CN103595095B - 一种面向海洋浮标的固体氧化物燃料电池能量管理*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向海洋浮标的固体氧化物燃料电池能量管理***，包括固体氧化物燃料电池(SOFC)***、DC/DC功率变换模块和能量储存管理模块，能量储存管理模块包括蓄电池和超级电容；DC/DC功率变换模块将SOFC发出的直流电转换为14V和24V直流电，24V电源为SOFC***自身供电，14V电源为海洋浮标供电；超级电容和蓄电池接到14V直流母线上，超级电容为其海洋浮标提供瞬时峰值功率，蓄电池为SOFC启动或故障时提供电能以及为海洋浮标采样时补充功率。本发明利用蓄电池和超级电容作为储能装置，使SOFC的输出电能稳定在***所需要的平均功率状态，确保SOFC运行在最优工作点，延长了电堆寿命，提高了效率，并具有自启动和紧急故障应对能力，满足海洋浮标***长期稳定工作的需要。

Description

一种面向海洋浮标的固体氧化物燃料电池能量管理***
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池海洋应用技术领域，更准确地说，它是一种通过辅助储能装备，根据负载特性合理控制能量流动，确保固体氧化物燃料电池（SOFC）工作在稳定状态，延长电堆使用寿命，提高***效率，可以为海洋浮标***长期稳定供电的固体氧化物燃料电池能量管理***。
背景技术
高能比、大容量、长寿命、低成本而且安全可靠的供电技术是海洋装备迫切需要发展的关键技术。以海洋浮标为例，其长期工作在远海，采集探测海洋数据，通过远程通讯发送到陆地接收站，面对纷繁复杂的海洋多要素环境，保障其自身***稳定运行的同时，还要面临电源供给受限的挑战。传统的蓄电池、锂电池比能量较低，在无能量补充的条件下难以完成长时间工作的任务；光伏发电、风力发电受气候环境影响较大，难以提供稳定的电能。固体氧化物燃料电池（SOFC）是通过电化学反应将化学能直接转换为电能的装置，由于发电过程无需机械做功、不受卡诺循环的限制、主要以氢气等高能量密度气体为燃料，所以其具有安静无噪音、发电效率高、能量密度大、环境友好低排放等优点，是21世纪最具前景的绿色发电***，满足远洋供电***的要求。最近十几年，国际上许多发达国家，如美国、德国、日本投入了大量的资金及人力致力于SOFC***的开发，推动了SOFC技术的发展；我国的SOFC技术近年来发展很快，KW级SOFC技术已经日趋成熟。
近年来国际上对固体氧化物燃料电池海洋领域的应用有较多的研究论证，如挪威国防研究所（FFI）、美国海军试验研究所（NRL）等研究机构对目前可行的电源技术对比研究后得出，在远洋供电***中，燃料电池是最具有实力和潜力的技术发展和应用方向。目前，以燃料电池作为动力***的潜艇已经在德国研制成功，在无外部补给的条件下可以连续续航两周。而在国内SOFC海洋领域应用的实质性自主研发尚处于基本空白的状态，面向海洋领域的SOFC能量管理***的研究更是无人问津。
海洋浮标***的功率需求具有周期性阶跃波动的特点，在一个周期分为待机、采样计算、数据发送三个阶段，不同阶段功率波动大，待机功耗很小，采样计算次之，发送需要很大的瞬时功率，这就需求供电设备能够快速平稳的进行功率跟踪。独立的SOFC供电***动态响应时间为秒级，而负载功率为毫秒级阶跃变化，当负载突增时，阳极燃料消耗加剧，由于SOFC***的迟滞性，消耗的燃料无法及时得到补充，容易造成阳极燃料瞬时亏空，导致电极氧化，降低电堆的性能和寿命，同时输出电压降低，输出的电能难以满足瞬时突增的负载功率需求；当负载突减时，又会造成燃料瞬时过剩，导致能量浪费。另外，SOFC供电***远洋作业，环境恶劣，无人值守，维护成本高，因此要求供电***具有自启动功能、故障应急处理功能、远程监控功能等。
为了解决上述问题，需要提供一种新型的面向浮标的固体氧化物燃料电池能量管理***。
发明内容
本发明提供了一种面向海洋浮标的固体氧化物燃料电池能量管理***，此***具有稳定SOFC电能输出、自启动和应急故障管理功能，提高了燃料的利用率、电堆的寿命和***的稳定性，延长了海洋浮标***免维护的运行时间。
一种面向海洋浮标的固体氧化物燃料电池能量管理***，包括固体氧化物燃料电池***、DC/DC功率变换模块和能量储存管理模块；能量储存管理模块包括蓄电池和超级电容；
固体氧化物燃料电池***，其输入端串口连接海洋浮标***的工作状态反馈端，电能输出端连接DC/DC功率变换模块的第一输入端，控制输出端连接DC/DC功率变换模块、超级电容和蓄电池的控制输入端，用于发电并将产生的电能传送给DC/DC功率变换模块，还根据海洋浮标***的工作状态产生相应的控制指令并传送给DC/DC功率变换模块、超级电容和蓄电池；
DC/DC功率变换模块，其控制输入端连接固体氧化物燃料电池***的控制输出端，第一电能输入端连接固体氧化物燃料电池***的输出端，第二电能输入端连接蓄电池，14V输出端连接海洋浮标***，24V输出端连接固体氧化物燃料电池***的输入端，用于接收固体氧化物燃料电池***的控制指令，对固体氧化物燃料电池***产生的电能进行功率变换输出24V和14V直流电，14V直流电从14V输出端输出给海洋浮标***为其供电，24V直流电从24V输出端输出给固体氧化物燃料电池***为其供电；或者，用于将蓄电池输出的电能变换为24V直流电为固体氧化物燃料电池***供电；
超级电容和蓄电池，其连接在DC/DC功率变换模块的14V输出端与海洋浮标***之间，超级电容和蓄电池的控制输入端还连接固体氧化物燃料电池***的输出控制端；用于接收固体氧化物燃料电池***的控制指令，当海洋浮标***在待机阶段，DC/DC功率变换模块的14V输出端输出电能为超级电容和蓄电池充电；当海洋浮标***在采样阶段，蓄电池输出电能为海洋浮标***补充功率；当海洋浮标***在数据发送阶段，超级电容为其海洋浮标***提供瞬时峰值功率；当固体氧化物燃料电池***启动或者故障修复时，蓄电池输出电能并通过DC/DC功率变换模块变换得到24V直流电为固体氧化物燃料电池***供电。
本发明的技术效果体现在：本发明***具有稳定SOFC电能输出、自启动和应急故障管理功能，并且SOFC控制器和浮标之间通过串口通讯，以浮标为发送基站把SOFC运行状态发送到陆面，便于监控。超级电容和蓄电池与14V直流母线相连，在浮标***待机阶段储存能量，在采样阶段蓄电池放出能量，超级电容用来减缓浮标负载功率阶跃变换对SOFC***的影响，以及为数据发送阶段提供瞬间峰值功率，使SOFC***输出功率恒定在负载所需要的平均功率。蓄电池通过DC/DC功率变换器输出24V电压，为SOFC***启动时提供能量；蓄电池和14V直流母线相连，在SOFC故障时为海洋浮标***提供能量。本发明***提高了燃料的利用率、电堆的寿命和***的稳定性，延长了海洋浮标***免维护的运行时间。
进一步地，还包括DC/AC逆变器，用于将DC/DC功率变换模块的24V输出端输出的24V直流电转换为220V交流电，为在调试的海洋浮标***供电。所述DC/AC逆变器作为备用，为在调试的海洋浮标***供电。输入开关由220V/AC输出插座机械控制，达到即插即用的效果，使DC/AC逆变器无空载损耗。
进一步地，所述DC/DC变换器采用BOOST升压拓扑电路，输出二极管通过并联功率管降低功耗。
进一步地，所述DC/AC逆变器，采用两级逆变，直流升压部分用推挽拓扑，采用SG3525控制芯片；逆变部分采用纯硬件芯片TDS1093产生SPWM波形控制全桥逆变电路。本发明芯片的选择，使DC/AC逆变器不需要编程的控制芯片，简化了控制电路。
总的来说，本发明在面向海洋浮标的燃料电池能量管理***中，用蓄电池和超级电容作为储能装置，使SOFC电池的输出电能稳定在***所需要的平均功率状态，确保SOFC运行在最优工作点，延长了电堆寿命，提高了效率；并且蓄电池的引入，是***具有自启动和紧急故障应对能力，达到不间断电源(UPS)的效果，从而满足海洋浮标***长期稳定工作的需要。
附图说明
图1是固体氧化物燃料电池能量管理***结构框图；
图2是海洋浮标采样***功率需求图；
图3是DC/DC变换器的boost拓扑结构图；
图4是DA/AC变换器的拓扑结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1所示为固体氧化物燃料电池能量管理***结构框图。固体氧化物燃料电池能量管理***，包括固体氧化物燃料电池***、DC/DC功率变换模块和能量储存管理模块；能量储存管理模块包括蓄电池和超级电容，SOFC***包括SOFC电池和SOFC控制器。
SOFC***发出的电能经过DC/DC功率变换器输出24V和14V电压，24V电源为SOFC***自身的控制器、阀门、风机等设备供电，这部分功率在***正常运行时是恒定的；14V电源为海洋浮标***供电，这部分功率为浮标所需功率的平均值P。14V直流母线上接有超级电容和蓄电池，浮标在待机阶段，14V直流母线上的多余的电能P-P1为超级电容和蓄电池充电；在采样阶段，浮标所需的功率大于DC/DC变换器输出的14V电源功率，所缺的这一部分功率由蓄电池补充；在数据发送阶段的瞬时峰值功率由超级电容提供。另外，由于超级电容的充放电响应快，可以降低浮标功率阶跃波动对***的影响。SOFC***在启动或紧急故障情况下，SOFC无电能输出，此时浮标***所需的功率全部由蓄电池提供，SOFC***启动或者故障修复时所需要的24V电能也是由蓄电池通过DC/DC升压变换提供。海洋浮标***在调试时会用到220V/AC电源，所述***提供了备用的DC/AC逆变器，其输入通过输入开关接24V直流母线，输入开关由输出插座控制，达到即插即用的效果，使DC/AC逆变器无空载损耗。SOFC电池、DC/DC功率变换模块、蓄电池、超级电容由SOFC电管理单元统筹管理，达到最优的控制效果。SOFC***内的控制器通过串口向海洋浮标***发送状态数据，由浮标向陆面接收点发送，使陆面上可以监测到SOFC***的运行状态。
图2所示为海洋浮标采样***功率需求图，浮标***所需功率呈周期性阶跃变化。一个周期时长为30min，其中[0～T1]时段为待机阶段，持续时间20min，功耗为P1，在此阶段，SOFC输出多余的能量P1-P在控制器的作用下给蓄电池和超级电容充电；[T1～T2]时段为采样计算阶段，持续时间10min，功耗为P2,蓄电池在控制器的作用下放电，为海洋浮标***补充P2-P这部分功率；在数据采样阶段，浮标向陆地发送两次数据，每次发送时间持续2s，功耗为P3，此阶段持续时间短，瞬时功率大，可以用动态性能好的超级电容补充P3-P2这部分功率。可知，本发明依据负载功率变化曲线，通过超级电容和蓄电池削峰填谷，使SOFC工作在恒定功率输出状态，有利于提高***效率、保证SOFC电堆使用寿命，延长海洋浮标***免维护时间。
图3所示为DC/DC变换器的boost拓扑结构图。包括输入滤波电容C1，boost电感L，功率管Q1，二极管VD，功率管Q2，输出滤波电容C2，电流互感器接在功率管Q1的发射极和地之间，UC3842芯片及***电路组成电流型boost控制器。功率管Q1和Q2互补导通，输出二极管VD和功率管Q2并联，使消耗在二级管VD上的功率损耗降低50%以上。
图4所示为DA/AC逆变器的拓扑结构图。包括前级DC/DC升压电路和后级全桥逆变电路。前级采用推挽升压拓扑，通过3,3:47匝比的推挽变压器T，把24V电压升至360V直流；控制器由SG3525芯片及***电路组成，产生相位差为180o两路PWM信号驱动功率管Q1、Q2；Q1、Q2并联RCD吸收电路，吸收功率管关段瞬间产生的电压尖峰。后级逆变部分包括全桥电路，L2、C4、L3组成的LC滤波器，共模抑制电感L4；控制器由纯硬件芯片TDS1093及***电路组成，产生SPWM波形驱动全桥电路的Q3、Q4、Q5、Q6四个功率管。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种面向海洋浮标的固体氧化物燃料电池能量管理***，包括固体氧化物燃料电池***、DC/DC功率变换模块和能量储存管理模块；能量储存管理模块包括蓄电池和超级电容；
固体氧化物燃料电池***，其输入端串口连接海洋浮标***的工作状态反馈端，电能输出端连接DC/DC功率变换模块的第一电能输入端，控制输出端连接DC/DC功率变换模块、超级电容和蓄电池的控制输入端，用于发电并将产生的电能传送给DC/DC功率变换模块，还根据海洋浮标***的工作状态产生相应的控制指令并传送给DC/DC功率变换模块、超级电容和蓄电池；
DC/DC功率变换模块，其控制输入端连接固体氧化物燃料电池***的控制输出端，第一电能输入端连接固体氧化物燃料电池***的电能输出端，第二电能输入端连接蓄电池，14V输出端连接海洋浮标***，24V输出端连接固体氧化物燃料电池***的输入端，用于接收固体氧化物燃料电池***的控制指令，对固体氧化物燃料电池***产生的电能进行功率变换输出24V和14V直流电，14V直流电从14V输出端输出给海洋浮标***为其供电，24V直流电从24V输出端输出给固体氧化物燃料电池***为其供电；或者，用于将蓄电池输出的电能变换为24V直流电为固体氧化物燃料电池***供电；
超级电容和蓄电池，其连接在DC/DC功率变换模块的14V输出端与海洋浮标***之间，超级电容和蓄电池的控制输入端还连接固体氧化物燃料电池***的控制输出端，用于接收固体氧化物燃料电池***的控制指令，当海洋浮标***在待机阶段，DC/DC功率变换模块的14V输出端输出电能为超级电容和蓄电池充电；当海洋浮标***在采样阶段，蓄电池输出电能为海洋浮标***补充功率；当海洋浮标***在数据发送阶段，超级电容为海洋浮标***提供瞬时峰值功率；当固体氧化物燃料电池***启动或者故障修复时，蓄电池输出电能并通过DC/DC功率变换模块变换得到24V直流电为固体氧化物燃料电池***供电；
还包括DC/AC逆变器，DC/AC逆变器的输入端通过输入开关连接DC/DC功率变换模块的24V输出端，DC/AC逆变器的输出端连接海洋浮标***，DC/AC逆变器用于将DC/DC功率变换模块的24V输出端输出的24V直流电转换为220V交流电，为在调试的海洋浮标***供电；
所述DC/DC功率变换模块采用BOOST升压拓扑电路；
所述DC/AC逆变器采用两级逆变，直流升压部分采用推挽拓扑电路；逆变部分采用SPWM波形控制全桥逆变电路。
2.根据权利要求1所述的面向海洋浮标的固体氧化物燃料电池能量管理***，其特征在于，所述直流升压部分采用SG3525控制芯片实现，所述逆变部分采用TDS1093芯片实现。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104113113A (zh) * 2014-07-01 2014-10-22 广东省微生物研究所 一种从有机物回收利用电能的电路***
CN107453467B (zh) * 2017-07-27 2020-07-10 华中科技大学 一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理***
CN107947147A (zh) * 2017-12-05 2018-04-20 上海电机学院 一种燃料电池联合供电***及能量管理方法
CN110247389A (zh) * 2019-06-26 2019-09-17 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 一种适用于并联式燃料电池供电***的能量管理控制***
CN112187044A (zh) * 2019-07-04 2021-01-05 北京德意新能科技有限公司 一种集成电池管理***的直流变换器
CN112994124A (zh) * 2019-12-12 2021-06-18 中国科学院大连化学物理研究所 一种水下组合能源供电方法及***
CN115833078B (zh) * 2022-12-12 2023-07-21 中国人民解放军空军预警学院 一种基于sofc的直流微型电网的能源优化方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101003298A (zh) * 2006-12-21 2007-07-25 天津大学 复合能源的自持式水下剖面浮标及其驱动方法
CN102837696A (zh) * 2012-06-25 2012-12-26 浙江大学城市学院 具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动力控制***

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1651512A4 (en) * 2003-07-31 2009-05-06 Solar Sailor Pty Ltd UNMANAGED SEA VEHICLE

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101003298A (zh) * 2006-12-21 2007-07-25 天津大学 复合能源的自持式水下剖面浮标及其驱动方法
CN102837696A (zh) * 2012-06-25 2012-12-26 浙江大学城市学院 具有在线监测功能的燃料电池叉车混合动力控制***

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
燃料电池-超级电容联合发电***的建模与仿真;黄捷等;《水电能源科学》;20120630;第30卷(第6期);第187页-第190页 *

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