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基于KF-ESN算法的储能电站磷酸铁锂电池SOC估算的研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景、目的和意义

1.2 储能电站在国内外的发展现状

1.3 电池管理系统在国内外的发展

1.4 国内外电池SOC估算算法研究现状

1.5 本文研究内容和章节安排

第二章 锂离子电池原理和特性分析及电池SOC

2.1 储能电池的选择

2.2 磷酸铁锂电池

2.2.1 磷酸铁锂电池工作原理

2.2.2 磷酸铁锂电池参数

2.3 磷酸铁锂电池特性分析

2.3.1 磷酸铁锂电池电压特性

2.3.2 磷酸铁锂电池容量特性

2.4 磷酸铁锂电池的SOC

2.4.1 电池SOC的定义

2.4.2 影响电池SOC的因素

2.4.3 电池SOC的修正定义

2.5 磷酸铁锂电池SOC的估算算法的选择

2.6 本章小结

第三章 KF-ESN神经网络算法

3.1 人工神经网络

3.2 回声状态网络(ESN)

3.2.1 ESN网络的结构及特点

3.2.2 ESN网络的建立和训练算法

3.2.3 ESN网络储备池的主要参数

3.3 KF-ESN网络

3.3.1 卡尔曼滤波算法

3.3.2 KF-ESN网络的在线学习算法

3.4 本章小结

第四章 基于KF-ESN神经网络的电池SOC估算

4.1 电池SOC预测模型

4.2 预测模型样本数据

4.2.1 模型输入样本数据

4.2.2 样本SOC参考值的计算

4.2.3 训练样本数据处理

4.3 电池SOC预测结果分析

4.4 本章小结

第五章 规模储能电站电池管理系统的研究

5.1 储能系统中的电池管理系统

5.2 电池管理系统数据采集模块

5.2.1 BMU数据测量模块

5.2.2 温度检测电路

5.2.3 BCMS模块

5.2.4 电池组模块电压与电流测量

5.2.5 BMU与BCMS的通信设计

5.3 基于MCGS触摸屏的上位机设计

5.3.1 MCGS触摸屏

5.3.2 基于MCGS触摸屏的电池管理系统人机界面

5.3.3 上位机与BCMS的通信

5.4 本章小节

第六章 结论与展望

6.1 本文结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

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摘要

在新能源发电中,电池储能技术能错开发电和输电的时间,从而保证所发出的电能够平滑、稳定输出到电网。在电池储能系统中,对电池组进行电池管理是必不可少的,其中电池的SOC估算是电池管理系统的一部分。电池的SOC能够直观表示电池充放电的程度,从而防止电池的过充与过放电,而且准确的SOC还可作为电池充放电控制和电池均衡等其他管理的重要依据,对于电动汽车,电池的SOC还可以准确反映续驶里程。但由于电池SOC不能通过直接测量获得,而且电池在工作过程中内部的化学变化异常复杂,导致估算十分困难,所以电池的SOC估算是电池管理系统的重点和难点。
  电池SOC估算算法的研究一直都是热点,其中神经网络算法由于不依赖于精准的电池模型,精度高、速度快等优点受到了越来越多的关注。而对于传统的神经网络算法,存在计算复杂,学习时间长以及对于小样本数据泛化能力较差,大样本数据又陷入局部最小甚至不能训练的情况。提出一种通过卡尔曼滤波算法(KF)优化储备池网络回声状态网络(ESN)输出权值的SOC估算方法来解决上述问题。以实验室的储能电池大容量磷酸铁锂电池(3.2V/180Ah)为研究对象,通过充放电实验平台对其进行恒流放电,利用所得数据分析该电池的特性,然后确定输入输出量并且建立电池SOC预测模型。分别对以不同电流恒流放电过程的电池SOC进行估算,与传统BP神经网络预测模型的结果进行对比分析,发现KF-ESN预测模型精度更高,运算速度更快,可作为一种新的SOC估算算法投入使用。
  对规模储能电站电池管理系统进行了研究,针对电池管理系统电池簇管理系统(BCMS)自带的液晶显示监控系统画面单调、功能简单且不能远程监控的问题,设计开发了一套基于MCGS触摸屏的上位机监控系统,该监控系统功能丰富,画面流畅美观,并通过Modbus协议与下位机通信,远程地实时监控储能电站电池的运行状态。

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