SOC计算方法：卡尔曼滤波算法

卡尔曼滤波算法是一种经典的状态估计算法，它广泛应用于控制领域和信号处理领域。在电动汽车领域中，卡尔曼滤波算法也被广泛应用于电池管理系统中的电池状态估计。其中，电池的状态包括电池的剩余容量（SOC）、内阻、温度等。

并且卡尔曼滤波法也是一种比较精确的SOC估计方法，它通过测量电池的电流和电压来估计电池的SOC。该方法利用卡尔曼滤波算法对电池的状态进行估计，从而得到更准确的SOC估计值。接下来我们将介绍卡尔曼滤波算法的基本原理。

一、卡尔曼滤波算法

卡尔曼滤波算法是一种递归估计算法，它可以对随时间变化的状态进行估计。该算法的基本思想是将估计值和观测值结合起来，从而得到更准确的状态估计值。

卡尔曼滤波算法的基本步骤如下：

1）初始化

卡尔曼滤波算法的初始化需要确定系统的状态方程和观测方程，以及系统的初始状态和方差矩阵。其中，状态方程表示状态的变化规律，观测方程表示观测值和状态之间的关系。初始状态和方差矩阵则表示对系统初始状态的估计值和不确定性。

2）预测

在卡尔曼滤波算法中，预测步骤是根据系统的状态方程和控制量来预测下一个时刻的状态和方差矩阵。其中，状态方程表示当前状态和控制量之间的关系。

3）更新

在卡尔曼滤波算法中，更新步骤是根据观测值和预测值来更新系统的状态和方差矩阵。其中，观测方程表示观测值和状态之间的关系。

4）重复

卡尔曼滤波算法是一个递归算法，因此需要不断重复预测和更新步骤，以得到更准确的状态估计值。

卡尔曼滤波算法的核心思想是通过观测值和预测值之间的差异来调整状态估计值的权重，从而得到更准确的状态估计值。该算法的优点是可以处理非线性系统和带有噪声的系统，同时可以在不断观测到新数据时实时更新状态估计值。

二、使用卡尔曼滤波算法估计SOC

在电动汽车领域中，卡尔曼滤波算法常被用于电池SOC的估计。SOC的估计可以通过电池电压和电流的测量来实现。具体的估计方法如下：

1）确定状态方程和观测方程

电池的状态方程和观测方程可以表示为：

     x
    
    
     
      k
     
     
      +
     
     
      1
     
    
   
   
    =
   
   
    A
   
   
    
     x
    
    
     k
    
   
   
    +
   
   
    B
   
   
    
     u
    
    
     k
    
   
   
    +
   
   
    
     w
    
    
     k
    
   
  
  
   x_{k+1} = Ax_k + Bu_k + w_k
  
 
xk+1​=Axk​+Buk​+wk​
 
  
   
    
     y
    
    
     k
    
   
   
    =
   
   
    C
   
   
    
     x
    
    
     k
    
   
   
    +
   
   
    
     v
    
    
     k
    
   
  
  
   y_k = Cx_k + v_k
  
 
yk​=Cxk​+vk​

其中，

     x
    
    
     k
    
   
  
  
   x_k
  
 
xk​表示电池的状态向量，
 
  
   
    
     u
    
    
     k
    
   
  
  
   u_k
  
 
uk​表示电池的控制向量，
 
  
   
    
     y
    
    
     k
    
   
  
  
   y_k
  
 
yk​表示电池的观测向量，
 
  
   
    
     w
    
    
     k
    
   
  
  
   w_k
  
 
wk​和
 
  
   
    
     v
    
    
     k
    
   
  
  
   v_k
  
 
vk​分别表示过程噪声和观测噪声。矩阵
 
  
   
    A
   
  
  
   A
  
 
A、
 
  
   
    B
   
  
  
   B
  
 
B和
 
  
   
    C
   
  
  
   C
  
 
C分别表示状态方程和观测方程中的系数矩阵。

2）初始化

在SOC估计中，初始状态通常可以由开路电压法得到。初始方差矩阵可以设置为一个较大的值，表示对初始状态的不确定性较大。

3）预测

在预测步骤中，需要根据电池的状态方程和控制量来预测下一个时刻的电池状态和方差矩阵。其中，电池的状态向量包括SOC和内阻等参数，控制向量通常包括电流和温度等。预测方程可以表示为：

    S
   
   
    O
   
   
    
     C
    
    
     
      k
     
     
      +
     
     
      1
     
    
   
   
    =
   
   
    S
   
   
    O
   
   
    
     C
    
    
     k
    
   
   
    +
   
   
    
     
      Δ
     
     
      t
     
    
    
     
      C
     
     
      
       b
      
      
       a
      
      
       t
      
     
    
   
   
    (
   
   
    
     I
    
    
     k
    
   
   
    −
   
   
    
     I
    
    
     
      o
     
     
      c
     
     
      v
     
    
   
   
    (
   
   
    S
   
   
    O
   
   
    
     C
    
    
     k
    
   
   
    ,
   
   
    
     T
    
    
     k
    
   
   
    )
   
   
    )
   
  
  
   SOC_{k+1} = SOC_k + \frac{\Delta t}{C_{bat}}(I_k - I_{ocv}(SOC_k,T_k))
  
 
SOCk+1​=SOCk​+Cbat​Δt​(Ik​−Iocv​(SOCk​,Tk​))

其中，

     C
    
    
     
      b
     
     
      a
     
     
      t
     
    
   
  
  
   C_{bat}
  
 
Cbat​表示电池的容量，
 
  
   
    Δ
   
   
    t
   
  
  
   \Delta t
  
 
Δt表示时间间隔，
 
  
   
    
     I
    
    
     k
    
   
  
  
   I_k
  
 
Ik​表示当前时刻的电流，
 
  
   
    
     I
    
    
     
      o
     
     
      c
     
     
      v
     
    
   
   
    (
   
   
    S
   
   
    O
   
   
    
     C
    
    
     k
    
   
   
    ,
   
   
    
     T
    
    
     k
    
   
   
    )
   
  
  
   I_{ocv}(SOC_k,T_k)
  
 
Iocv​(SOCk​,Tk​)表示根据SOC和温度得到的电池的开路电压。

预测方程中的内阻等参数可以通过电化学阻抗谱等实验测量得到。预测方程中还可以考虑电池的寿命衰减等因素，以提高SOC估计的准确性。

4）更新

在更新步骤中，需要根据观测值和预测值来更新电池的状态和方差矩阵。观测向量可以通过电池电压测量得到，观测方程可以表示为：

     V
    
    
     k
    
   
   
    =
   
   
    
     V
    
    
     
      o
     
     
      c
     
     
      v
     
    
   
   
    (
   
   
    S
   
   
    O
   
   
    
     C
    
    
     k
    
   
   
    ,
   
   
    
     T
    
    
     k
    
   
   
    )
   
   
    −
   
   
    I
   
   
    
     R
    
    
     k
    
   
   
    +
   
   
    
     v
    
    
     k
    
   
  
  
   V_k = V_{ocv}(SOC_k,T_k) - IR_k + v_k
  
 
Vk​=Vocv​(SOCk​,Tk​)−IRk​+vk​

其中，

     V
    
    
     
      o
     
     
      c
     
     
      v
     
    
   
   
    (
   
   
    S
   
   
    O
   
   
    
     C
    
    
     k
    
   
   
    ,
   
   
    
     T
    
    
     k
    
   
   
    )
   
  
  
   V_{ocv}(SOC_k,T_k)
  
 
Vocv​(SOCk​,Tk​)表示根据SOC和温度得到的电池的开路电压，
 
  
   
    
     R
    
    
     k
    
   
  
  
   R_k
  
 
Rk​表示电池的内阻，
 
  
   
    
     v
    
    
     k
    
   
  
  
   v_k
  
 
vk​表示观测噪声。

根据预测值和观测值，可以得到卡尔曼增益矩阵

     K
    
    
     k
    
   
  
  
   K_k
  
 
Kk​，以及状态和方差的更新公式：
 
  
   
    
     x
    
    
     k
    
   
   
    =
   
   
    
     x
    
    
     k
    
   
   
    +
   
   
    
     K
    
    
     k
    
   
   
    (
   
   
    
     y
    
    
     k
    
   
   
    −
   
   
    C
   
   
    
     x
    
    
     k
    
   
   
    )
   
  
  
   x_k = x_k + K_k(y_k - Cx_k)
  
 
xk​=xk​+Kk​(yk​−Cxk​)
 
  
   
    
     P
    
    
     k
    
   
   
    =
   
   
    (
   
   
    I
   
   
    −
   
   
    
     K
    
    
     k
    
   
   
    C
   
   
    )
   
   
    
     P
    
    
     k
    
   
  
  
   P_k = (I - K_kC)P_k
  
 
Pk​=(I−Kk​C)Pk​

其中，

    I
   
  
  
   I
  
 
I表示单位矩阵，
 
  
   
    
     P
    
    
     k
    
   
  
  
   P_k
  
 
Pk​表示状态方程的方差矩阵，
 
  
   
    
     K
    
    
     k
    
   
  
  
   K_k
  
 
Kk​表示卡尔曼增益矩阵。

5）重复

SOC估计是一个动态过程，需要不断重复预测和更新步骤，以得到更准确的SOC估计值。

三 、结论

卡尔曼滤波算法是一种常用的状态估计算法，可以在处理非线性系统和带有噪声的系统时得到较为准确的状态估计值。在电动汽车领域中，卡尔曼滤波算法常被用于电池SOC的估计。SOC的估计可以通过电池电压和电流的测量来实现，具体的估计方法包括确定状态方程和观测方程、初始化、预测、更新和重复等步骤。

在实际应用中，SOC估计需要考虑电池寿命衰减、内阻等因素的影响，以提高估计的准确性。此外，卡尔曼滤波算法也存在一些局限性，