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基于SOC的储能电池组均衡策略研究.pdf

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基于SOC的储能电池组均衡策略研究 储能电池组的均衡是储能系统维持可靠性、延长寿命的重要保 障。根据储能电池的化学类型和结构特点，均衡策略可以分为 压差均衡、容量均衡和SOC均衡。本文将重点研究基于SOC 的储能电池组均衡策略，并从电池管理系统设计、SOC测量 方法和SOC均衡算法三个方面进行阐述。 一、电池管理系统设计 电池管理系统是储能电池组均衡策略的关键环节。电池管理系 统需要具备以下功能：实时监测电池组的SOC、电压和温度； 控制充放电和均衡过程；保证系统安全、可靠和高效。电池管 理系统的设计需要选择合适的硬件平台和软件算法，并考虑到 系统的扩展性、可靠性和成本效益。 硬件平台：电池管理系统包括数据采集模块、电池均衡模块、 通讯模块和主控模块。其中，数据采集模块实现电池组SOC、 电压和温度的实时测量；电池均衡模块实现电池组的均衡过程； 通讯模块实现系统的监控和远程控制；主控模块实现系统的控 制和算法设计。硬件平台的选择需要考虑到以下因素：采集精 度、控制精度、通讯协议、扩展接口和可靠性。目前，常见的 硬件平台包括单片机、DSP、FPGA、ARM等，具体选择需要 根据应用场景和性能需求进行判断。 软件算法：电池管理系统的软件算法是实现SOC测量和均衡 控制的关键。在SOC测量方面，常见的方法有开路电压法、 电容积分法、Kalman滤波法等。在均衡控制方面，常见的方 法有有源均衡、无源均衡、混合均衡、矢量均衡等。软件算法 的选择需要考虑到以下因素：计算精度、算法实现的难易程度、 算法的实时性和适用性。目前，常用的算法框架包括PID控 制、模糊控制、遗传算法、神经网络等。具体选择需要根据应 用场景和性能需求进行判断。 二、SOC测量方法 SOC是电池组均衡控制的最基本参数之一。在储能电池组的 均衡控制中，SOC的精度和实时性对于保证系统的可靠性和 安全性具有重要意义。目前，SOC的测量方法主要有三种： 开路电压法、电容积分法和Kalman滤波法。 开路电压法：开路电压法是一种简单而常用的SOC测量方法， 其基本原理是通过电池的静态电压与SOC之间的关系实现 SOC的测量。具体操作是，先进行电池充电，当电池充满后 将其静置30分钟以消除膜效应，记录电池的开路电压和对应 的SOC。开路电压法测量SOC的误差较大，约为5%~10%， 且受到温度变化、电池历时等因素的影响。因此，开路电压法 主要应用于低精度和低成本的储能电池组。 电容积分法：电容积分法是一种基于电池电容特性测量SOC 的方法，其原理是通过电子积分的方式计算电池充放电过程中 的电容积来实现SOC的测量。具体操作是，先将电池充电至 满电，然后进行放电过程，在放电过程中，通过电压和电流的 积分计算电池的容量变化以推算SOC。电容积分法测量SOC 的误差约为1%~3%，但是，电容积分法的实现难度较大，需 要设计高速高精度的ADC和DSP系统。 Kalman滤波法：Kalman滤波法是一种基于状态估计的SOC 测量方法，其基本思想是利用状态变量的调整参数估计相应的 滤波参数。Kalman滤波法既可以利用电池的动态信息精确估 算SOC，也能够通过状态估计实现电池组多变量联合估计的 功能。Kalman滤波法在容量估计和估计计算效率方面表现优 异，但是需要进行复杂的状态空间建模和参数估计。 三、SOC均衡算法 SOC均衡是储能电池组均衡策略中最为关键的处理环节。目 前，基于SOC的均衡算法主要包括有源均衡、无源均衡、混 合均衡和矢量均衡四种。 有源均衡：有源均衡是指通过主动干预电池充放电过程实现电 池均衡的方法。有源均衡可以利用电压、电流、温度等多种传 感器信息，通过外部干预来实现电池组的SOC均衡。有源均 衡通常采用PWM调制技术来实现电池的均衡过程，具有速度 快、精度高、适用范围广等优点，但是存在成本高、复杂性大 等问题。 无源均衡：无源均衡是指不需要主动干预电池充放电过程，通 过内部耗散电阻来实现电池均衡的方法。无源均衡采用开关电 容电路包括分压电路来分配电池的电荷和放电，以达到均衡的 目的。无源均衡可以实现小功率和高效率的均衡过程，但不能 解决电池SOC动态变化的问题。 混合均衡：混合均衡是指有源均衡与无源均衡的混合方案，通 常采用PWM调制控制和开关电容电路串联实现电池的SOC 均衡。混合均衡具有综合有源均衡和无源均衡的优点，相比于 有源均衡可以降低控制压力，相比于无源均衡可以弥补动态 SOC均衡问题。混合均衡需要考虑到控制与均衡带来的系统 复杂度和成本。 矢量均衡：矢量均衡是指通过电池动力学模型建立电池SOC 和SOC梯度之间的关系，将多个单体电池的SOC和SOC梯 度联合起来，通过电容电路的方法实现电池SOC的均衡。矢 量均衡采