基于滑模觀測器的超級電容器組荷電狀態(tài)估計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于滑模觀測器的超級電容器組荷電狀態(tài)估計方法，包括以下步驟：(1)實時采集超級電容器組工作時的每一超級電容器單體的充放電電流值和端電壓值；(2)利用滑模觀測器算法估計出每一超級電容器單體的荷電狀態(tài)值；(3)通過比較所有單體的荷電狀態(tài)值確定超級電容器組中單體荷電狀態(tài)的最大值SOCmax和最小值SOCmin；(4)若當(dāng)前超級電容為充電狀態(tài)，則當(dāng)前超級電容器組的荷電狀態(tài)值為SOCmax；若超級電容為放電狀態(tài)，則當(dāng)前超級電容器組的荷電狀態(tài)值為SOCmin。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有計算量較低、延長超級電容器組使用壽命、保證整個儲能系統(tǒng)工作安全性等優(yōu)點。
【專利說明】基于滑模觀測器的超級電容器組荷電狀態(tài)估計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種荷電狀態(tài)估計方法，尤其是涉及一種基于滑模觀測器的超級電容 器組荷電狀態(tài)估計方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 超級電容器作為新型的電能存儲器件，因具有功率密度大、工作溫度范圍寬、循環(huán) 壽命長等優(yōu)點，在可再生清潔能源發(fā)電、電壓補償、電動汽車節(jié)能運行和城市軌道交通制動 能量回收等領(lǐng)域得到廣泛使用。
[0003] 在實際應(yīng)用中，為保證儲能系統(tǒng)的安全性和可靠性，需要對超級電容器內(nèi)部狀態(tài) 進(jìn)行預(yù)估。超級電容的內(nèi)部狀態(tài)包括荷電狀態(tài)（State of Charge，S0C)和健康狀態(tài)（State of Health，S0H)兩大部分。準(zhǔn)確預(yù)估超級電容器S0H，首先要對S0C進(jìn)行有效估計。由于 超級電容器單體電壓較低，因此在實際應(yīng)用中需由大量超級電容器單體串并聯(lián)使用。但是 組成超級電容器組的所有超級電容器單體的性能不可能做到完全一致，因此每節(jié)超級電容 器儲存的能量會有所不同，其差異與各單體之間不一致的程度有關(guān)。
[0004] 目前，對于整個超級電容器組荷電狀態(tài)估計方法的研究比較少，而針對超級電容 器單體荷電狀態(tài)的估計主要采用以下兩類方法：1)基于安時計量的估計方法。安時法是根 據(jù)充放電電流對時間的積分來實時估計超級電容器S0C。該方法主要缺點是無法準(zhǔn)確確定 初始S0C初始值和估計精度很大程度依賴于電流傳感器的精度。2)基于卡爾曼濾波算法的 估計方法。超級電容器在應(yīng)用場合中具有較強的非線性動態(tài)特性，應(yīng)用卡爾曼濾波器以及 擴展卡爾曼濾波器方法時，在線性化過程中會引入與狀態(tài)估計值有關(guān)的模型誤差，導(dǎo)致估 計精度降低。同時該算法對超級電容器等效電路模型的精度具有很強的依賴性，而且需要 復(fù)雜的高計算量的矩陣求逆運算，對噪聲的初值的選擇十分敏感，錯誤的先驗信息容易導(dǎo) 致算法發(fā)散。因此使用以上兩類方法不能準(zhǔn)確估計超級電容器的荷電狀態(tài)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種計算量較低、、 延長超級電容器組使用壽命、保證整個儲能系統(tǒng)工作安全性的基于滑模觀測器的超級電容 器組荷電狀態(tài)估計方法。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0007] -種基于滑模觀測器的超級電容器組荷電狀態(tài)估計方法，該方法包括以下步驟：
[0008] (1)實時采集超級電容器組工作時的每一超級電容器單體的充放電電流值和端電 壓值；
[0009] (2)根據(jù)步驟（1)中采集的電流和電壓值，利用滑模觀測器算法估計出每一超級 電容器單體的荷電狀態(tài)值；
[0010] (3)通過比較所有單體的荷電狀態(tài)值確定超級電容器組中單體荷電狀態(tài)的最大值 S0Cmax 和最小值 S0Cmin ;
[0011] (4)根據(jù)超級電容器組當(dāng)前的工作狀態(tài)確定其荷電狀態(tài)值：
[0012] 若當(dāng)前超級電容為充電狀態(tài)，則當(dāng)前超級電容器組的荷電狀態(tài)值為S0Cmax ;若超級 電容為放電狀態(tài)，則當(dāng)前超級電容器組的荷電狀態(tài)值為socmin;
[0013] (5)判斷是否停機，若是，則結(jié)束，若否，則返回步驟（1)。
[0014] 所述的步驟（2)具體包括以下步驟：
[0015] ①建立超級電容器單體的等效電路模型，并對模型參數(shù)進(jìn)行辨識；
[0016] ②根據(jù)步驟①中等效電路模型，對超級電容器充電與放電建立不同的狀態(tài)空間模 型，狀態(tài)空間方程為：
[0017]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于滑模觀測器的超級電容器組荷電狀態(tài)估計方法，其特征在于，該方法包括 以下步驟： (1) 實時采集超級電容器組工作時的每一超級電容器單體的充放電電流值和端電壓 值； (2) 根據(jù)步驟（1)中采集的電流和電壓值，利用滑模觀測器算法估計出每一超級電容 器單體的荷電狀態(tài)值； (3) 通過比較所有單體的荷電狀態(tài)值確定超級電容器組中單體荷電狀態(tài)的最大值 SOCmax 和最小值 SOCmin ; (4) 根據(jù)超級電容器組當(dāng)前的工作狀態(tài)確定其荷電狀態(tài)值； 若當(dāng)前超級電容為充電狀態(tài)，則當(dāng)前超級電容器組的荷電狀態(tài)值為SOCmax ;若超級電容 為放電狀態(tài)，則當(dāng)前超級電容器組的荷電狀態(tài)值為SOC^ ; (5) 判斷是否停機，若是，則結(jié)束，若否，則返回步驟（1)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于滑模觀測器的超級電容器組荷電狀態(tài)估計方法，其 特征在于，所述的步驟（2)具體包括以下步驟； ① 建立超級電容器單體的等效電路模型，并對模型參數(shù)進(jìn)行辨識； ② 根據(jù)步驟①中等效電路模型，對超級電容器充電與放電建立不同的狀態(tài)空間模型， 狀態(tài)空間方程為：
其中，X為狀態(tài)變量，且將荷電狀態(tài)作為其中一個狀態(tài)變量，A、B、C、D為系統(tǒng)矩陣，u = I為系統(tǒng)輸入，I為充放電電流，y = U為系統(tǒng)輸出，U為端電壓； ③ 根據(jù)步驟②中充放電狀態(tài)空間模型，設(shè)計超級電容器充放電荷電狀態(tài)滑模觀測器結(jié) 構(gòu)，滑模觀測器方程為：
式中4為X的觀測值，>為y的觀測值，k和L為滑模觀測器參數(shù)； ④ 根據(jù)采集到的每一單體充放電電流和端電壓值，利用滑模觀測器方程估計超級電容 器單體的荷電狀態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于滑模觀測器的超級電容器組荷電狀態(tài)估計方法，其 特征在于，所述的對模型參數(shù)進(jìn)行辨識的方法包括最小二乘法、粒子群優(yōu)化方法或差分進(jìn) 化方法。
【文檔編號】G01R31/00GK104297578SQ201310296011
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月15日
【發(fā)明者】韋莉, 肖海山, 顧帥, 張逸成, 姚勇濤, 沈玉琢, 李萬欣, 姚飛, 劉帥, 張佳佳, 詹地夫, 葉尚斌 申請人:同濟大學(xué)