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隨著化石能源的不斷枯竭，蓄電池作為新能源行業(yè)的重要研究目標(biāo)，受到很多研究人員青睞，其中，鋰離子電池以能量高、儲(chǔ)能效率高和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于軌道列車(chē)中，作為應(yīng)急供電電源為直流負(fù)載提供能量。考慮到實(shí)際動(dòng)車(chē)組經(jīng)常需要在惡劣環(huán)境條件下運(yùn)行，且動(dòng)車(chē)組電池可能需要以大倍率充放電電流進(jìn)行操作，因此，功率特性高、工作溫度范圍更廣的鈦酸鋰電池成為動(dòng)車(chē)組蓄電池的首選。

動(dòng)車(chē)組電池存在成本高、更換流程復(fù)雜、安全性要求嚴(yán)苛等問(wèn)題，因此，監(jiān)控電池工作狀態(tài)、提高電池壽命、保證電池可靠充電，具有重要研究意義。電池的荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）是衡量電池剩余電量的重要標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確估計(jì)電池SOC能夠精確反映電池內(nèi)部的狀態(tài)，但是電池SOC無(wú)法直接測(cè)量得到，需要根據(jù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，其準(zhǔn)確性難以讓人滿意，這影響了以鋰電池為基礎(chǔ)建立的電池管理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，為提高電池工作效率、工作壽命留下了難題。

目前常用的電池SOC估計(jì)方法分為三種：基于電池可測(cè)量參數(shù)實(shí)現(xiàn)的電池SOC估計(jì)方法、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的電池SOC估計(jì)方法和基于電池模型及觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)的電池SOC估計(jì)方法。

基于電池可測(cè)量參數(shù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)的SOC估計(jì)方法包括開(kāi)路電壓法和安時(shí)積分法，這兩種方法能基本滿足電池SOC估計(jì)的準(zhǔn)確性要求，并且計(jì)算量小、容易實(shí)現(xiàn)，但是由于實(shí)際電池工作環(huán)境的復(fù)雜，SOC估計(jì)過(guò)程中存在電流累積誤差和初始值誤差，容易出現(xiàn)估計(jì)結(jié)果偏差大的問(wèn)題。

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的電池SOC估計(jì)方法對(duì)大量的電池輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器訓(xùn)練，擬合電池SOC和輸入量之間的關(guān)系，從而得到較準(zhǔn)確的電池SOC估計(jì)值，但是，機(jī)器學(xué)習(xí)方法需要大量的數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)，并且如果輸入的數(shù)據(jù)未能覆蓋所有工況，其準(zhǔn)確性會(huì)下降。

基于電池模型及觀測(cè)器估計(jì)電池SOC的基本原理搭建電池等效模型，對(duì)電池特性進(jìn)行模擬，在電池模型的基礎(chǔ)上總結(jié)電池SOC和模型參數(shù)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電池SOC的預(yù)測(cè)，再根據(jù)觀測(cè)器測(cè)量得到的實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)測(cè)得到的電池SOC進(jìn)行修正，減小估計(jì)誤差。目前常用的SOC估計(jì)方法包括PI觀測(cè)器估計(jì)法、滑模觀測(cè)器估計(jì)法和卡爾曼濾波器估計(jì)法。這種方法估計(jì)SOC的精度受模型準(zhǔn)確性影響，因此，盡量提高模型精度是此類(lèi)方法提高估計(jì)準(zhǔn)確性的主要途徑。

綜上可知，基于電池模型及觀測(cè)器估計(jì)電池SOC的方法在工業(yè)上具有更好的實(shí)用價(jià)值，選擇搭建合適的電池模型并完成參數(shù)辨識(shí)，對(duì)于提高估計(jì)電池SOC的精度有很大影響。

高功率特性、高循環(huán)壽命、工作溫度范圍更廣的鈦酸鋰電池在動(dòng)車(chē)組中備受青睞。北京交通大學(xué)的研究人員選擇中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組鈦酸鋰電池為研究對(duì)象，以鈦酸鋰離子電池為研究對(duì)象，搭建二階RC等效電路模型，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波法在線辨識(shí)模型參數(shù)，并在EKF估計(jì)電池SOC的基礎(chǔ)上，針對(duì)EKF方法噪聲方差固定這一缺點(diǎn)，提出了AEKF方法估計(jì)電池荷電狀態(tài)，并在Matlab軟件內(nèi)通過(guò)編程驗(yàn)證AEKF估計(jì)方法的準(zhǔn)確性。

圖1 電池?cái)?shù)據(jù)采集裝置

研究結(jié)果表明，AEKF方法可對(duì)系統(tǒng)噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，具有明顯的優(yōu)越性，荷電狀態(tài)估計(jì)誤差在1%以內(nèi)，具有較好的自適應(yīng)性。并且，在實(shí)際初始狀態(tài)與方法設(shè)置初始狀態(tài)不同的情況下，AEKF估計(jì)電池荷電狀態(tài)能在50s實(shí)現(xiàn)估計(jì)電池SOC的快速收斂，精度更高。

另外，科研人員指出，本研究與實(shí)驗(yàn)均基于動(dòng)力電池理想狀態(tài)下進(jìn)行，但在實(shí)際生產(chǎn)生活應(yīng)用中，環(huán)境溫度及電池老化等對(duì)SOC估計(jì)均有明顯影響，且對(duì)于鈦酸鋰電池來(lái)說(shuō)，其溫度工作范圍較廣，在較寬的溫度范圍下依舊能保持良好性能，此部分也將作為后續(xù)研究的重點(diǎn)方向。

以上研究成果發(fā)表在2021年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“動(dòng)車(chē)組鈦酸鋰電池荷電狀態(tài)估計(jì)”，作者為郝文美、張立偉 等。