CN113991777A - 一种电池储能系统在线式运行安全态势感知方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电池储能系统在线式运行安全态势感知方法,由于电池系统的不一致性是导致储能系统运行劣化的主要因素,而且不同充放电倍率对电池运行安全的影响程度也有所差异,因而提出了针对储能系统不同充放电区间电压、温度、容量等运行数据的不一致性,对电池储能系统各储能单元运行的安全性进行在线评估预测的方法。该方法不需要对电池内阻等难以在线测量的参数进行采集,同时也避免了复杂的建模过程,综合考虑了不同充放电倍率下,电池不一致性对电池安全运行的影响,提前对非安全运行状态的储能单元进行预警,从而提高储能系统运行的安全性,避免储能系统安全事故的发生。
Description
技术领域
本发明涉及电池储能系统预警技术领域,具体涉及一种电池储能系统在线式运行安全态势感知方法。
背景技术
当前储能系统已经进入规模化应用阶段,但是储能系统运行的安全性是制约储能系统健康发展的主要因素。当前,对储能系统安全性评估的方法主要有基于储能系统运行机理模型的评估、基于运行数据统计分析的评估以及剩余电量的评估方法。基于储能系统运行机理模型的评估需要针对不同类型、参数的储能系统进行复杂的建模,而且很难克服各参数之间耦合因素对安全运行的影响;基于运行数据统计分析的评估,通常是在系统发生故障或已经处于故障临界状态下进行预警处理,另外没有考虑不同充、放电倍率的影响以及储能系统内温度场分布的影响;基于剩余电量的评估方法没有综合考虑其他运行参数对安全运行的影响。
需要注意的是,本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
发明内容
本发明目的在于提供了一种电池储能系统在线式运行安全态势感知方法,解决了现有技术中没有考虑不同倍率充、放电条件下储能单元安全运行关键参数不一致性对运行安全的影响,从而影响储能系统运行的安全性的技术问题。
为实现上述目的本发明采用如下技术方案:
一种电池储能系统在线式运行安全态势感知方法,包括数据采集单元和电池储能系统,所述电池储能系统包括储能变流器PCS、电池单元和电池管理单元BMS,所述数据采集单元、储能变流器PCS和电池单元分别与电池管理单元BMS电连接,所述数据采集单元从电池管理单元进行运行参数的采集,针对电池储能系统具有不同充放电倍率,对电池储能系统安全运行关键参数进行一致性分析,对存在安全运行隐患的储能单元提出预警,从而提高储能系统运行安全性,包括以下步骤:
S1:运行参数实时采集:
利用数据采集单元从电池管理单元采集运行参数,参数类型包括充电电流ICHAR、放电电流IDISCHAR、单体电池电压Ui、单体电池温度Ti、单体电池电量信息Si、单体电池所在单元Ni和电池单元内单体电池编号NOi;
S2:充放电倍率分区:
根据电池储能系统的额定充电电流和额定放电电流,将充放电倍率均划分为0-0.5C,0.5C-1C,1C-1.5C以及1.5C以上,其中C为充放电倍率;
S3:充放电倍率分区权重系数分配:
根据电池储能系统充放电倍率对电池寿命影响曲线,进行安全运行权重系数Qi(i∈1,2,3,4)的归一化处理及分配,划分为四个区间,公式如下所示:
Q1=1 (1)
式中,Q1为区间1权重,区间1为(0-0.5C]区间;
式中,Q2为区间2权重,区间2为(0.5-1C]区间;C为充放电倍率;CYCLE-LIFE为该充放电倍率下的电池循环寿命;
式中,Q3为区间3权重,区间3为(1-1.5C]区间;C为充放电倍率;CYCLE-LIFE为该充放电倍率下的电池循环寿命;
式中,Q4为区间4权重,区间4为1.5C以上区间;C为充放电倍率;CYCLE-LIFE为该充放电倍率下的电池循环寿命;
S4:对各充放电倍率分区内各节电池参数不一致性计算:
计算电池组内各节电池的电压、容量和温度的不一致性系数,其中电压不一致性系数为Udif[i],容量不一致性系数为Sdif[i],温度不一致性系数为Tdif[i];
S5:对充放电倍率分区内各节电池安全趋势计算:
根据步骤S3中得到的充放电倍率分区权重系数以及S4中得到的电压不一致性系数Udif[i],容量不一致性系数Sdif[i]和温度不一致性系数Tdif[i],计算各充放电倍率分区内各节电池安全趋势,公式如下所示:
TRE1[i]=Q1×(Udif[i]+Sdif[i]+Tdif[i])(5)
式中,TRE1[i]为区间1的安全趋势;
Q1=1;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
Tdif[i]为温度不一致性系数;
TRE2[i]=Q2×(Udif[i]+Sdif[i]+Tdif[i]) (6)
式中,TRE2[i]为区间2的安全趋势;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
Tdif[i]为温度不一致性系数;
TRE3[i]=Q3×(Udif[i]+Sdif[i]+Tdif[i])(7)式中,TRE3[i]为区间3的安全趋势;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
Tdif[i]为温度不一致性系数;
TRE4[i]=Q4×(Udif[i]+Sdif[i]+Tdif[i]) (8)
式中,TRE4[i]为区间4的安全趋势;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
Tdif[i]为温度不一致性系数;
S6:对静置区间内各节电池安全趋势计算:
当电池储能系统处于静置,即既不充电也不放电区间,通过电池管理单元BMS对电池单元进行均衡充放电,均衡完毕后,计算静置区间的安全趋势,公式如下所示:
TRE5[i]=Q1×(Udif[i]+Sdif[i]) (9)
式中,TRE5[i]为静置区间的安全趋势;
Q1=1;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
S7:安全预警:
在电池储能系统工作过程中,电池储能系统根据运行要求经历区间1-区间4中的任何一个或几个区间进入静置区间,计算第N到N+1个静置区间各节电池趋势预测最大值之和,当趋势预测值大于设定阈值,进行告警,并报送告警电池所在电池单元及单体电池编号;
其中,N到N+1个静置区间为从上一个静置区间即在步骤S6中电池单元均衡充放电完毕后,经历区间1-区间4中的任何一个或几个区间后再次进入静置区间的过程。
优选的,步骤S4中的电压不一致性系数的计算公式如下所示:
式中,Udif[i]为电池储能系统中第i节电池的电压不一致性系数;
U[i]为电池储能系统中第i节电池的电压;
n为电池储能系统中单节电池数量。
优选的,步骤S4中的容量不一致性系数的计算公式如下所示:
式中,Sdif[i]为电池储能系统中第i节电池的容量不一致性系数;
S[i]为电池储能系统中第i节电池的容量;
n为电池储能系统中单节电池数量。
优选的,步骤S4中温度不一致性系数的计算公式如下所示:
式中,Tdif[i]为电池储能系统中第i节电池的温度不一致性系数;
T[i]为电池储能系统中第i节电池的温度;
Tnor[i]为电池储能系统中第i节电池的温度归一化系数;
n为电池储能系统中单节电池数量。
优选的,对温度进行归一化处理,在同一电池储能系统中,越靠近中心位置的电池单元温度越高,而且与电池储能单元的温度差别与距离强相关,因而计算温度不一致性系数,需要先将所有储能单元的温度进行归一化处理,计算公式表述如下:
式中,Tnor[i]为电池储能系统中第i节电池的温度归一化系数;
X[i]为第i节电池中心位置至散热条件最好,通常为第i节电池中心位置至最外围电池的垂直距离;
i为电池半径;
优选的,还包括电池均衡为处于电池储能系统的静置区间时,通过电池管理单元BMS对低容量电池小电流充电控制进行的电池均衡。
优选的,所述电池组以二次锂电池作为电能存储介质,单体电池串并联集成后,组成一个电池单元;
所述的电池管理系统实时监测计算电池的状态信息,状态信息包括充电电流ICHAR、放电电流IDISCHAR、单体电池电压Ui、单体电池温度Ti、单体电池电量信息Si,以实现电池组的主动均衡控制、热管理控制及告警。
优选的,所述的电池管理单元BMS包括电池单元检测BMU;
所述的电池单元检测BMU实时监测单体电池的运行状态信息,包括单体电池温度Ti、单体电池电压Ui、充电电流ICHAR和单体电池剩余电量SOC。
本发明的有益效果:
本发明提供了一种电池储能系统在线式运行安全态势感知方法,针对电池储能系统不同充放电倍率,对电池温度、电压、电量、电流等采集数据进行分析,根据不同充、放电倍率下各数据的不一致性,对电池储能系统各储能单元运行的安全性进行在线评估预测。该方法不需要对电池内阻等难以在线测量的参数进行采集,同时也避免了复杂的建模过程,综合考虑了不同充放电倍率下,电池不一致性对电池安全运行的影响,提前对处于不安全运行状态的储能单元进行预警,从而提高储能系统运行的安全性。
附图说明
图1是本发明电池储能系统在线式运行安全态势感知方法的流程图;
图2是本发明的电池储能系统的结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而,示例实施方式能够以多种形式实施,且不应被理解为限于在此阐述的范例;相反,提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整,并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
如图1-2所示,一种电池储能系统在线式运行安全态势感知方法,包括数据采集单元和电池储能系统,所述电池储能系统包括储能变流器PCS、电池单元和电池管理单元,所述数据采集单元、储能变流器PCS和电池单元分别与电池管理单元电连接,所述数据采集单元从电池管理单元进行运行参数的采集,针对电池储能系统具有不同充放电倍率,对电池储能系统安全运行关键参数进行一致性分析,对存在安全运行隐患的储能单元提出预警,从而提高储能系统运行安全性,包括以下步骤:
S1:运行参数实时采集:
利用数据采集单元从电池管理单元采集运行参数,参数类型包括充电电流ICHAR、放电电流IDISCHAR、单体电池电压Ui、单体电池温度Ti、单体电池电量信息Si、单体电池所在单元Ni和电池单元内单体电池编号NOi;
S2:充放电倍率分区:
根据电池储能系统的额定充电流和额定放电流,将充放电倍率均划分为0-0.5C,0.5C-1C,1C-1.5C以及1.5C以上,其中C为充放电倍率;
S3:充放电倍率分区权重系数分配:
根据电池储能系统充放电倍率对电池寿命影响曲线,进行安全运行权重系数Qi(i∈1,2,3,4)的归一化处理及分配,划分为四个区间,公式如下所示:
Q1=1 (1)
式中,Q1为区间1权重,区间1为(0-0.5C]区间;
式中,Q2为区间2权重,区间2为(0.5-1C]区间;C为充放电倍率;
式中,Q3为区间3权重,区间3为(1-1.5C]区间;C为充放电倍率;
式中,Q4为区间4权重,区间4为1.5C以上区间;C为充放电倍率;
S4:对各充放电倍率分区内各节电池参数不一致性计算:
计算电池组内各节电池的电压、容量和温度的不一致性系数,其中电压不一致性系数为Udif[i],容量不一致性系数为Sdif[i],温度不一致性系数为Tdif[i];
电压不一致性系数的计算公式如下所示:
式中,Udif[i]为电池储能系统中第i节电池的电压不一致性系数;
U[i]为电池储能系统中第i节电池的电压;
n为电池储能系统中单节电池数量。
容量不一致性系数的计算公式如下所示:
式中,Sdif[i]为电池储能系统中第i节电池的容量不一致性系数;
S[i]为电池储能系统中第i节电池的容量;
n为电池储能系统中单节电池数量。
温度不一致性系数的计算公式如下所示:
式中,Tdif[i]为电池储能系统中第i节电池的温度不一致性系数;
T[i]为电池储能系统中第i节电池的温度;
Tnor[i]为电池储能系统中第i节电池的温度归一化系数;
n为电池储能系统中单节电池数量。
其中,对温度进行归一化处理,在同一电池储能系统中,越靠近中心位置的电池单元温度越高,而且与电池储能单元的温度差别与距离强相关,因而计算温度不一致性系数,需要先将所有储能单元的温度进行归一化处理,如果储能系统采用水冷设计,且水冷管路均匀流经每节单体电池,可将Tnor[i]设为1,或者乘以一个修正系数,修正系数可通过测试确定。计算公式表述如下:
式中,Tnor[i]为电池储能系统中第i节电池的温度归一化系数;
X[i]为第i节电池中心位置至散热条件最好,通常为第i节电池中心位置至最外围电池外壁(散热条件最好)的垂直距离;
i为电池半径;
将公式(13)代入公式(12)得出电池温度不一致性系数Tdif[i]。
S5:对充放电倍率分区内各节电池安全趋势计算:
根据步骤S3中得到的充放电倍率分区权重系数以及S4中得到的电压不一致性系数Udif[i],容量不一致性系数Sdif[i]和温度不一致性系数Tdif[i],计算各充放电倍率分区内各节电池安全趋势,公式如下所示:
TRE1[i]=Q1×(Udif[i]+Sdif[i]+Tdif[i]) (5)
式中,TRE1[i]为区间1的安全趋势;
Q1=1;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
Tdif[i]为温度不一致性系数;
TRE2[i]=Q2×(Udif[i]+Sdif[i]+Tdif[i]) (6)
式中,TRE2[i]为区间2的安全趋势;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
Tdif[i]为温度不一致性系数;
TRE3[i]=Q3×(Udif[i]+Sdif[i]+Tdif[i]) (7)
式中,TRE3[i]为区间3的安全趋势;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
Tdif[i]为温度不一致性系数;
TRE4[i]=Q4×(Udif[i]+Sdif[i]+Tdif[i]) (8)
式中,TRE4[i]为区间4的安全趋势;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
Tdif[i]为温度不一致性系数;
S6:对静置区间5内各节电池安全趋势计算:
当电池储能系统处于静置,即既不充电也不放电区间,通过电池管理单元对电池单元进行均衡充放电,均衡完毕后,计算静置区间的安全趋势,公式如下所示:
TRE5[i]=Q1×(Udif[i]+Sdif[i]) (9)
式中,TRE5[i]为静置区间的安全趋势;
Q1=1;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
S7:安全预警:
计算第N到N+1个静置区间5各节电池趋势预测最大值之和,当趋势预测值大于设定阈值,进行告警,并报送告警电池所在电池单元及单体电池编号;在储能系统工作过程中,储能系统根据运行要求有可能经历区间1-区间4的任何一个或几个区间进入静置区间;N到N+1个静置区间为从上一个静置区间即步骤S6中所述电池单元均衡充放电完毕后,经历区间1-区间4的任何一个或几个区间后再次进入静置区间的过程。
实施例1
1、设定储能系统由1个电池单元构成,电池单元含9节单体电池,电池编号为1-9,单体电池按3*3排列;
2、设定储能系统在不同充、放电区间,运行参数如下表1所示:
表1不同充放电倍率分区运行参数
3、充放电倍率分区权重系数分配:
设定电池在标准运行环境条件下充放电倍率与循环寿命的关系如下,
(0,0.5C]:6000次
(0.5C,1C]:5800次
(1C,1.5C]:5000次
1.5C以上采用2C倍率充放电特性曲线:4500次
充放电倍率与循环寿命的关系可从厂家电池特性曲线获得,也可通过加速测试获得。根据公式(2)、(3)、(4),可分别求出区间2、区间3和区间4的权重系数分别为:1.03、1.2、1.33;
(1)温度归一化系数:
鉴于该系统单体电池3*3排布结构,1-9节电池归一化参数如下:
1、1、1、1、0.96、1、1、1、1;
(2)根据公式(10)、公式(11)和公式(12)分别计算各节电池在不同充放电区间的电压、电量及温度不一致性系数,根据公式(5)、公式(6)、公式(7)、公式(8)和公式(9)分别计算各节电池在不同充放电区间的安全趋势预测值。计算结果如下表2所示:
表2不同充放电倍率分区各节电池的安全趋势预测值
4、预警功能
在任一区间,当某节电池的任一不一致性系数超过设定限值,发出预警信号;
在任一区间,当某节电池的安全趋势预测值超过设定限值,发出预警信号。
以1.5C以上区间第五节电池为例,其每一个不一致性系数都非该区间最大值,但是趋势预测值为最大,超出设定限值,反应了该节电池整体成劣化发展趋势;
当储能系统充放电经历设定的5个区间时,计算每节电池的安全趋势预测值之和,其中,1-9节电池的安全趋势预测值为8.62,16.58,12.35,10.88,16.3,13.69,9.75,7.07,13.19当超过设定限值时,发出预警信号,综合反应各节电池在全运行空间的安全运行发展趋势。
本实施例中,各区间安全趋势预测报警阈值设定为大于4.5,全区间安全趋势预测报警阈值设定为大于16,则各区间报警的单体电池为3、5、6节:
其中,预警的区间分别为充放电区间(0,0.5C]的电池6,充放电区间(0.5C,1C]的电池3,充放电区间1.5C以上的电池5;
全区间告警的单体电池为2、5节。
综上所述,本发明提出的基于态势感知的在线式评估方法,考虑了在不同倍率充、放电条件下影响储能单元安全运行关键参数不一致性对运行安全的影响,可以有效提高储能系统运行的安全性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (8)
1.一种电池储能系统在线式运行安全态势感知方法,包括数据采集单元和电池储能系统,所述电池储能系统包括储能变流器PCS、电池单元和电池管理单元BMS,所述数据采集单元、储能变流器PCS和电池单元分别与电池管理单元BMS电连接,所述数据采集单元从电池管理单元进行运行参数的采集,其特征在于,针对电池储能系统具有不同充放电倍率,对电池储能系统安全运行关键参数进行一致性分析,对存在安全运行隐患的储能单元提出预警,从而提高储能系统运行安全性,包括以下步骤:
S1:运行参数实时采集:
利用数据采集单元从电池管理单元采集运行参数,参数类型包括充电电流ICHAR、放电电流IDISCHAR、单体电池电压Ui、单体电池温度Ti、单体电池电量信息Si、单体电池所在单元Ni和电池单元内单体电池编号NOi;
S2:充放电倍率分区:
根据电池储能系统的额定充电电流和额定放电电流,将充放电倍率均划分为0-0.5C,0.5C-1C,1C-1.5C以及1.5C以上,其中C为充放电倍率;
S3:充放电倍率分区权重系数分配:
根据电池储能系统充放电倍率对电池寿命影响曲线,进行安全运行权重系数Qi(i∈1,2,3,4)的归一化处理及分配,划分为四个区间,公式如下所示:
Q1=1 (1)
式中,Q1为区间1权重,区间1为(0-0.5C]区间;
式中,Q2为区间2权重,区间2为(0.5-1C]区间;C为充放电倍率;CYCLE-LIFE为该充放电倍率下的电池循环寿命;
式中,Q3为区间3权重,区间3为(1-1.5C]区间;C为充放电倍率;CYCLE-LIFE为该充放电倍率下的电池循环寿命;
式中,Q4为区间4权重,区间4为1.5C以上区间;C为充放电倍率;CYCLE-LIFE为该充放电倍率下的电池循环寿命;
S4:对各充放电倍率分区内各节电池参数不一致性计算:
计算电池组内各节电池的电压、容量和温度的不一致性系数,其中电压不一致性系数为Udif[i],容量不一致性系数为Sdif[i],温度不一致性系数为Tdif[i];
S5:对充放电倍率分区内各节电池安全趋势计算:
根据步骤S3中得到的充放电倍率分区权重系数以及S4中得到的电压不一致性系数Udif[i],容量不一致性系数Sdif[i]和温度不一致性系数Tdif[i],计算各充放电倍率分区内各节电池安全趋势,公式如下所示:
TRE1[i]=Q1×(Udif[i]+Sdif[i]+Tdif[i]) (5)
式中,TRE1[i]为区间1的安全趋势;
Q1=1;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
Tdif[i]为温度不一致性系数;
TRE2[i]=Q2×(Udif[i]+Sdif[i]+Tdif[i]) (6)
式中,TRE2[i]为区间2的安全趋势;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
Tdif[i]为温度不一致性系数;
TRE3[i]=Q3×(Udif[i]+Sdif[i]+Tdif[i]) (7)
式中,TRE3[i]为区间3的安全趋势;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
Tdif[i]为温度不一致性系数;
TRE4[i]=Q4×(Udif[i]+Sdif[i]+Tdif[i]) (8)
式中,TRE4[i]为区间4的安全趋势;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
Tdif[i]为温度不一致性系数;
S6:对静置区间内各节电池安全趋势计算:
当电池储能系统处于静置,即既不充电也不放电区间,通过电池管理单元BMS对电池单元进行均衡充放电,均衡完毕后,计算静置区间的安全趋势,公式如下所示:
TRE5[i]=Q1×(Udif[i]+Sdif[i]) (9)
式中,TRE5[i]为静置区间的安全趋势;
Q1=1;
Udif[i]为电压不一致性系数;
Sdif[i]为容量不一致性系数;
S7:安全预警:
在电池储能系统工作过程中,电池储能系统根据运行要求经历区间1-区间4中的任何一个或几个区间进入静置区间,计算第N到N+1个静置区间各节电池趋势预测最大值之和,当趋势预测值大于设定阈值,进行告警,并报送告警电池所在电池单元及单体电池编号;
其中,N到N+1个静置区间为从上一个静置区间即在步骤S6中电池单元均衡充放电完毕后,经历区间1-区间4中的任何一个或几个区间后再次进入静置区间的过程。
6.根据权利要求1所述的一种电池储能系统在线式运行安全态势感知方法,其特征在于,还包括电池均衡为处于电池储能系统的静置区间时,通过电池管理单元BMS对低容量电池小电流充电控制进行的电池均衡。
7.根据权利要求1所述的一种电池储能系统在线式运行安全态势感知方法,其特征在于,所述电池组以二次锂电池作为电能存储介质,单体电池串并联集成后,组成一个电池单元;
所述的电池管理系统实时监测计算电池的状态信息,状态信息包括充电电流ICHAR、放电电流IDISCHAR、单体电池电压Ui、单体电池温度Ti、单体电池电量信息Si,以实现电池组的主动均衡控制、热管理控制及告警。
8.根据权利要求1所述的一种电池储能系统在线式运行安全态势感知方法,其特征在于,所述的电池管理单元BMS包括电池单元检测BMU;
所述的电池单元检测BMU实时监测单体电池的运行状态信息,包括单体电池温度Ti、单体电池电压Ui、充电电流ICHAR和单体电池剩余电量SOC。
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CN202111246575.8A CN113991777A (zh) | 2021-10-26 | 2021-10-26 | 一种电池储能系统在线式运行安全态势感知方法 |
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CN116865377A (zh) * | 2023-06-08 | 2023-10-10 | 浙江晨泰科技股份有限公司 | 一种基于电池bms、能源管理和储能消防于一体的智能充电管理方法及系统 |
CN116979587A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-10-31 | 法罗电力(浙江)有限公司 | 一种储能系统soc自动管理方法与系统 |
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