CN102074997A - 一种燃料电池和蓄电池的应急电源能量管理系统 - Google Patents

一种燃料电池和蓄电池的应急电源能量管理系统 Download PDF

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张传升
宁皓
李国平
周苏
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池和蓄电池的应急电源能量管理系统，根据对启动时间、蓄电池SOC值、负载功率、系统效率各参数的设置，实现应急策略。本发明启动时间短、燃料效率高、响应时间高，应用范围非常广泛，特别是在对环境有较高要求的公共场所，例如医院、机场、地铁站等建筑物的应急电源系统中有着广阔的应用前景。

Description

一种燃料电池和蓄电池的应急电源能量管理系统
技术领域
本发明涉及应急电源系统，具体涉及一种燃料电池和蓄电池的应急电源能量管理系统。
背景技术
现有的燃料电池和蓄电池应急电源系统的结构如图1所示。图中给出了两种配置方式，其工作原理都相同。系统有两种能量源，分别为1燃料电池和2蓄电池，图中的3作为电压调节，使得1输出电压和2的电压相匹配；4将直流电转换为交流电，提供给负载使用。由于燃料电池启动时间的限制，在后备电源系统中必须使用蓄电池来缩短转换时间，减少电源切换对负载的影响。由于存在两个能量源，系统如何合理地分配输出功率，对提高系统效率具有至关重要的作用。
美国专利局2002年7月公布的专利US 2002/0095247A1中，Yi Ding等人提出了一种无权基于蓄电池荷电状态(SOC)值进行功率分配的方法。该方法将SOC值划分为几个区域，根据蓄电池SOC值所处的区域，决定燃料电池如何工作以及是否对蓄电池充/放电。但文中并未提及具体的功率分配方案，也没有提及当需求功率过大时的处理方法。
中国专利局2004年2月公布的专利CN 1476396A中，提供了一种混合动力系统，使用一个与各种动力源分配选项有关的成本函数来改善动力源的分配，使得动力分配控制在一个最佳总成本的水平。但是文中没有给出成本函数的表达式，而且其应用范围局限于混合动力车辆。
中国专利局2004年10月公布的专利CN 1539673A中，提出一种实时的燃料电池混合动力系统的功率分配方法，从学电池和燃料电池系统各自局部最优的角度去考虑功率分配，然后从全局的角度出发，让两者相互折中，使得系统全局的性能最优，从而提高混合动力系统的能量效率。但该技术仅适用于混合动力车辆的功率分配控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种燃料电池和蓄电池的应急电源能量管理系统，通过设定的规则进行功率分配，使得燃料电池和蓄电池应急电源系统工作时，能够根据负载功率、蓄电池SOC值，转换工作方式，优化系统的输出性能。
本发明的应急电源能量管理系统的工作状态划分为以下6类：
  状态符号   状态含义
  S0   燃料电池怠速工作
  S1   燃料电池怠速工作并给蓄电池充电
  S2   燃料电池给负载供电
  S3   蓄电池给负载供电，燃料电池启动
  S4   燃料电池给负载供电并给蓄电池充电
  S5   停机
根据蓄电池SOC值，分为以下5个工作范围：
  分类代码   SOC范围
  SOC1   ＞80％
  SOC2   70-80％
  SOC3   50-70％
  SOC4   30-50％
  SOC5   0-30％
根据负载功率，将燃料电池工作范围划分为以下3个：
  分类代码   负载功率
  W1   ＞30％额定功率
  W2   0-30％额定功率
  W3   0
本发明的应急电源系统还包括以下16种状态转换方式：
  转换代码   含义
  T1   由蓄电池给负载供电转换为燃料电池给负载供电
  T2   由蓄电池给负载供电转换为燃料电池给负载供电并给蓄电池充电
  T3   由蓄电池给负载供电转换为燃料电池给蓄电池充电
  T4   由燃料电池给负载供电转换为燃料电池给负载供电并给蓄电池充电
  T5   由燃料电池给负载供电转换为燃料电池给蓄电池充电
  T6   由燃料电池给负载供电转换为燃料电池怠速运行
  T7   由燃料电池给负载供电并给蓄电池充电转换为停机
  T8   由燃料电池给负载供电并给蓄电池充电转换为燃料电池给负载供电
  T9   由燃料电池给负载供电并给蓄电池充电转换为燃料电池给蓄电池充电
  T10   由燃料电池给负载供电并给蓄电池充电转换为燃料电池怠速运行
  T11   由燃料电池给负载供电并给蓄电池充电转换为停机
  T12   由燃料电池给蓄电池充电转换为燃料电池给负载供电
  T13   由燃料电池给蓄电池充电转换为燃料电池给负载供电并给蓄电池充电
  T14   由燃料电池给蓄电池充电转换为燃料电池怠速运行
  T15   由燃料电池怠速运行转换为燃料电池给负载供电
  T16   由燃料电池怠速运行转换为停机
为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案来实现：
所述燃料电池和蓄电池的应急电源能量管理系统，包括对启动时间、蓄电池SOC值、负载功率、系统效率各参数的设置，具体步骤如下：
(1)设置紧急启动按键，紧急启动时，由蓄电池向负载提供功率，同时启动燃料电池，待燃料电池输出功率稳定后，切换为燃料电池向负载提供功率，即S3转换为S2。
(2)正常启动时，蓄电池不工作，燃料电池输出功率稳定后，应急电源才能向负载输出功率，即S2。
(3)当负载功率大于额定功率的30％时，燃料电池工作，不向蓄电池充电。
(4)当负载功率为0-30％，蓄电池SOC大于70％时，燃料电池工作，不向蓄电池充电。
(5)当负载功率为0-30％，蓄电池SOC为0-70％时，燃料电池工作，向蓄电池充电。
(6)当负载功率为0，蓄电池SOC为0-70％时，燃料电池工作，向蓄电池充电。
(7)当负载功率为0，蓄电池SOC大于70％时，燃料电池工作，不向蓄电池充电。
(8)停机时，蓄电池SOC为0-70％时，燃料电池工作，向蓄电池充电，充电至SOC＝70％结束。
所述该系统的能量源由燃料电池和蓄电池组成，燃料电池输出电压通过DC/DC变换器与蓄电池相连，直流电压通过DC/AC变换为交流电，提供给外部负载。
本发明的应急电源能量管理系统，启动时间短、燃料效率高、响应时间短，而且燃料电池应急电源不排放有害废气，应用范围非常广泛，特别是在对环境有较高要求的公共场所，比如医院、机场、地铁站等建筑物的应急电源系统中有着广阔的应用前景。
附图说明
图1为现有的燃料电池应急电源系统的结构框图。
图2为本发明的燃料电池应急电源系统的工作状态图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例进一步描述本发明的技术方案。
实施例1：定负荷工况
步骤1：启动阶段
如图1所示，为现有燃料电池应急电源系统的结构框图，包括图A(方式一)和图B(方式二)。本发明的应急电源系统是在该现有技术的基础上的进一步研究和优化。
如图2所示，为本发明的燃料电池应急电源系统的工作状态图，包括5种工作状态和16种状态转换方式(如前所述)。当应急电源接收到紧急启动指令后，进入状态S3，立即开启DC/AC(参看图1中的A方式一)或者DC/DC和DC/AC(参看图1中的B方式二)，由蓄电池向负载供电；同时开启燃料电池相应管路，使燃料电池进入启动状态。燃料电池输出电压达到正常值后，转换为状态S2(负载＞30％额定负载)，由燃料电池向负载供电。
步骤2：工作阶段
燃料电池给负载供电(状态S2)。
步骤3：停机阶段
转换为状态S1，由燃料电池给蓄电池充电，至蓄电池SOC达到70％后转换为状态S5，停机。
实施例2：变负荷工况
步骤1：启动阶段
应急电源接收到紧急启动指令后，进入状态S3，立即开启DC/AC(参看图1中的A方式一)或者DC/DC和DC/AC(参看图1中的B方式二)，由蓄电池向负载供电；同时开启燃料电池相应管路，使燃料电池进入启动状态。燃料电池输出电压达到正常值后，根据负荷变换状态。如果负荷＞30％额定负荷，转换为状态S2，由燃料电池给负载供电；如果负荷＜30％额定负荷，转换为状态S4(30％额定负载＞负载＞0)，由燃料电池给负载供电并给蓄电池充电。
步骤2：工作阶段
根据负荷和蓄电池SOC，转换状态。
步骤3：停机阶段
如果蓄电池SOC＞70％，转换为状态S5，停机；否则，转换为状态S1，由燃料电池给蓄电池充电，至蓄电池SOC达到70％后转换为状态S5，停机。

Claims (8)

1.一种燃料电池和蓄电池的应急电源能量管理系统，其特征在于，包括对启动时间、蓄电池SOC值、负载功率、系统效率各参数的设置，具体步骤如下：
(1)首先设置紧急启动按键，紧急启动时，由蓄电池向负载提供功率，同时启动燃料电池，待燃料电池输出功率稳定后，切换为燃料电池向负载提供功率；
(2)正常启动时，蓄电池不工作，燃料电池输出功率稳定后，应急电源才能向负载输出功率。
2.根据权利要求1所述的应急电源能量管理系统，其特征在于，当负载功率大于额定功率的30％时，燃料电池工作，不向蓄电池充电。
3.根据权利要求1所述的应急电源能量管理系统，其特征在于，当负载功率为0-30％，蓄电池SOC大于70％时，燃料电池工作，不向蓄电池充电。
4.根据权利要求1所述的应急电源能量管理系统，其特征在于，当负载功率为0-30％，蓄电池SOC为0-70％时，燃料电池工作，向蓄电池充电。
5.根据权利要求1所述的应急电源能量管理系统，其特征在于，负载功率为0，蓄电池SOC为0-70％时，燃料电池工作，向蓄电池充电。
6.根据权利要求1所述的应急电源能量管理系统，其特征在于，负载功率为0，蓄电池SOC大于70％时，燃料电池怠速工作，不向蓄电池充电。
7.根据权利要求1所述的应急电源能量管理系统，其特征在于，停机时，蓄电池SOC为0-70％时，燃料电池工作，向蓄电池充电，充电至SOC＝70％结束。
8.根据权利要求1至7任一项所述的应急电源能量管理系统，其特征在于，所述系统的能量源由燃料电池和蓄电池组成，燃料电池输出电压通过DC/DC变换器与蓄电池相连，直流电压通过DC/AC变换为交流电，提供给外部负载。
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