趙又群，周曉鳳，劉英杰

機械工程設計

基于擴展卡爾曼粒子濾波算法的鋰電池SOC估計

趙又群，周曉鳳，劉英杰

目的：鋰電池荷電狀態(tài)（SOC）用來描述電池剩余電量的數(shù)量，進而反映電動汽車的續(xù)駛里程，是電池管理系統(tǒng)中的核心參數(shù)。電池循環(huán)次數(shù)的增加，瞬間大電流以及溫度等因素都會使電池特性發(fā)生變化，使用擴展卡爾曼濾波算法（EKF）對電池荷電狀態(tài)進行估計，會有較大的誤差甚至導致算法不收斂。為了有效的抑制發(fā)散以及噪聲的影響，本文基于鋰電池混合噪聲模型，應用擴展卡爾曼粒子濾波算法（EKPF，Extended Kalman Particle Filter）對鋰電池荷電狀態(tài)和電流漂移噪聲進行同步估計，并根據(jù)充放電試驗數(shù)據(jù)進行仿真分析，結果表明了該算法的優(yōu)越性。方法：本文借鑒文獻提出的結合Shepherd模型、Unnewehr模型和Nernst模型的復合模型，考慮電流漂移噪聲的干擾，建立混合噪聲模型，采用遞推最小二乘法對鋰電池復合模型進行參數(shù)辨識。建立鋰電池的離散狀態(tài)空間模型后，應用擴展卡爾曼粒子濾波算法（EKPF，Extended Kalman Particle Filter）對鋰電池荷電狀態(tài)和電流漂移噪聲進行同步估計。最后為了驗證擴展卡爾曼粒子濾波算法對鋰電池 SOC估計的精確性，對鋰電池進行放電試驗，分別采用 EKF、PF和EKPF三種算法對電池SOC進行估計，以驗證算法的優(yōu)越性。結果：為了驗證擴展卡爾曼粒子濾波算法對鋰電池SOC估計的精確性，對3.2 V/20 Ah的鋰電池進行放電試驗，分別采用EKF、PF和EKPF三種算法對電池SOC進行估計，為了定量的比較EKF、PF和EKPF的性能，定義了試驗的均方根誤差RMSE和和單次平均消耗時間t。得到結果如下：（1）三種不同算法的SOC的估計結果圖中，PF算法對應的曲線抖動很明顯，而EKPF算法的曲線較為平滑。（2）EKF算法的RMSE為0.0583，單次平均消耗時間t為2.7157 s；PF算法的RMSE為0.0412，t為 49.3150 s；EKPF算法的RMSE為 0.0254，t為214.8240s。從仿真試驗結果可以看出，基于鋰電池混合噪聲模型的EKPF算法精度較高，即說明了算法的優(yōu)越性，也表明了模型的準確性。單獨使用 PF算法時抖動很明顯，而EKPF算法則比較平滑，在均方根誤差（RMSE）的指標上也優(yōu)于EKF算法和PF算法，但由于算法復雜，計算量相對較大，故單次平均消耗時間t相對較長。結論：本文基于鋰電池混合噪聲模型，應用擴展卡爾曼粒子濾波算法（EKPF，extended kalman particle filter）對鋰電池荷電狀態(tài)和電流漂移噪聲進行同步估計，并根據(jù)充放電試驗數(shù)據(jù)進行仿真分析，結果表明了該算法的優(yōu)越性。在鋰電池實際工作過程中，由于電池的非線性和非高斯性，應用擴展卡爾曼粒子濾波算法對電池SOC進行估計具有其獨特的優(yōu)越性，可實現(xiàn)電池SOC的準確估計。對于一個具有高斯特性的系統(tǒng)噪聲和量測噪聲的弱非線性系統(tǒng)，擴展卡爾曼粒子濾波算法能夠較好地克服經(jīng)典粒子濾波算法存在的粒子退化問題，同時較常用的卡爾曼濾波算法對比來說，精度得到提高。再進一步的研究中可以考慮鋰電池混合噪聲模型參數(shù)的在線辨識，提高模型精度。

來源出版物：中國機械工程,2015,26(3):394-397

入選年份：2015

基于知識重用的鉗臂快速設計方法

楊志兵，李曼麗

摘要：目的：設計人員根據(jù)電焊鉗鉗臂的設計要求，憑借個人的設計經(jīng)驗，以產(chǎn)品模型庫中基本滿足用戶需求的模型為基礎來完成設計工作。最后找到的模型不一定是真正匹配的模型，且對檢索實例進行的修改是基于草圖和特征的修改，原有的設計知識不能得到真正的重用。方法：在CATIA V5平臺下，利用三維設計技術建立鉗臂的三維模型時，應根據(jù)鉗臂的結構信息確定特征建立的順序，以免某些變量的修改量比較大時，特征出現(xiàn)嚴重變形，導致模型無法更新。鉗臂設計過程中，將主參數(shù)設置為全局參數(shù)，依據(jù)設計經(jīng)驗、設計標準等確定產(chǎn)品的從參數(shù)及關聯(lián)規(guī)則，利用 CATIA的知識工程顧問模塊中的公式建立關聯(lián)關系。為便于給后續(xù)設計提供借鑒，保留產(chǎn)品的設計參數(shù)；為便于鉗臂設計參數(shù)的記錄和調(diào)用，采用數(shù)據(jù)庫的形式表示設計參數(shù)。設計規(guī)則用產(chǎn)生式規(guī)則表示法描述，設計人員必須要遵守的設計規(guī)則通過 Checks功能編寫代碼進行描述。利用Publication功能發(fā)布與鉗臂組件和握桿組件裝配有關的軸、面等特征。裝配關系用過程表示法表示，設計時調(diào)用該過程可方便地進行握桿組件的替換，且不改變裝配的約束關系。采用參數(shù)化設計方法生成標準 CAD模型后，通過有限元分析確定鉗臂的強度和剛度是否滿足要求。采用三維實例模型與模型特征數(shù)據(jù)相結合的方法來描述實例，首先通過鉗臂編碼查找到三維實例模型，然后根據(jù)特征數(shù)據(jù)找到對應的實例。采用加權最近鄰算法進行實例檢索，得出新實例與已有實例的總相似度。當有多個已有實例均符合設計要求時，取總相似度大于設定閾值的實例或選取總相似度值較大的實例。鉗臂實例的研究中，實例修改主要包括設計參數(shù)修改和零部件替換，主設計參數(shù)由用戶自定義，設計規(guī)則、成熟的設計經(jīng)驗及網(wǎng)格劃分信息均與主參數(shù)相關聯(lián)。系統(tǒng)自動讀取當前實例的設計參數(shù)，并加載其他匹配實例的設計參數(shù)和歷史設計數(shù)據(jù)，設計人員直接在界面中進行參數(shù)修改和零部件替換。結果：對 CATIA進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了鉗臂的參數(shù)化設計；利用Access數(shù)據(jù)庫建立了鉗臂產(chǎn)品的實例庫；利用VB6.0開發(fā)用戶界面，實現(xiàn)了實例檢索，實例修改以及實例的添加、刪除等功能。鉗臂設計過程中，設計人員只需要在用戶界面上進行操作，有效利用了封裝的設計知識，節(jié)約了模型查詢時間和設計修改時間。結論：本文提出的鉗臂快速設計方法充分重用了經(jīng)過實踐的設計知識，避免了設計人員的重復勞動。鉗臂的快速設計的成功不能僅限于建模，還需進一步的仿真分析，未來可以對鉗臂有限元模型的分析進行擴展研究。

來源出版物：中國機械工程,2015,26(2):223-227

入選年份：2015