决中国汽车消费面临的能源，环保和噪音污染等问题，而且也是中国汽车工业做大做强的重要途径之一。 大力发展电动汽车，用电力代替燃油动力，不仅能满足当前低碳社会的需要，而且也是解决能源短缺，环境污染等问题的有效途径。

目前，国内外电动汽车的发展还存在许多关键的技术问题需要解决，电池技术直接影响着电动汽车的动力性、经济型、安全性、耐久性和成本等，这是电动汽车技术上、成本上的最大瓶颈，也是电动汽车产业化的最大阻碍。而电动汽车动力电池荷电状态的精确估算是电池技术的关键问题之一，本课题重点研究电动汽车电池荷电状态的估算问题，它是电动汽车动力电池发展的前提和关键，有很重要的实际意义和实用价值。

1.2 电动汽车用动力电池介绍

作为电动汽车的能量源，电动汽车性能的好坏很大程度上取决于所配备的动力电池的性能的好坏。对比传统燃油汽车，现阶段的电动汽汽车主要在动力性和续航能力上有所欠缺。判断一个电池的性能好坏，是否适合一款电动汽车，主要判断依据有比功率（W/kg）、比能量（Wh/kg），其次还有制造成本、安全性能等。其中比功率，即：电池单位质量输出能量的速率，它直接决定电动汽车的启动、加速性能和最大爬坡度，也影响汽车能达到的最高车速；比能量，即：电池单位质量输出的能量，它决定着电动汽车的续航能力，也是评价电池性能的一个重要指标。因此，用于电动汽车上的电池应满足以下几个要求：