CN107947147A - 一种燃料电池联合供电***及能量管理方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池联合供电***，包括燃料电池模块、锂电池模块、超级电容模块、直流母线、负载模块、直流母线电压控制环、超级电容电压控制环、锂电池电压控制环、锂电池充电控制环、仿真软件、能量管理***，燃料电池模块包括：燃料电池、单向DCDC变换器、流量控制器、测量滤波器、脉宽调制器、电流控制器、负反馈输入端，单向DCDC变换器一端与直流母线的正负极相连，另一端与燃料电池相连接，测量滤波器设于燃料电池与单向DCDC变换器的正极之间，测量滤波器输出到电流控制器，电流控制器输出到脉宽调制器，脉宽调制器与单向DCDC相连接，流量控制器用于控制燃料电池的氢氧离子的含量，流量控制器的输入端连接负反馈输入端。

Description

一种燃料电池联合供电***及能量管理方法

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池设计技术领域，尤其涉及一种燃料电池联合供电***及能量管理方法。

背景技术

燃料电池是一种清洁高效的分布式电源，在催化剂作用下它能将含氢燃料的化学能直接转化为电能而无需燃烧过程。质子交换膜燃料电池(Proton exchange membranefuel Cell,简称PEMFC)作为最可能商业化的燃料电池，具有工作温度低、电流密度大、响应速度快等优点，具有广泛的应用前景；但PEMFC是一个复杂的电化学***，它根据负载功率要求实时调节反应气体的流量和压力，存在时间响应常数相对较慢特点，而且电化学反应容易受到湿度、温度和压力等外界参数干扰，导致输出电压更易波动，特别当负载频繁变动时，需要与外部的储能装置配合工作。为提高燃料电池***的能量密度和动态响应能力，将燃料电池与锂电池或超级电容等能源存储装置联合构成供电***，通过应用合适的能量管理策略，使得燃料利用率和带负载能力均能大幅提升，同时能减少负载频繁波动时燃料电池气路的往复调整，延长燃料电池的使用寿命。对燃料电池联合供电***的能量管理主要有状态机控制方法、基于经验规则的模糊逻的能量管理技术、模型预测控制或神经网络等方法，但都具有一定的使用缺陷。状态机控制方法虽然简明，但其管理策略取决于***以往经验规则，在两种状态边缘间存在的抖动，不利于平滑稳定控制；基于经验规则的模糊逻辑能量管理技术利用隶属度函数和If-Then规则，但需要规则设计者非常熟悉联合供电***各部分元件组成情况，并且需要以往的专家经验辅助设计；其它一些基于模型预测控制、神经网络等能量方法虽然通过精巧的设计和繁琐的数学计算能达到较好燃料利用率或效率，但整个推导计算过程十分复杂，对硬件设备实时计算处理能力要求较高，不利于实际工程应用推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池联合供电***及能量管理方法，以便提高对供电***的管理和对电池的合理利用。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种燃料电池联合供电***，包括燃料电池模块、锂电池模块、超级电容模块、直流母线、负载模块、直流母线电压控制环、超级电容电压控制环、锂电池电压控制环、锂电池充电控制环、仿真软件、能量管理***；

燃料电池模块包括：燃料电池、单向DCDC变换器、流量控制器、测量滤波器、脉宽调制器、电流控制器、负反馈输入端，单向DCDC变换器一端与直流母线的正负极相连，另一端与燃料电池相连接，测量滤波器设于燃料电池与单向DCDC变换器的正极之间，测量滤波器输出到电流控制器，电流控制器输出到脉宽调制器，脉宽调制器与单向DCDC相连接，流量控制器用于控制燃料电池的氢氧离子的含量，流量控制器的输入端连接负反馈输入端；

锂电池模块包括：锂电池、双向DCDC变换器、测量滤波器、电流控制器、脉宽调制器，双向DCDC变换器一端与直流母线的正负极相连，另一端与锂电池相连接，测量滤波器设于锂电池与双向DCDC变换器的正极之间，测量滤波器输出到电流控制器，电流控制器输出到脉宽调制器，脉宽调制器与双向DCDC变换器相连接；

超级电容模块包括：超级电容、DCDC变换器、测量滤波器、电流控制器、脉宽调制器，DCDC变换器一端与直流母线的正负极相连，另一端与超级电容相连接，测量滤波器设于锂电池与DCDC变换器的正极之间，测量滤波器输出到电流控制器，电流控制器输出到脉宽调制器，脉宽调制器与DCDC变换器相连接；

负载模块包括：三相负载和DCDC逆变器，DCDC逆变器一端与直流母线相连，另一端与三相负载连接；

能量管理***需要将燃料电池、锂电池和超级电容能量合理分配给负载，并在制动时需将反馈的能量回收以提高电能利用率。

所述单向DCDC变换器作为燃料电池电力变换器，它将燃料电池额定时的较低电压转化为较高的直流母线电压，升压变换器由高频电感L1、输出滤波电容C1、二极管D1和主开关S1组成，开关S2是备用的关断设备用于保护因S1损坏或调节器故障导致地燃料电池短路，升压变换器基于电流环控制，通过适当控制变换器开关S1的导通占空比系数；

双向DCDC变换器用于将直流母线与锂电池互联，使得蓄电池能充电放电，由高频电感L2、输出滤波电容C2、开关器件S3和S4组成，锂电池充电模式下，S3开关和S4的二极管作为单向降压变换器将直流母线电能输送给电池，电池放电模式下，S4开关和S3的二极管作为单向变换器将锂电池能量输送给直流母线，使用两象限斩波模型建模，通过占空比控制使得能量能双向流动；

所述燃料电池为质子交换膜燃料电池；

所述能量管理方法：该方法通过直流母线电压控制环、超级电容电压控制环、锂电池电压控制环、锂电池充电控制环和能量管理***计算出各环节时的能量守恒数据，使快速的储能设备完成直流总线电压调节，使得燃料电池平稳工作，而负载回馈能量时为储能设备充电，利用快速的超级电容完成直流总线电压调节，锂电池则将能量供给超级电容，而燃料电池则将能量供给锂电池，超级电容DCDC变换器实现直流母线电压调节，双向DCDC变换器用于维持超级电容充电状态时的剩余电量值，单向DCDC变换器则利用电池电压调节维持锂电池充电状态时的剩余电量值。

有益效果：

该***通过该能量管理方法，提高燃料电池***的能量密度和动态响应能力，将燃料电池与锂电池或超级电容等能源存储装置联合构成供电***，使得燃料利用率和带负载能力均能大幅提升，同时能减少负载频繁波动时燃料电池气路的往复调整，进而延长燃料电池的使用寿命。

附图说明

图1是本发明提出的一种燃料电池联合供电***的结构示意图；

图2是该***中单向DCDC变换器拓扑图；

图3是该***中双向DCDC变化器拓扑图；

图4是该***中直流母线电压控制环示意图；

图5是该***中超级电容电压控制环示意图；

图6是该***中锂电池电压控制环示意图；

图7是该***中锂电池充电控制环示意图；

图8是该***在仿真软件中各模块的实时功率图；

图9是该***在仿真软件中直流母线电压实时功率图；

图10是该***在仿真软件中燃料电池电压、电流和燃料消耗率的实时功率图；

图11是该***在仿真软件中锂电池电流、电压和SOC值的实时功率图；

图12是该***在仿真软件中超级电容电流和电压的实时功率图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1至图12所示，本发明提出的一种燃料电池联合供电***包括燃料电池模块、锂电池模块、超级电容模块、直流母线、负载模块、直流母线电压控制环、超级电容电压控制环、锂电池电压控制环、锂电池充电控制环、仿真软件、能量管理***；燃料电池模块包括：燃料电池、单向DCDC变换器、流量控制器、测量滤波器、脉宽调制器、电流控制器、负反馈输入端，单向DCDC变换器一端与直流母线的正负极相连，另一端与燃料电池相连接，测量滤波器设于燃料电池与单向DCDC变换器的正极之间，测量滤波器输出到电流控制器，电流控制器输出到脉宽调制器，脉宽调制器与单向DCDC相连接，流量控制器用于控制燃料电池的氢氧离子的含量，流量控制器的输入端连接负反馈输入端；锂电池模块包括：锂电池、双向DCDC变换器、测量滤波器、电流控制器、脉宽调制器，双向DCDC变换器一端与直流母线的正负极相连，另一端与锂电池相连接，测量滤波器设于锂电池与双向DCDC变换器的正极之间，测量滤波器输出到电流控制器，电流控制器输出到脉宽调制器，脉宽调制器与双向DCDC变换器相连接；超级电容模块包括：超级电容、DCDC变换器、测量滤波器、电流控制器、脉宽调制器，DCDC变换器一端与直流母线的正负极相连，另一端与超级电容相连接，测量滤波器设于锂电池与DCDC变换器的正极之间，测量滤波器输出到电流控制器，电流控制器输出到脉宽调制器，脉宽调制器与DCDC变换器相连接；负载模块包括：三相负载和DCDC逆变器，DCDC逆变器一端与直流母线相连，另一端与三相负载连接；能量管理***需要将燃料电池、锂电池和超级电容能量合理分配给负载，并在制动时需将反馈的能量回收以提高电能利用率。所述单向DCDC变换器作为燃料电池电力变换器，它将燃料电池额定时的较低电压转化为较高的直流母线电压，升压变换器由高频电感L1、输出滤波电容C1、二极管D1和主开关S1组成，开关S2是备用的关断设备用于保护因S1损坏或调节器故障导致地燃料电池短路，升压变换器基于电流环控制，通过适当控制变换器开关S1的导通占空比系数；双向DCDC变换器用于将直流母线与锂电池互联，使得蓄电池能充电放电，由高频电感L2、输出滤波电容C2、开关器件S3和S4组成，锂电池充电模式下，S3开关和S4的二极管作为单向降压变换器将直流母线电能输送给电池，电池放电模式下，S4开关和S3的二极管作为单向变换器将锂电池能量输送给直流母线，使用两象限斩波模型建模，通过占空比控制使得能量能双向流动；所述燃料电池为质子交换膜燃料电池；

质子交换膜燃料电池是复杂的非线性***，为准确分析质子交换膜燃料电池动态运行特性，有必要在时间维上，充分考虑其电化学反应过程，建立用于控制的电化学机理模型，预测出电池的发电动态过程，以确定升压需求。质子交换膜燃料电池的电化学机理模型由一组经验公式组成，用于预测燃料电池的输出电特性。单电池的输出电压V_cell主要由开路电压E、极化过电压η_act和欧姆过电压η_ohm组成：

V_cell＝E+η_act+η_ohm；

单电池的开路电压可Nernst(能斯特)等式表示如下：

电流密度i定义为电池电流除以电池有效面积：

i＝I_st/A；

极化过电压η_act可以由Tafel(塔菲尔)等式表示如下：

欧姆过电压可由欧姆定律表示：

式中R_int为单电池膜电阻，t_m为膜厚度，λ_m为膜水合含量。

N个单电池串联构成电堆，V_st为质子交换膜燃料电池输出电压，则输出功率为：

P_st＝V_stI_st＝NV_cellI_st；

相对其它储能电池，锂电池具有较高的能量密度和效率，能用于联合供电***的储能模块，锂电池的电压可表示为：

上式中E₀为电压常数，K为极化常数，Q为电池容量，i^*为滤波电池电流，it为实际电池电流充电时间，A_b为极化区幅值，B为反极化区域时间常数，R_b为电池内阻。充电时，电池电压逐步增加，其极化电阻为：

锂电池通过双向DCDC变换器连接直流母线，通过充放电功能提高联合***的带负载能力。

与直流母线电压匹配的超级电容器直接连接到直流母线上，借助于超级电容较大的电荷存储能力和快速的充放电响应速度，能进一步提高联合供电***的带负载能力和响应速度。超级电容器的容量可表示为：

考虑电阻损失的超级电容输出电压可表示为：

上式中R_SC为超级电容电阻，i_SC为超级电容电流。

针对质子交换膜燃料电池为主能源、锂电池和超级电容为辅的混合电源完成基于电压调节的控制策略，为协调直流母线与主电源燃料电池、储能设备之间的能量交换，定义三种运行模式：

充电模式，燃料电池将能量供给负载和储能设备；

放电模式，燃料电池和储能设备都对负载供电；

恢复模式，负载将能量供给储能设备；

本发明的联合供电***能量管理控制策略并不基于状态机定义，因此也不存在状态边缘的震动问题。本发明能量管理的基本思路就是使用快速的储能设备完成直流总线电压调节，使得燃料电池平稳工作，而负载回馈能量时为储能设备充电。利用快速的超级电容完成直流总线电压调节，锂电池则将能量供给超级电容，而燃料电池则将能量供给锂电池。因此，超级电容DCDC变换器实现直流母线电压调节，锂电池DCDC变换器用于维持超级电容充电状态SOC值，燃料电池DCDC变换器则利用电池电压调节维持锂电池充电状态SOC值。

直流母线电压控制环是利用直流母线能量E_BUS作为状态变量，超级电容输出电能作为操纵量，获得***的线性传递函数，如果忽略联合供电***的能量损耗，直流总线的能量与超级电容功率、锂电池功率和负载功率的关系由如下微分方程定义：

dE_BUS/dt＝p_SC(t)+p_LB(t)+p_FC(t)-p_LOAD(t)；

因此E_BUS/p_SC的传递函数可认为是纯积分环节。直流母线的能量可计算如下：

上式中C_BUS为直流母线的总电容量。分别通过直流总线给定电压V_BUSref和实际电压V_BUS获取总线能量给定值和总线能量测量值。超级电容功率给定值P_SCref通过PI控制器计算产生，使用一阶滤波器对E_BUS(t)进行滤波以减少开关谐波量。因此，只要超级电容的电流环比直流总线电压环快，就可将电流环看为纯单位增益，那么直流总线电压调节器的开环传递函数可表示为：

上式中K_e为比例增益，T_e为积分时间常数，T₁为能量滤波时间常数。将p_SCref除以超级电容测量电压值v_SCmea获取超级电容给定电流i_SCref(i_SCref限制在[V_SCmin V_SCmax]之间，V_SCmax为储能装置最大电压，最小电压V_SCmin通常为最大值V_SCmax的1/2，此时超级电容不再放电)。超级电容电流-电压饱和函数将i_SCref限制在最大充电电流I_SCmin(负值)和最大放电电流I_SCmax(正值)之间。

超级电容电压控制环的开环传递函数，能量守恒公式表示如下：

将上式变换为一阶***：

上式中，V_BUS为直流总线标称电压，V_SC为超级电容标称电压，V_LB为锂电池标称电压，V_FC为燃料电池标称电压，I_LB为锂电池标称电流，I_FC为燃料电池标称电流。传递函数可认为是纯积分环节，增益取决于工作点。

因为超级电容的容量很大，积分作用会使闭环***不稳定，因此只需使用比例控制器，且只要比例增益较大时稳态误差就比较小，超级电容电压闭环传递函数表示如下：

上式中，一阶滤波器用于超级电容电压测量时减少开关谐波量。根据锂电池的工作特点，控制器的输出信号需要限制幅值和斜率，因此锂电池DCDC变换器电流环的给定信号i_LBref需要限制在最大充电电流I_LBch(负值)与最大放电电流I_LBdis(正值)之间，并且锂电池充放电斜坡限制是为保证锂电池的安全运行。为获取线性传递函数，锂电池的动态特性由二阶滤波器F2表示，其中ω_n2和ξ₂为调节参数。锂电池充电方法是恒电流、恒电压充电方法，电池充电电流恒定，最大充电电流I_LBch通常设置为Q_LB/5到Q_LB/10之间，目前技术下当锂电池实际电压v_LB远小于锂电池电压给定值v_LBref时设置I_LBch为Q_LB，v_LB接近于v_LBref时减小充电电流，v_LB等于v_LBref时充电电流设置为零。这种充电方法的主要问题在于锂电池容量Q_LB并非常数，它由放电深度、充放电次数、温度、充放电管理技术、较低或较高SOC时保持时间、锂电池维护条件、电流谐波和过充电频率等因素共同决定。这里采用P控制器产生锂电池充电电流，将充电电流定义为负放电电流定义为正，则控制信号必须取反。定义ΔV_LB为锂电池电压范围，那么控制器比例增益表示为：

K_LB＝I_LBch/ΔV_LB

锂电池充电控制环输出i_LBcom即为锂电池充电控制环给定，利用P控制器产生燃料电池给定电流i_FCref，并且幅值限定在燃料电池最小电流I_FCmin(设定为0)燃料电池最大电流I_FCmax(对应额定电流)之间，斜率限定在燃料电池安全工作范围内，只要比例增益K_iLB足够大就能使静态误差足够小，锂电池充电控制环可表示为：

上式中，一阶低通滤波器用于锂电池电流测量时减少电流开关谐波量，并且燃料电池斜率需限制在一定范围内以保证燃料电池的安全运行。为获取线性传递函数，燃料电池的动态特性由二阶滤波器F1表示，其中ω_n1和ξ₁为调节参数。

所述能量管理方法：该方法通过直流母线电压控制环、超级电容电压控制环、锂电池电压控制环、锂电池充电控制环和能量管理***计算出各环节时的能量守恒数据，使快速的储能设备完成直流总线电压调节，使得燃料电池平稳工作，而负载回馈能量时为储能设备充电，利用快速的超级电容完成直流总线电压调节，锂电池则将能量供给超级电容，而燃料电池则将能量供给锂电池，超级电容DCDC变换器实现直流母线电压调节，双向DCDC变换器用于维持超级电容充电状态剩余电量值，单向DCDC变换器则利用电池电压调节维持锂电池充电状态剩余电量值。

在一实施例中利用仿真软件对本发明的燃料电池联合供电***进行数值仿真，验证本发明控制策略的有效性能。仿真用的联合供电***由如下模块组成：

(1)额定功率10KW额定电压45V的质子交换膜燃料电池；

(2)额定电压48V容量40Ah的锂电池***；

(3)额定电压291V电容15.6F的超级电容器；

(4)额定12.5KW燃料电池DCDC升压变换器；

(5)两个双向DCDC变换器；

(6)15KVA容量270V输入直流母线，220V电压、50HZ频率交流逆变负载。

通过图8至图12可看出本能量管理策略能维持直流母线电压稳定，并满足负载实时功率需求。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域的技术人员了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种燃料电池联合供电***，包括燃料电池模块、锂电池模块、超级电容模块、直流母线、负载模块、直流母线电压控制环、超级电容电压控制环、锂电池电压控制环、锂电池充电控制环、仿真软件、能量管理***，其特征在于：

燃料电池模块包括：燃料电池、单向DCDC变换器、流量控制器、测量滤波器、脉宽调制器、电流控制器、负反馈输入端，单向DCDC变换器一端与直流母线的正负极相连，另一端与燃料电池相连接，测量滤波器设于燃料电池与单向DCDC变换器的正极之间，测量滤波器输出到电流控制器，电流控制器输出到脉宽调制器，脉宽调制器与单向DCDC相连接，流量控制器用于控制燃料电池的氢氧离子的含量，流量控制器的输入端连接负反馈输入端；

锂电池模块包括：锂电池、双向DCDC变换器、测量滤波器、电流控制器、脉宽调制器，双向DCDC变换器一端与直流母线的正负极相连，另一端与锂电池相连接，测量滤波器设于锂电池与双向DCDC变换器的正极之间，测量滤波器输出到电流控制器，电流控制器输出到脉宽调制器，脉宽调制器与双向DCDC变换器相连接；

超级电容模块包括：超级电容、DCDC变换器、测量滤波器、电流控制器、脉宽调制器，DCDC变换器一端与直流母线的正负极相连，另一端与超级电容相连接，测量滤波器设于锂电池与DCDC变换器的正极之间，测量滤波器输出到电流控制器，电流控制器输出到脉宽调制器，脉宽调制器与DCDC变换器相连接；

负载模块包括：三相负载和DCDC逆变器，DCDC逆变器一端与直流母线相连，另一端与三相负载连接；

能量管理***需要将燃料电池、锂电池和超级电容能量合理分配给负载，并在制动时需将反馈的能量回收以提高电能利用率。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池联合供电***，其特征在于：

所述单向DCDC变换器作为燃料电池电力变换器，它将燃料电池额定时的较低电压转化为较高的直流母线电压，升压变换器由高频电感L1、输出滤波电容C1、二极管D1和主开关S1组成，开关S2是备用的关断设备用于保护因S1损坏或调节器故障导致地燃料电池短路，升压变换器基于电流环控制，通过适当控制变换器开关S1的导通占空比系数。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池联合供电***，其特征在于：

双向DCDC变换器用于将直流母线与锂电池互联，使得蓄电池能充电放电，由高频电感L2、输出滤波电容C2、开关器件S3和S4组成，锂电池充电模式下，S3开关和S4的二极管作为单向降压变换器将直流母线电能输送给电池，电池放电模式下，S4开关和S3的二极管作为单向变换器将锂电池能量输送给直流母线，使用两象限斩波模型建模，通过占空比控制使得能量能双向流动。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池联合供电***，其特征在于：

所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。

5.一种使用权利要求1所述的一种燃料电池联合供电***的能量管理方法，其特征在于：

所述能量管理方法：该方法通过直流母线电压控制环、超级电容电压控制环、锂电池电压控制环、锂电池充电控制环和能量管理***计算出各环节时的能量守恒数据，使快速的储能设备完成直流总线电压调节，使得燃料电池平稳工作，而负载回馈能量时为储能设备充电，利用快速的超级电容完成直流总线电压调节，锂电池则将能量供给超级电容，而燃料电池则将能量供给锂电池，超级电容DCDC变换器实现直流母线电压调节，双向DCDC变换器用于维持超级电容充电状态时的剩余电量值，单向DCDC变换器则利用电池电压调节维持锂电池充电状态时的剩余电量值。