新能源汽车SOC估算的模糊预测算法研究
新疆风能有限责任公司 罗文
摘 要：环境问题的凸显使环境友好的新能源汽车得到大力发展，动力电池是新能源汽车的主要动力源，其荷电状态（SOC）是驾驶员对可行驶里程准确估计的直接标准，准确的荷电状态估计对于提升新能源汽车用户体验、整车控制合理性等都有直接影响，由此可知，电池的荷电状态非常重要，可研究性也非常大。本文介绍了新能源汽车研究的背景，提出了新能源汽车核心技术SOC估算。通过研究动力电池存在的问题，提出动力电池SOC的各种估算方法，通过对比优缺点后，确定要研究的算法——模糊预测控制算法，并探究模糊算法是否比其他算法更接近实际结果。首先介绍了模糊算法和模糊控制器的概念，再利用扩展卡尔曼滤波算法在MATLAB的simulink模块中搭建预测模型进行端电压预测，求得端电压预测误差，然后将结果输入模糊控制器进行处理，最后将得到的结果与扩展卡尔曼滤波算法进行比较，结果为模糊算法的误差比扩展卡尔曼算法误差小0.15%。
关键词：电动汽车；SOC；估算算法；模糊预测算法
A study of fuzzy prediction algorithms for SOC estimation of new energy vehicles
Luo Wen
Abstract:The highlight of environmental problems makes the environmentally friendly new energy vehicles get vigorous development, the power battery is the main power source of new energy vehicles, its load state (SOC) is the driver's accurate estimate of the driving distance of the direct standard, accurate load state estimation for improving the user experience of new energy vehicles, vehicle control rationality, etc. have a direct impact, it can be seen that the battery charge state is very important, researchability is also very large. This paper introduces the background and present situation of new energy vehicle research, and puts forward the core technology of new energy vehicle, SOC estimation. By studying the problems of power battery, various estimation methods of power battery SOC are proposed, and after comparing the advantages and disadvantages, the algorithm to be studied, fuzzy prediction control algorithm, is determined, and whether the fuzzy algorithm is closer to the actual results than other algorithms. Firstly, theconcept of fuzzy algorithm and fuzzy controller is introduced, and then the prediction model is constructed in MATLAB's simulink module by using the extended Kalman algorithm, the end voltage error is obtained, and then the result is processed with the fuzzy controller, and the result is compared with the traditional Kalman filter algorithm, and the result is that the fuzzy algorithm is 0.15% smaller than the extended Kalman algorithm
Keywords:Electric vehicles; SOC; Estimation algorithms; Fuzzy prediction algorithms
1 新能源汽车研究的背景及意义
新能源汽车拥有先进的技术和结构，新能源汽车不使用汽油、柴油等燃料提供动力，而是使用车载蓄电池作为动力来源，这是与传统汽车相比最大的区别，由于动力来自车载蓄电池，所以就避免了一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等有害气体的排放，不会危害人的身体健康，对环境也很友好，新能源汽车以后有可能成为主流车型。
新能源汽车主要分为三大类：混合动力电动汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）。所有新能源汽车都有一个共同的缺点，电池问题。新能源汽车依靠车载电池提供动力，换言之，如果电池出问题那么汽车就无法使用，电池最主要的问题就是荷电状态（SOC），荷电状态可以反映汽车剩余里程，因此对荷电状态的准确度研究具有重大意义[1]。
1.1 国内外新能源汽车发展现状
21世纪以来中国新能源汽车产业规模逐渐扩大。我国对汽车行业的管控能力远远超过别的行业，与其他行业相比，我国更加支持发展环境友好的新能源汽车。2001年到2005年，在我国第十个五年计划中，新能源汽车被确定为重点发展对象。我国的新能源汽车产业经过“十五”发展之后，形成了“三横三纵”的新能源电动汽车产业格局，并且在基础科学研究上取得了一系列技术创新成果[2]。从2007年开始，国家着手对新能源汽车生产及产品进行严格管控，并允许已经达到标准的新能源企业开始生产销售；2009年新能源汽车真正进入市场导入期，但是支持新能源汽车发展的部门极少，只有科技部、财政部等几个部门；到了2013年，我国出台了全国推广政策，建立了节能与新能源汽车产业发展部际联席会制度，一共由18个部门组成，在这18个部门里，有些部门甚至和汽车产业毫无关系，但在国家政策的支持下所有部门都在实行各种措施来推动新能源汽车的发展；2014年年底兴起了一股造车热潮，在几年时间里出现了至少五十家的新能源造车企业，新能源汽车销量突破50万，并且持续高速增长。
美国新能源汽车的发展一直处于世界前列，因为美国不仅拥有着先进的技术，而且美国联邦政府也大力支持发展清洁型新能源汽车，美国新能源汽车的发展主要从需求和供应两方面着手，并且推行了财税优惠政策，所以更多的人接受并购买新能源汽车，使得新能源汽车市场规模以极快的速度扩大。
欧盟各成员国销售各类的电动汽车在全球占比约32.81%，成为全球第二大电动汽车市场，其规模仅次于美国。英国也希望成为电动汽车的领头羊，按照英国的电动汽车战略“零排放之路”，到2030年英国50%轿车要达到超低排放标准，每公里二氧化碳排放量小于五十克。法国为了减少空气污染，计划在2030年之前淘汰燃油汽车，法国在电动汽车行业给予了一系列激励措施鼓励发展电动汽车。欧盟其余各国也积极响应，大力发展电动汽车来降低二氧化碳排放水平。
1.2 SOC研究意义
SOC（State of Charge）电池的荷电状态，表示电池中剩余可用电量，通常作为衡量电池可用时长的指标，可用
表示。
电池荷电状态的准确估计是电池管理系统中的三大核心问题之一，也是电动汽车发展的关键问题之一，荷电状态准确估计的意义有[3]：
（1）延长电池寿命，在电池电量已经充满的情况下仍继续充电或电池电量不足时仍继续放电都会对电池造成损伤，使电池的可用时长减少。如果能准确估算出SOC值，就可以控制并调节SOC使其在允许的范围内变化，让电池工作在健康的状态下，就可以防止出现过充或过放的情况，使得电池的使用时长增加。
（2）提升电池效率和汽车性能，如果不能准确得到SOC值，在使用电池时就需要时刻考虑电池的寿命问题，会影响电池使用性能的最大化，同时也造成汽车的整体性能下降。
（3）降低成本，电池容量方面的要求越低，所花费的成本也会越低，还可以保证在安全行驶状态和电池工作在健康状态时使汽车的维修费用减少。
（4）提供续航里程参考，动力电池荷电状态的估算值反映的是电池的剩余电量，驾驶员可以根据剩余电量合理安排行驶里程。
1.3 动力电池存在的问题
在文献[4]中张向倩、高月、黄飞等人对动力电池进行了研究，发现了电池存在的一些问题，如电池管理系统无法切断电源导致过充、电池短路引起着火等。其中最突出的问题有两个：
（1）安全问题，电池在工作时温度会上升，一般情况下温度可控，如果电池在高温下持续工作，电池内部会发生一系列化学反应，导致温度进一步提高，引发热失控，减少电池使用寿命，增加了安全隐患。
（2）续航里程问题，汽车的行驶里程是所有客户关注的重点，而动力电池是汽车最重要的环节，也是阻碍电动汽车发展的主要因蓄素，电池单位质量能储存的电量很少，价格也比较贵，也没形成一定的经济规模，各地的油价电价不同，有些电池的使用成本甚至比汽车本身贵。要想新能源汽车被广泛接受，就必须解决电池续航里程和价格问题。
1.4研究内容
本文研究的重点是电池的荷电状态，荷电状态的重要性在于可以为使用者提供剩余电量作为参考。所以本文的研究对象为：
（1）各种SOC估算方法的优缺点。
（2）模糊预测算法估算SOC。
（3）搭建预测模型和模糊模型并仿真对比。