[發(fā)明專利]電池管理系統(tǒng)電壓電流采樣頻率及濾波時間窗口選取方法

有效

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• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113253126B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李勇琦;陳滿;凌志斌;彭鵬;朱煥杰;胡振愷;李毓烜;雷旗開;梁靚
• 申請（專利權(quán)）人: 南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司;上海交通大學
• 主分類號: G01R31/382
• 分類號: G01R31/382;G01R31/367
• 代理公司: 上海恒慧知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 徐紅銀

本發(fā)明提供了一種電池管理系統(tǒng)電壓電流采樣頻率及時間窗口選取方法，該方法獲取電池儲能系統(tǒng)中電池的電流電壓的頻率成分；根據(jù)所述的電池的電流電壓的頻率成分來選取合適的電壓電流采樣頻率和濾波時間窗口，使得電池SOC估算偏差最小。本發(fā)明可以用低于采樣定理要求的頻率對電壓電流采樣，而不會對SOC的估算精度造成影響。在降低了對硬件采樣電路速率性能和處理器處理性能要求的同時，可以保證SOC算法的估算精度和電池管理系統(tǒng)的可信度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電池管理領(lǐng)域，具體地，涉及一種電池管理系統(tǒng)的電壓、電流信號的采樣頻率及時間窗口的選取方法。

背景技術(shù)

在電動汽車和電網(wǎng)、微電網(wǎng)的電池儲能應用中，電池管理系統(tǒng)(BatteryManagement System，BMS)是實現(xiàn)安全、可靠和電池充分利用的不可缺少的重要環(huán)節(jié)。BMS通過實時監(jiān)測電池端電壓、充放電電流等物理量，采用相應的算法估算電池組中電芯的鋰電池荷電狀態(tài)(State of Charge-SOC)，據(jù)此作為對電池控制及保護進行科學決策的依據(jù)，達到最大化發(fā)揮電池性能、提高電池使用效率，延長電池使用壽命的目的。

準確估算SOC是電池管理的基礎(chǔ)，其估算的準確性關(guān)系到電池的充放電控制和電池均衡的效果。目前常見的SOC估算方法有開路電壓法、安時積分法、內(nèi)阻法、卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。開路電壓法是使得流過電池的電流為零，并將電池長時間的靜止，當電池端電壓不再變化時，此時的電池端電壓便是開路電壓。然后通過開路電壓與SOC的關(guān)系曲線得到相應的SOC。

安時積分法是對流入流出電池的電流進行測量，在時間上進行積分，計算出電池的電量變化大小。再結(jié)合SOC的初始值，計算出電池的剩余SOC。安時法運算量小，易于實現(xiàn)實時監(jiān)控，適用于各種電池。但該方法對初始SOC的精確度要求高，且積分累計誤差將使SOC估算值與真實值相差越來越大。

內(nèi)阻法是利用SOC與電池內(nèi)阻的關(guān)系來推算當前的SOC值，因此需要先測量得到的電池內(nèi)部的交直流等效電阻。但鋰電池等效電阻在SOC較高時并不會發(fā)生明顯的變化，同時電池內(nèi)阻受到溫度和電池充放電倍率的影響較大，因此鋰電池SOC估算很少采用。

典型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對電池SOC進行估算，以學習后的網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)學模型。但該方法需要大量的數(shù)據(jù)和時間來讓機器進行學習。近年來神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測也是電池SOC算法研究的熱點。

卡爾曼濾波法(Kalman Filtering-KF)通過協(xié)方差對估計值與測量值進行最優(yōu)化處理，在不斷的進行迭代之后，獲得一個最佳解，實現(xiàn)在線的最優(yōu)化的預估。卡爾曼濾波將噪聲等其他因素納入了分析過程中，能夠很好的解決初值估算不準的問題。目前，卡爾曼濾波算法是SOC估算研究和應用的重點。卡爾曼濾波法中的拓展卡爾曼濾波(ExtentedKalman Filtering-EKF)和無跡卡爾曼濾波(Unscented Kalman filter-UKF)適用于電池SOC這種非線性模型。與EKF相比，UKF無需將非線性系統(tǒng)線性化，無需求得雅可比矩陣，比EKF更加容易實現(xiàn)，同時EKF在經(jīng)非線性系統(tǒng)傳遞時僅能精確到一階矩，這會產(chǎn)生較大的誤差，而UKF采用無跡變換(Unscented Transformation-UT)，任何非線性系統(tǒng)的后驗均值和協(xié)方差都可精確到Taylor級數(shù)展開式中的一階量，從而使誤差只存在于二階及以上。因此具有更高的估算精度。

無論采用上述哪種方法，都需要以運行過程中對電池電壓和電流的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，因此對電池電壓電流的合理、正確地測量非常關(guān)鍵。由于電池儲能系統(tǒng)中，流經(jīng)電池的電流可能存在多種不同的頻率成分，如對電壓電流的采樣頻率，以及濾波時間窗口的選取不合理，會直接導致在SOC的估算中引入系統(tǒng)性偏差，估算精度無法保證。而目前對電池管理系統(tǒng)的電壓電流采樣頻率和濾波時間窗口的選取尚未見報道。而實際中，BMS對電壓電流的采樣頻率多依據(jù)采樣器件的性能和計算周期選取，范圍較寬，隨意性較大。

發(fā)明內(nèi)容