CN107453467A - 一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，包括固体氧化物燃料电池、升压DC/DC、双向DC/DC变换器、锂电池、微控制器和海洋浮标。采集固体氧化物燃料电池的输出电流、升压DC/DC的输出电流、双向DC/DC变化器的输入端电流和海洋浮标的电流；微控制器通过AD采样模块接收以上电流信号，进行相应运算处理，精确控制锂电池的输入或输出电流，间接控制固体氧化物燃料电池的输出电流；整体实现负载功率突变下既补偿固体氧化物燃料电池功率输出动态响应的不足以及保证固体氧化物燃料电池安全稳定运行，又满足海洋浮标的功率需求。
Description
技术领域
本发明属于分布式电源发电领域，更具体地，涉及一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统。
背景技术
当前海洋浮标的供电方式基本是通过定期更换内部蓄电池来实现，这种供电方式存在供电时间短，成本高，补给困难等问题，直接制约着海洋浮标在海洋观测上的发展和应用。虽然部分海洋浮标以蓄电池和太阳能、风能等混合供电，减少了更换电池次数，但风能和太阳能存在不稳定的问题，使海洋浮标的能量供给受到限制。总之，海洋浮标在海洋监测中的应用、发展必须突破能源供给受限的挑战，解决远洋海洋浮标的能量供给问题对海洋浮标的发展和应用有着重要的意义。海洋浮标供能需要长期稳定、安全可靠的能量来源，而固体氧化物燃料电池符合这一要求，使得其在海洋浮标供能应用上相对其他供能方式优势明显。但固体氧化物燃料电池存在电能输出低动态响应的缺点，负载功率频繁变化会降低固体氧化燃料电池的电能转化效率同时也会增加固体氧化物燃料电池的控制难度，严重时则会影响固体氧化物燃料电池的安全运行。
由此可见，现有技术存在负载功率变化对固体氧化物燃料电池的影响较大，固体氧化物燃料电池的工作寿命较短，无法为海洋浮标提供安全稳定的电能的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，由此解决现有技术存在负载功率变化对固体氧化物燃料电池的影响较大，固体氧化物燃料电池的工作寿命较短，无法为海洋浮标提供安全稳定的电能的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，包括：固体氧化物燃料电池、升压DC/DC、双向DC/DC变换器、锂电池、微控制器和海洋浮标，
所述微控制器包括AD采样单元、PWM输出单元、数据处理单元和锂电池SOC估计单元，
AD采样单元接收固体氧化物燃料电池的输出电流、升压DC/DC的输出电压和输出电流、海洋浮标的电流、双向DC/DC变换器的输入端电流、锂电池的电压和电流；
锂电池SOC估计单元根据输入的锂电池的电压和电流得到锂电池的SOC值，并将结果传入数据处理单元；
数据处理单元接收AD采样单元传入的固体氧化物燃料电池的输出电流、升压DC/DC的输出电压和输出电流、海洋浮标的电流和锂电池SOC估计单元传入的锂电池SOC值，得到双向DC/DC变换器所需PWM值，并将PWM值传入PWM输出单元；
PWM输出单元接收PWM值，输出PWM控制信号，控制双向DC/DC变换器向直流母线输出或者输入电流，间接控制固体氧化物燃料电池输出电流。
进一步的，系统还包括：
电流传感器A0，用于采集固体氧化物燃料电池的输出电流；
电流传感器A1，用于采集升压DC/DC的输出电流；
电流传感器A2，用于采集双向DC/DC变换器的输入端电流；
电流传感器A3，用于采集海洋浮标的电流；
电流传感器A4，用于采集锂电池的电流；
电压传感器V1，用于采集升压DC/DC的输出电压；
电压传感器V2，用于采集锂电池的电压。
进一步的，双向DC/DC变换器，一方面通过电流传感器A4与锂电池连接，另一方面通过电流传感器A2与直流母线5连接。
进一步的，锂电池SOC估计单元对输入的锂电池的电压和电流采用开路电压法和卡尔曼滤波法处理，得到锂电池的初始SOC值，然后采用安时积分法估计锂电池的实时SOC值，为了防止电流采样误差积分带来的估计误差，不定时地采用卡尔曼滤波法进行SOC估计值的校正。
进一步的，PWM输出模块还用于输出占空比控制双向DC/DC变换器内部开关管导通关断，实现直流母线向锂电池输出或者输入电流。
进一步的，PWM控制信号为脉宽调制信号PWM。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)传统的固体氧化物燃料电池混合能量管理系统一般采用直接将锂电池连接到直流母线的方案，该方案中锂电池易受到大电流的冲击，影响其使用寿命，甚至存在爆炸的风险，且直流母线电压由锂电池电压决定，随着锂电池电压的下降，会影响海洋浮标的工作状态。本发明采用锂电池经双向DC/DC变换器连接到直流母线的方案，双向DC/DC变换器用于接收微控制器的PWM控制信号，控制锂电池向直流母线吸收或者释放的电流，本发明不仅能控制锂电池的充放电电流的大小，防止异常大电流的冲击，延长锂电池的使用寿命，而且能够使直流母线的电压稳定在海洋浮标所需的工作电压，从而保证负载安全可靠的运行。
(2)锂电池SOC估计单元一般采用开路电压法结合安时积分法估计锂电池的SOC值，使用这种传统的方案，SOC估计误差会随时间逐渐累加，导致误差越来越大，数据可靠性降低。本发明中采用开路电压法结合卡尔曼滤波法估计锂电池的初始SOC值，采用安时积分法估计锂电池的实时SOC值，并不定时采用卡尔曼滤波法进行SOC估计值的校正，卡尔曼滤波法的引入使SOC估计误差始终在1％以内，极大地提高了SOC估计精度，为系统的稳定运行提供了可靠的保障。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统的结构示意图。
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。
如图1所示，一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，包括：
粗线为电流线，细线为信号线。在电流线部分，固体氧化物燃料电池1输出的电能经升压DC/DC 3升压后，一方面，向海洋浮标18供电，另一方面，经双向DC/DC 8控压控流后，使锂电池11充电或放电。在信号线部分，AD采样单元12与5个电流传感器和2个电压传感器相连，5个电流采样模块分别是电流传感器A0、电流传感器A1、电流传感器A2、电流传感器A3和电流传感器A4，2个电压传感器分别是电压传感器V1和电压传感器V2，AD采样单元12接收并转换5个电流传感器的电流信号和2个电压传感器的电压信号，其中电流信号A4和电压信号V2传入锂电池SOC估计单元15，其余信号直接传入数据处理单元14；锂电池SOC估计单元15根据输入的电流信号A4和电压信号V2计算出锂电池的SOC值，并将结果传入数据处理单元14；数据处理单元14接收A/D转换单元12传入的电流信号、电压信号和锂电池SOC估计单元15传入的锂电池SOC值，经运算处理得出数字控制双向DC/DC变换器8所需PWM值，并将PWM值传入PWM输出单元13；PWM输出单元13与双向DCDC变换器相连，由其控制双向DC/DC变换器向直流母线5输出电流或者输入电流。
在使用时，固体氧化物燃料电池1用于产生系统所需电能；升压DC/DC用于将固体氧化物燃料电池1输出的电能升压到海洋浮标18所需工作电压；数字控制双向DC/DC变换器8用于接收微控制器16的PWM控制信号，控制锂电池11向直流母线5输出或输入的电流；锂电池11用于从直流母线输入多余的电能或向直流母线输出缺少的电能，保障海洋浮标18的稳定运行；AD采样单元12用于检测固体氧化物燃料电池输出电流、升压DCDC的输出电压和电流、海洋浮标电流、双向DC/DC输入端电流、锂电池电压和电流，并将检测信号传入锂电池SOC估计单元15和微控制器单元16；锂电池SOC估计单元15用于计算锂电池的SOC值，并向微控制器单元16输出锂电池SOC值；微控制器单元16用于输出PWM信号到数字控制双向DC/DC变换器8，间接控制固体氧化物燃料电池1的输出电流。
本发明所述系统中固体氧化物燃料电池实体主要是针对平板式固体氧化物燃料电池，实际应用过程中采用华中科技大学材料学院研制的平板式固体氧化物燃料电池。双向DCDC变换器电路采用英飞凌半导体公司生产的功率MOSFET型号为IRF3205，驱动电路采用安捷伦公司生产的光耦隔离MOS管专用驱动芯片HCPL-316，固体氧化燃料电池输出电流控制采用PI控制，微控制器输出PWM控制双向DCDC变换器向直流母线吸收或者释放电流，PWM波占空比大小由微控制器根据固体氧化物燃料电池输出电流设定值与电流采样值之差经PI计算得到；微控制器基于STM32F103搭建，片上集成12位的ADC单元、PWM输出单元和数据处理单元。
海洋浮标功率是周期性变化的，为了保证固体氧化物燃料电池的安全运行，需保证固体氧化物燃料电池输出电流在小幅度内变化。因此，海洋浮标功率的平均分量由固体氧化物燃料电池承担，其余分量由锂电池承担。为了防止正向梯度海洋浮标功率对固体氧化物燃料电池的冲击，控制器检测到负载电流中的正向梯度及时响应。为了锂电池有足够的容量吸收负载电流的负向梯度电流或者释放负载电流的正向梯度电流，锂电池SOC下限设为0.6，上限设为0.8。考虑到锂电池充放电过程中的能量损耗，锂电池SOC在工作一段时间后必然会下降，因此固体氧化物燃料电池需要对锂电池进行充电限制SOC的下降。固体氧化物燃料电池输出负载平均电流和锂电池充电电流，锂电池输出其余负载电流减去充电电流。当锂电池SOC大于0.8时，充电电流为-2A；当锂电池SOC小于0.6时，充电电流为2A。当负载功率或者负载电流波动不大情况下，固体氧化物燃料电池承担负载电流的平均电流和锂电池充电电流，锂电池承担剩余的负载电流减去锂电池充电电流；而负载电流突变情况下，固体氧化物燃料电池承担电流不变，锂电池则须额外承担突变的电流防止其对固体氧化物燃料电池的冲击。
为了防止锂电池频繁地充放电，延长锂电池的使用寿命，故设置锂电池充放电启动的负载电流变化阈值。固体氧化物燃料电池工作时，可以承受一定范围内的正向电流梯度，在一定时间内，固体氧化物燃料电池输出电流上升斜率小于一定程度，固体氧化物燃料电池电堆控制系统通过调节燃料量可以避免燃料亏空，保护固体氧化物燃料电池电堆的安全运行。对于负载电流的负向梯度电流，不会引起燃料的亏空，可以承受较大的负向梯度电流变化，但过大的负向梯度电流会导致燃料过剩，可能导致燃烧室的温度过高，因此也需要控制负向梯度电流变化率在一定范围内。在运行过程中，负载电流上升使锂电池所需释放电流大于电流变化阈值，则须控制锂电池释放能量承担高频分量保护固体氧化物燃料电池安全；负载电流突降使锂电池所需释放电流小于电流变化阈值，则说明负载负向梯度电流超过固体氧化物燃料电池电堆控制系统可以调节的范围，锂电池须吸收这部分多余的能量；负载电流变化在在电流变化阈值范围内，固体氧化物燃料电池电堆控制系统可以通过相应调节保证固体氧化物燃料电池电堆的安全运行，锂电池不用处理负载电流的变化。根据固体氧化物燃料电池电堆的实际控制情况，阈值选为1个采样周期内负载电流变化0.1A。负载电流正向梯度超过阈值范围，调整锂电池电流，若锂电池电流为正，则工作在放电模式，反之则工作在充电模式。
由此可见，本发明提出了一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，为海洋浮标供电提供了一个稳定可行的方案。基于该方案，数字控制双向DCDC变换器接受数字控制信号从直流母线吸收或者向直流母线释放电流，微控制器则只需要接收负载电流信号和锂电池SOC大小信号，进行相应运算处理，实现对固体氧化物燃料电池输出电流的控制，保证其安全稳定运行又能满足负载的功率需求。
因此，基于本发明所设计的海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统降低了负载功率变化对固体氧化物燃料电池的影响，提高了固体氧化物燃料电池的工作寿命，为海洋浮标提供了安全稳定的电能。相比较于传统的蓄电池供电方法，本供电系统工作寿命长，体积小，重量轻，安全稳定；此外，本发明系统中固体氧化物燃料电池能量转化效率高，系统整体效率高，本发明系统成本低，实用性强，有利于推广。
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 (6)
1.一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，其特征在于，包括：固体氧化物燃料电池(1)、升压DC/DC(3)、双向DC/DC变换器(8)、锂电池(11)、微控制器(16)和海洋浮标(18)，
所述微控制器(16)包括AD采样单元(12)、PWM输出单元(13)、数据处理单元(14)和锂电池SOC估计单元(15)，
AD采样单元(12)接收固体氧化物燃料电池(1)的输出电流、升压DC/DC(3)的输出电压和输出电流、海洋浮标(18)的电流、双向DC/DC变换器(8)的输入端电流、锂电池(11)的电压和电流；
锂电池SOC估计单元(15)根据输入的锂电池(11)的电压和电流得到锂电池的SOC值，并将结果传入数据处理单元(14)；
数据处理单元(14)接收AD采样单元(12)传入的固体氧化物燃料电池(1)的输出电流、升压DC/DC(3)的输出电压和输出电流、海洋浮标(18)的电流和锂电池SOC估计单元(15)传入的锂电池SOC值，计算得到双向DC/DC变换器(8)所需PWM值，并将PWM值传入PWM输出单元(13)；
PWM输出单元(13)接收PWM值，输出PWM控制信号，控制双向DC/DC变换器(8)向直流母线(5)输出或者输入电流，间接控制固体氧化物燃料电池输出电流。
2.如权利要求1所述的一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，其特征在于，所述系统还包括：
电流传感器A0(2)，用于采集固体氧化物燃料电池(1)的输出电流；
电流传感器A1(4)，用于采集升压DC/DC(3)的输出电流；
电流传感器A2(7)，用于采集双向DC/DC变换器(8)的输入端电流；
电流传感器A3(6)，用于采集海洋浮标(18)的电流；
电流传感器A4(9)，用于采集锂电池(11)的电流；
电压传感器V1(17)，用于采集升压DC/DC(3)的输出电压；
电压传感器V2(10)，用于采集锂电池(11)的电压。
3.如权利要求2所述的一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，其特征在于，所述双向DC/DC变换器(8)，一方面通过电流传感器A4(9)与锂电池(11)连接，另一方面通过电流传感器A2(7)与直流母线(5)连接。
4.如权利要求1或2或3所述的一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，其特征在于，所述锂电池SOC估计单元(15)对输入的锂电池(11)的电压和电流采用开路电压法和卡尔曼滤波法处理，得到锂电池的初始SOC值，然后采用安时积分法估计锂电池的实时SOC值，为了防止电流采样误差积分带来的估计误差，不定时地采用卡尔曼滤波法进行SOC估计值的校正。
5.如权利要求1或2或3所述的一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，其特征在于，所述PWM输出模块(13)还用于输出占空比控制双向DC/DC变换器(8)内部开关管导通关断，实现直流母线(5)向锂电池(11)输出或者输入电流。
6.如权利要求1或2或3所述的一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，其特征在于，所述PWM控制信号为脉宽调制信号PWM。
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