基于H无穷观测器的锂电池剩余电量估计

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1、国内图书分类号：U464.72+2密级：公开国际图书分类号：629西南交通大学研究生学位论文基于H无穷观测器的锂电池剩余电量估计年级二零一五级姓名熊能申请学位级别工程硕士专业机械工程指导老师祝乔副教授二零一八年五月ClassifiedIndex:U464.72+2U.D.C:629SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisH-INFINITYBASEDOBSERVERFORSTATEOFCHARGEESTIMATIONOFLITHIUM-IONBATTER

2、YGrade:2015Candidate:XiongNengAcademicDegreeAppliedfor:MasterSpecialty:MechanicalEngineeringSupervisor:AssistantProf.ZhuQiaoMay,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：1.锂电池特性实验研究。针对锂电池这个典型的非线性系统，介绍了锂电池内部的电化学反应原理，展示了充放电过程中锂离子嵌入和回

3、嵌的过程，提供了锂电池极化特性的理论基础。然后，建立了本论文研究锂电池特性的实验平台，在实验平台上对锂电池进行了一系列实验，包括容量测量，充放电性能测试，内阻测量、计算与分析，开路电压的测量。最后，探讨了开路电压(Opencircuitvoltage,OCV)和剩余电量（Stateofcharge，SOC）的关系对SOC估计的影响。通过一系列实验，对锂电池的实验性能有了充分的了解，为后期锂电池包的建模，参数辨识和实现BMS的主要功能做了铺垫。2.锂电池建模与模型参数辨识。根据锂电池的充放电实验特性，建立

4、锂电池的二阶阻抗电容（Resistor-Capacitor，RC）等效电路模型，利用电池包的电流电压响应辨识出模型参数以及开路电压关于剩余电量的非线性函数。更进一步，基于建模误差是对SOC估计精度是最大的影响因素这一共识，为了建立更精确的电池模型以得到更精确的SOC估计结果，考虑等效电路模型中含有电容元件，而分数阶电容可以更好地模拟电容的特性，因此用分数阶的恒相角元（Constantphaseelement，CPE）代替原二阶RC模型中的电容，建立了锂电池的分数阶的二阶RC等效电路模型，引入分数阶微积分

5、的GL定义用于求解模型输出端电压，并提出了以端电压误差为指标的最小二乘法，辨识了分数阶的阶数。通过放电实验验证了二阶RC模型的有效性，以及分数阶的二阶RC模型相对于整数阶的二阶RC模型的建模精度更高。为提出基于模型的SOC估计方法奠定了基础。3.基于H无穷观测器的SOC估计方法。分析了经典的基于卡尔曼滤波器的SOC估计方法的缺陷，即假定建模误差和测量噪声是高斯白噪声，并且需要知道建模误差和测量噪声协方差的大小。然而实际上因为锂电池是非线性系统，并且在正文第3章模型验证部分的建模误差中可以看出，由于极化效

6、应作用，建模误差显然不是高斯白噪声。另一方面，在实际情况中建模误差和测量噪声很难测得，所以其大小通常是无法知道的。而基于观测器的方法可以避免这个问题，考虑到非线性观测器对动态误差的良好抑制作用，以及鲁棒H无穷设计准则下，所得到的线性矩阵不等式求解观测器增益的优势，提出了基于二阶RC模型的非线性H无穷观测器方法来估计SOC。对于模型中非线性函数部分，提出了单边利普希茨条件，以保证非线性函数在观测器设计上起到积极作用。利用了李雅普诺夫稳定性原理，保证剩余电量估计误差的收敛性，进一步通过保证误差系统的H无穷性

7、能，建立并求解线性矩阵不等式组，完成了该非线性H无穷观测器的设计，设计过程简单有效；进一步，对于所建立分数阶的二阶RC模型，根据分数阶模型与连续频率分布模型的等效定理，提出了基于分数阶电池模型西南交通大学硕士研究生学位论文第III页摘要汽车在给人民的生活带来便利的同时，汽车尾气也成为产生城乡局部空气污染的因素之一。近年来，汽车推进系统的混动化和电动化已经成为汽车工业的主要趋势。动力锂电池是纯电动汽车的主要能量来源，电池的剩余电量（SOC）对于功率的分配和电池保护起到至关重要的作用。然而，锂电池是典型的非

8、线性系统，SOC不能被车载传感器直接测量，因此对SOC估计的研究非常必要。论文主要研究工作如下：（1）介绍了锂电池内部的电化学反应原理，提供了锂电池极化特性的理论基础。然后，建立了本论文研究锂电池特性的实验平台，在实验平台上对锂电池进行了一系列实验。通过实验结果，对锂电池的实验性能有了充分的了解，对于后期锂电池包的建模，参数辨识和实现BMS的主要功能做了铺垫。（2）根据锂电池的充放电实验特性，建立电池的二阶阻抗电容（Resistor-Cap