CN108493465B - 一种固体氧化物燃料电池的混合能量控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池的混合能量控制系统及控制方法，控制系统包括信号采集器、状态估计器、控制器、可控升压DC/DC变换器、双向DC/DC变换器及流量调节器；信号采集器包括用于采集锂电池组的电压、电流及温度，负载电流及可控升压DC/DC变换器电压的采样器，状态估计器根据锂电池组的电压、电流及温度获得锂电池组的SOC；控制器根据负载电流和双向DC/DC变换器输出端电压获得负载功率，控制器根据负载功率及锂电池组的SOC确定锂电池组工作状态和电堆输出功率，输出双向DC/DC变换器和可控升压DC/DC变换器的控制信号，SOFC电堆系统燃料流量、空气流量及流量附加控制信号，流量调节器控制SOFC电堆系统。

Description

一种固体氧化物燃料电池的混合能量控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池发电领域，更具体地，涉及一种固体氧化物燃料电池的混合能量控制系统及控制方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种在中高温环境下通过电化学反应将化石燃料的化学能直接转换为电能并生成水的发电装置。与传统发电方式相比，SOFC不存在机械运动和燃烧过程，不受卡诺循环的限制，极大地减少了噪声和尾气污染，提高了燃料利用率。与质子交换膜燃料电池(PEMFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)相比，SOFC为全固体结构，无需Pt等贵金属电极材料，具有制造成本低、无漏液腐蚀、无电极毒化、燃料来源广泛等优点。因此，SOFC作为固定电站或移动电源在大型集中供电、中小型分布式供电等领域具有广阔的市场，被誉为本世纪最具前景的绿色能源。

SOFC具有输出电压低、电流变化范围大和动态响应慢的特点。当负载功率突增时，SOFC需立即增大输出电流以跟踪负载功率，由于产生电流的电化学反应可瞬间增快，而燃料供给需数秒响应时间，SOFC电堆可能因燃料供给不及时造成电池片穿孔，产生不可逆转的损坏。因此，SOFC通常采用超级电容、蓄电池或锂电池作为辅助储能装置组成混合电源，以应对负载的功率突变。能量管理系统则是根据混合电源中检测的电信号和温度信号，基于能量管理基本策略和具体控制算法，合理地分配SOFC和锂电池的输出功率，以实现负载功率的快速跟踪和保障SOFC与锂电池的安全稳定。

近年来，以美国、德国、日本为代表的发达国家投入了大量的人力和资金致力于开发SOFC独立发电系统，针对能量管理系统的设计和实现也有较多研究论证，但目前国内外有关SOFC混合能量管理的研究存在以下缺陷：(1)系统输出功率动态响应慢，需百秒级响应时间以跟踪负载功率，尤其是在响应较大的功率突增时，容易产生SOFC电堆内部的燃料亏空现象；(2)系统频繁地进行不同功率模式的切换时，SOFC电堆和燃烧室内部的气体温度容易超出安全约束范围，难以有效解决负载快速跟踪和温度安全约束相协调的问题，同时，整体系统效率显著降低；(3)忽略了对锂电池充放电电流和剩余容量的管控，导致锂电池的工作寿命变短，无法满足远洋、极地等需要长期独立运行的应用场景。

发明内容

针对现有研究的不足，本发明提供一种固体氧化物燃料电池的混合能量控制系统，包括：信号采集器、状态估计器、控制器、可控升压DC/DC变换器、双向DC/DC变换器及流量调节器；其中，信号采集器包括电池温度采样器，负载电流采样器，电池电压采样器，变换器电压采样器及电池电流采样器；

双向DC/DC变换器的输入端用于同锂电池组连接，双向DC/DC变换器的输出端用于同负载连接，可控升压DC/DC变换器的输入端用于同SOFC电堆连接，可控升压DC/DC变换器的输出端用于同负载连接，状态估计器的三个输入端依次同电池电压采样器、电池电流采样器及电池温度采样器连接，流量调节器的输入端与控制器的输出端连接；

负载电流采样器检测负载电流，变换器电压采样器检测可控升压DC/DC变换器的输出端电压，电池电压采样器、电池电流采样及电池温度采样器分别用于采集锂电池组的电压、电流及温度，状态估计器用于根据锂电池组的电压、电流及温度获得锂电池组的SOC值；控制器根据负载电流和可控升压DC/DC变换器输出端电压获得负载功率，控制器根据负载功率及锂电池组的SOC值确定锂电池组的工作状态和电堆输出功率，并输出双向DC/DC变换器的控制信号、可控升压DC/DC变换器的控制信号及SOFC系统的燃料流量控制信号、空气流量控制信号及空气流量附加控制信号，流量调节器用于根据SOFC系统的燃料流量控制信号、空气流量控制信号及空气流量附加控制信号依次控制SOFC系统中流量计的流速、鼓风机的转速和旁路阀的开度。

优选地，能量控制系统中信号采集器还包括变换器电流采样器，可控升压DC/DC变换器的输出端通过变换器电流采样器同负载连接；变换器电流采样器用于采样可控升压DC/DC变换器的输出电流；

控制器根据负载功率及锂电池组的SOC值确定锂电池组的工作状态和电堆输出功率，进而确定SOFC电堆输出电流的设定值，将SOFC电堆输出电流的设定值转化为可控升压DC/DC变换器输出电流设定值，并对可控升压DC/DC变换器输出电流设定值和可控升压DC/DC变换器输出电流实际值的差值进行PI控制，生成可控升压DC/DC变换器的控制信号，实现对SOFC电堆输出电流闭环控制；

控制器同时根据空气过量比、燃料利用率及SOFC电堆输出电流的设定值确定SOFC系统的燃料流量控制信号和空气流量控制信号。

优选地，能量控制系统中信号采集器还包括燃烧室温度采样器和电堆温度采样器，燃烧室温度采样器的输出端和电堆温度采样器的输出端均同控制器连接，控制器通过检测燃烧室温度和燃烧室温度设定值的差值进行滑模PID控制，实现对燃料流量控制信号和空气流量控制信号的修正。

优选地，控制器通过检测电堆空气入口温度和电堆空气入口温度设定值的差值进行滑模PID控制，实现对燃料流量控制信号和空气流量控制信号的修正。

优选地，控制器通过对电堆燃料入口温度和电堆空气入口温度的温度差值和温度差值设定值的差值进行滑模PID控制，输出空气流量附加控制信号，实现对SOFC系统中旁路阀的控制。

作为发明的另一方面，本发明提供一种基于上述混合能量控制系统的控制方法，包括如下步骤：

S110判断锂电池组的SOC是否在0.15≤SOC＜0.40区间，若是，则进入步骤S120，否则，进入步骤S130；

S120当锂电池组SOC在0.15≤SOC＜0.40区间，根据负载需求功率P_load、锂电池最佳充电功率P_charopt和SOFC电堆模式功率之间关系确定SOFC电堆放电功率和锂电池交换功率后，返回重新估计锂电池组的SOC值；

S130判断锂电池组的SOC是否在0.40≤SOC≤0.80区间，若是，则进入步骤S140，否则，进入步骤150；

S140当锂电池组SOC在0.40≤SOC≤0.80区间，根据负载需求功率P_load、锂电池最大充电功率P_charmax和SOFC电堆模式功率之间关系确定SOFC电堆放电功率和锂电池交换功率后，返回重新估计锂电池组的SOC值；

S150判断锂电池组的SOC是否在0.80＜SOC≤0.95区间，若是，则进入步骤S160，否则，进入步骤170；

S160在0.80＜SOC≤0.95区间，根据负载需求功率P_load和SOFC电堆模式功率之间关系确定SOFC电堆放电功率和锂电池交换功率后，返回重新估计锂电池组的SOC值；

S170让SOFC系统强制停机。

优选地，步骤S120包括如下子步骤：

S121判断负载需求功率P_load和锂电池最佳充电功率P_charopt之和是否小于SOFC电堆最佳功率P_fcopt，若是，则SOFC电堆放电功率为P_fcopt，锂电池组充电功率为P_fcopt-P_load；否则，进入步骤S122；

S122判断负载需求功率P_load和锂电池最佳充电功率P_charopt之和是否小于SOFC电堆最大功率P_fcmax，若是，则SOFC电堆放电功率为P_load+P_charopt，锂电池组充电功率为P_charopt；否则进入步骤S123；

S123 SOFC电堆放电功率为P_fcmax，锂电池组交换功率为P_load-P_fcmax。

优选地，步骤S140包括如下子步骤：

S141判断负载需求功率P_load和锂电池最大充电功率P_charmax之和是否小于SOFC电堆最佳功率P_fcopt，若是，则SOFC电堆放电功率为P_load+P_charmax，锂电池组充电功率为P_charmax，否则，进入步骤S142；

S142判断负载需求功率P_load是否小于SOFC电堆最佳功率P_fcopt，若是，则SOFC电堆放电功率为P_fcopt，锂电池组充电功率为P_fcopt-P_load；否则，进入步骤S143；

S143判断负载需求功率P_load是否小于SOFC电堆最大功率P_fcmax，若是，则SOFC电堆放电功率为P_load，锂电池组不对外供电；否则，进入步骤S144；

S144 SOFC电堆放电功率为P_fcmax，锂电池组放电功率为P_load-P_fcmax。

优选地，步骤S160包括如下子步骤：

S161判断负载需求功率P_load是否小于SOFC电堆最小功率P_fcmin，若是，则SOFC电堆放电功率为P_fcmin，锂电池组充电功率为P_fcmin-P_load；否则，进入步骤S162；

S162判断负载需求功率P_load是否小于SOFC电堆最大功率P_fcmax，若是，则SOFC电堆放电功率为P_load，锂电池组不对外供电；否则，进入步骤S163；

S163 SOFC电堆放电功率为P_fcmax，锂电池组放电功率为P_load-P_fcmax。

优选地，步骤110之前还包括步骤180：根据锂电池组的电压、电流及温度采用无迹卡尔曼滤波算法获得锂电池组的SOC值；具体包括如下步骤：

S181基于无迹变换计算得到sigma点及其权值；

S182根据状态方程

得到k+1时刻的SOC预测值SOC_k+1；

S183根据输出方程

更新得到k+1时刻的单节锂电池的端点电压

其中，当锂电池充电时，根据公式

获得k时刻的单节锂电池的开路电压；当锂电池放电时，根据公式

获得k时刻的单节锂电池的开路电压；

S184根据sigma点及其权值和单节锂电池的端点电压的更新值对k+1时刻的SOC预测值进行修正，获得k+1时刻的SOC的最优值；

其中，SOC'_k是k时刻SOC最优值，η_I表示单节锂电池的库伦效率，ΔT表示采样时间，Q_t表示单节锂电池的实际容量，I_k为k时刻电池采样电流，W_k表示k时刻系统的过程噪声；

为k时刻的单节锂电池的开路电压，

和

分别表示2个RC环的端电压；V_k表示k时刻系统测量噪声，R_o、C₁和C₂充放电变方向二阶RC等效电路模型中电路模型参数。

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，主要具备以下的技术优点：

(1)本发明以SOFC电堆输出负载平均功率，锂电池组释放或吸收负载突变功率为基本策略，采用前馈与滑模PID反馈控制算法实现温度控制，采用滞环状态机与PI反馈控制算法实现电量控制，实现了在满足温度约束条件下负载跟踪的快速性和锂电池SOC的可控性，避免了SOFC电堆内部的燃料亏空现象，有效地提高了系统整体效率。

(2)本发明采用双向DC/DC变换器将直流母线电压匹配至锂电池组的端电压，并实现锂电池组充放电电流的管控，防止了异常大电流对锂电池组的冲击，延长了其使用寿命；同时，采用PLC作为二级控制器，保证了执行器控制的可靠性。

(3)本发明对SOFC电堆输出电流进行PI控制，保证SOFC电堆输出电流变化梯度控制在±2A/min以内，并利用可控升压DC/DC变换器的输出电流调整SOFC电堆输出电流指定值，实现精确控制电堆输出功率。

(4)本发明基于充放电变方向二阶RC等效电路模型，引入无迹卡尔曼滤波算法在线估计单节锂电池的SOC，该算法的估计误差在±1.2％以内，收敛时间降至63s，有效消除了初始误差和测量误差对SOC估计结果的不利影响，更高的SOC估计精度也保证了热电协同控制算法运算结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种固体氧化物燃料电池的混合能量管理系统控制系统的功能框图；

图2为本发明另一个实施例提供的一种固体氧化物燃料电池的混合能量管理系统控制系统的功能框图；

图3为本发明另一个实施例中控制器的控制框图；

图4为本发明另一个实施例提供的一种固体氧化物燃料电池的混合能量管理系统控制系统的功能框图；

图5为本发明另一个实施例中控制器的控制框图；

图6为本发明另一实施例中提供的一种固体氧化物燃料电池的混合能量管理系统控制系统的控制方法的流程图；

图7为本发明另一个实施例中控制方法的状态估计算法原理图；

图8为本发明另一个实施例中电压采样器和电流采样器中采用的二级差分运放电路原理图。

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。

本发明以SOFC系统为主电源、锂电池组为辅助电源组成混合电源，设计了一种基于SOFC状态和锂电池组状态的能量控制系统，此系统包括完整的硬件结构和相应的状态估计与具体控制方法，具有功率调节、温度可控、故障处理、数据监测与存储的功能，有效地提高了系统效率，避免了SOFC电堆内部的燃料亏空现象，延长了SOFC电堆和锂电池组的使用寿命，进一步拓展了SOFC独立发电系统的应用范围。

SOFC系统包括换热器、SOFC电堆、燃烧室，换热器输入端分别通过流量计、鼓风机分别接入燃料和空气，换热器其中一个输出端通过旁路阀与SOFC电堆连接，另一个输出端直接同SOFC电堆连接，鼓风机输出端同时接入旁路阀，流量计和鼓风机分别用于控制燃料的流量、空气的流量，进而实现对SOFC电堆内部及入口处的气体温度控制。旁路阀通过控制鼓风机通入气体控制SOFC电堆入口的温度差。

实施例一

如图1所示，本发明一个实施例提供一种固体氧化物燃料电池的混合能量控制系统，所述控制系统包括控制器1、状态估计器9、双向DC/DC变换器15、可控升压DC/DC变换器21、PLC31、信号采集器。信号采集器包括电池温度采样器12，负载电流采样器17，电池电压采样器10，变换器电压采样器16、电池电流采样11。

双向DC/DC变换器15的输入端和输出端经继电器14,19分别连接至锂电池组13和负载18。可控升压DC/DC变换器21的输入端和输出端分别连接至SOFC电堆25和直流母线。负载电流采样器17检测负载电流，变换器电压采样器16检测可控升压DC/DC变换器21的输出端电压。

状态估计器9的三个输入端依次通过电池电压采样器10、电池电流采样11及电池温度采样器12采集锂电池组的电压、电流及温度，并根据锂电池组的电压、电流及温度获得锂电池组的SOC值。

控制器1包括SPI模块2、CAN通讯模块3、RS485模块4,7、PWM模块5、DAC模块6、ADC模块8；其中，SPI模块2接收状态估计器9传输的电压、电流、温度和SOC数据；CAN通讯模块3输出系统各监测参数至上位机32；RS485模块4,7分别输出SOFC系统的燃料流量控制信号和空气流量控制信号和双向DC/DC变换器15的控制信号至PLC31和可控升压DC/DC变换器21；PWM模块5输出脉宽调制信号以控制双向DC/DC变换器15流通电流的方向和大小；DAC模块6输出开关量信号以控制继电器14,19的通断；ADC模块8接收负载电流采样器17，变换器电压采样器16检测的电信号，并将上述信号转换为数字信号，作为获取上述控制信号的输入量。

控制器根据负载电流、可控升压DC/DC变换器21的输出端电压获得负载功率，控制器根据负载功率及锂电池组的SOC值确定锂电池组的工作状态和电堆输出功率，进而生成双向DC/DC变换器15的控制信号、可控升压DC/DC变换器21的控制信号和SOFC系统的燃料流量控制信号、空气流量控制信号及空气流量附加控制信号，SOFC系统的燃料流量控制信号、空气流量控制信号及空气流量附加控制信号传输至PLC31，依次调节流量计29的流速、鼓风机30的转速和旁路阀27的开度。实现燃料和空气经换热器加热后，SOFC电堆内部及入口处和燃烧室内部及出口处的气体温度控制；进而实现对SOFC电堆的输出功率的控制。双向DC/DC变换器根据控制器输出控制信号将直流母线电压匹配至锂电池组的端电压，并实现锂电池组充放电电流的管控。可控升压DC/DC变换器根据控制器输出控制信号将SOFC电堆波动的低输出电压转换为稳定的直流母线电压，并实现SOFC电堆输出功率的动态调节。本发明中根据锂电池SOC及负载功率变化确定锂电池组和电堆输出功率，避免了SOFC电堆内部的燃料亏空现象，延长了SOFC电堆和锂电池组的使用寿命。

此外，控制器1可输出上述数据至上位机32，以显示系统各监测参数的动态变化并存储历史数据。

实施例二

如图2所示，实施例2与实施例1的区别在于：信号采集器还包括变换器电流采样器20，可控升压DC/DC变换器21的输出端通过变换器电流采样器20同负载连接，变换器电流采样器20的输出端同控制器的ADC端连接，变换器电流采样器20用于检测可控升压DC/DC变换器21的输出电流，ADC将变换器电流采样器20的输出信号转化为数字信号。

控制器中生成双向DC/DC变换器15的控制信号的具体控制图如图3所示，通过给定空气过量比AR、燃料利用率FU和电堆输出电流的设定值I_fcset，以实现控制SOFC电堆内部气体温度T_max、温度梯度T_{grd_max}和电堆输出电流I_opt：

控制器根据负载功率及锂电池组的SOC值确定锂电池组的工作状态和电堆输出功率，根据电堆输出功率确定SOFC电堆输出电流的设定值，并根据公式I_fcsetU_fcη＝I_dcsetU_load获得可控升压DC/DC变换器21的输出电流设定值I_dcset，上述公式中，U_fc表示SOFC电堆输出电压，U_load表示负载电压，η表示可控升压DC/DC变换器的转化效率。以可控升压DC/DC变换器21的输出电流设定值和可控升压DC/DC变换器21的输出电流的差值进行PI控制，生成可控升压DC/DC变换器21的的控制信号，实现对SOFC电堆输出电流闭环控制。

根据空气过量比、燃料利用率及SOFC电堆输出电流的设定值确定SOFC系统的燃料流量控制信号和空气流量控制信号。

根据以下两式分别计算出SOFC电堆入口处的燃料流量

和空气流量

其中，I_fcset为电堆输出电流设定值，AR表示空气过量比，取值12，FU是燃料利用率，取值0.76，F是法拉第常数，

为空气中氧气的摩尔分数，n为电堆中电池片的个数。

本发明中根据锂电池SOC及负载功率变化确定锂电池组和电堆输出功率，避免了SOFC电堆内部的燃料亏空现象，延长了SOFC电堆和锂电池组的使用寿命。本发明对SOFC电堆输出电流进行PI控制，保证SOFC电堆输出电流变化梯度控制在±2A/min以内，并利用可控升压DC/DC变换器的输出电流调整SOFC电堆输出电流指定值，实现精确控制电堆输出功率。

实施例三

如图4所示，实施例3与实施例1的区别在于：信号采集器还包括燃烧室温度采样器23和电堆温度采样器24，燃烧室温度采样器23的输出端和电堆温度采样器24的输出端均同控制器的ADC端连接，ADC将燃烧室温度采样器23的输出信号和电堆温度采样器24的输出信号转化为数字信号。

控制器中生成SOFC系统的燃料流量控制信号和空气流量控制信号修正值的具体控制图如图5所示，通过检测燃烧室温度和燃烧室温度设定值的差值进行滑模PID控制，实现对燃料流量控制信号和空气流量控制信号的修正。通过检测电堆空气入口温度和电堆空气入口温度设定值的差值进行滑模PID控制，实现对燃料流量控制信号和空气流量控制信号的修正。通过对电堆燃料入口温度和电堆空气入口温度的温度差值和温度差值设定值的差值进行滑模PID控制，输出空气流量附加控制信号，实现对SOFC系统中旁路阀的控制。

以SOFC电堆入口处气体温度

及两者之间的温差T_diff和燃烧室出口处气体温度

为控制目标，采用如下式所示的滑模PID反馈控制算法：

式中，Δu表示控制量，包括流量计的流速FB、鼓风机的转速AB和旁路阀的开度BP；T表示被控量，包括SOFC电堆入口处的燃料温度

空气温度

燃烧室出口处的尾气温度

及对电堆燃料入口温度和电堆空气入口温度的温度差值T_diff；T_ref表示被控量的设定值，被控量的设定值根据用于具体需求确定，包括SOFC电堆入口处的燃料温度设定值、空气温度设定值、燃烧室出口处的尾气温度设定值及对电堆燃料入口温度和电堆空气入口温度的温度差值设定值，K_p,K_i,K_d分别表示PID反馈控制器的比例系数、积分系数和微分系数；K_s表示滑模控制速率，其计算方式如下：

以上控制算法可有效避免SOFC电堆内部的燃料亏空现象，抑制SOFC电堆和燃烧室的温度波动，使其满足如下温度约束：

实施例四

一种基于上述控制系统的控制方法100，包括如下步骤：

S110判断锂电池组的SOC是否在0.15≤SOC<0.40区间，若是，则进入步骤S120，否则，进入步骤S130；

S120当锂电池组SOC在0.15≤SOC＜0.40区间，根据负载需求功率P_load、锂电池最佳充电功率P_charopt和SOFC电堆模式功率之间关系确定SOFC电堆放电功率和锂电池交换功率后，返回重新估计锂电池组的SOC值；

S130判断锂电池组的SOC是否在0.40≤SOC≤0.80区间，若是，则进入步骤S140，否则，进入步骤150；

S140当锂电池组SOC在0.40≤SOC≤0.80区间，根据负载需求功率P_load、锂电池最大充电功率P_charmax和SOFC电堆模式功率之间关系确定SOFC电堆放电功率和锂电池交换功率后，返回重新估计锂电池组的SOC值；

S150判断锂电池组的SOC是否在0.80＜SOC≤0.95区间，若是，则进入步骤S160，否则，进入步骤170；

S160在0.80＜SOC≤0.95区间，根据负载需求功率P_load和SOFC电堆模式功率之间关系确定SOFC电堆放电功率和锂电池交换功率后，返回重新估计锂电池组的SOC值；

S170整个SOFC系统将强制停机。

实施例五

如图6所示，在实施例四的基础之上，步骤S120分为3个子步骤，步骤140分为4个子步骤，步骤160分为3个子步骤，该算法基于锂电池SOC值和负载需求功率，采用滞环状态机控制算法，以双层结构细分为10个子模式，实现对锂电池功率的控制，图中各符号含义如下表所示：

具体包括如下步骤：

S110判断锂电池组的SOC是否在0.15≤SOC＜0.40区间，若是，则进入步骤S120，否则，进入步骤S130；

S120当锂电池组SOC在0.15≤SOC＜0.40区间，根据负载需求功率P_load、锂电池最佳充电功率P_charopt同SOFC电堆模式功率之间关系确定SOFC电堆放电功率和锂电池交换功率后，返回重新估计锂电池组的SOC值。具体包括如下步骤：

S121判断负载需求功率P_load和锂电池最佳充电功率P_charopt之和是否小于SOFC电堆最佳功率P_fcopt，若是，则SOFC电堆输出功率设定为P_fcopt，锂电池组充电功率为P_fcopt-P_load，其SOC将增加；否则，进入步骤S122；

S122判断负载需求功率P_load和锂电池最佳充电功率P_charopt之和是否小于SOFC电堆最大功率P_fcmax，若是，则SOFC电堆输出功率设定为P_load+P_charopt，锂电池组充电功率为P_charopt，其SOC将增加；否则，进入步骤S123

S123若负载需求功率P_load和锂电池最佳充电功率P_charopt之和是否大于SOFC电堆最大功率P_fcmax，则SOFC电堆输出功率设定为P_fcmax，当P_load-P_fcmax大于0时，锂电池组放电功率为P_load-P_fcmax，其SOC将继续减小，反之，锂电池组充电功率为P_fcmax-P_load，其SOC将增大。

S130判断锂电池组的SOC是否在0.40≤SOC≤0.80区间，若是，则进入步骤S140，否则，进入步骤150；

S140当锂电池组SOC在0.40≤SOC≤0.80区间，根据负载需求功率P_load、锂电池最佳充电功率P_charmax同SOFC电堆模式功率之间关系确定SOFC电堆放电功率和锂电池交换功率后，返回重新估计锂电池组的SOC值。具体包括如下步骤：

S141判断负载需求功率P_load和锂电池最大充电功率P_charmax之和是否小于SOFC电堆最佳功率P_fcopt，若是，则SOFC电堆输出功率设定为P_load+P_charmax，锂电池组充电功率为P_charmax，其SOC将快速增加。

否则，进入步骤S142；

S142判断负载需求功率P_load是否小于SOFC电堆最佳功率P_fcopt，若是，则SOFC电堆输出功率设定为P_fcopt，锂电池组充电功率为P_fcopt-P_load，其SOC将增大；否则，进入步骤S143；

S143判断负载需求功率P_load是否小于SOFC电堆最大功率P_fcmax，若是，则SOFC电堆输出功率设定为P_load，锂电池组不对外供电，其SOC将保持稳定；否则，进入步骤S144；

S144 SOFC电堆输出功率设定为P_fcmax，锂电池组放电功率为P_load-P_fcmax，其SOC将减小。

S150判断锂电池组的SOC是否在0.80＜SOC≤0.95区间，若是，则进入步骤S160，否则，进入步骤170；

S160在0.80＜SOC≤0.95区间，根据负载需求功率P_load同SOFC电堆模式功率之间关系确定SOFC电堆放电功率和锂电池交换功率后，返回重新估计锂电池组的SOC值。具体包括如下步骤：

S161判断负载需求功率P_load是否小于SOFC电堆最小功率P_fcmin，若是，则SOFC电堆输出功率设定为P_fcmin，锂电池组充电功率为P_fcmin-P_load，其SOC将增加；否则，进入步骤S162；

S162判断负载需求功率P_load是否小于SOFC电堆最大功率P_fcmax，若是，则SOFC电堆输出功率设定为P_load，锂电池组不对外供电，其SOC将保持稳定；否则，进入步骤S163；

S163 SOFC电堆输出功率设定为P_fcmax，锂电池组放电功率为P_load-P_fcmax，其SOC将减小。

S170当SOC≤0.15或SOC≥0.95时，为保证锂电池的安全，整个系统将强制停机。

实施例六

在实施例四中实施例的基础上，采用如图7所示的状态估计算法进行锂电池的SOC估算，状态估计算法(SOC)基于充放电变方向二阶RC等效电路模型，以单节锂电池的电流和温度信号为输入量、端电压信号为输出量，采用无迹卡尔曼滤波算法运算得到状态估计值SOC。状态估计算法180包括如下步骤：

S181基于无迹变换计算得到sigma点及其权值；

S182根据状态方程

得到k+1时刻的SOC预测值SOC_k+1；

其中，SOC'_k是k时刻SOC最优值，η_I表示单节锂电池的库伦效率，ΔT表示采样时间，选取0.1s，Q_t表示单节锂电池的实际容量，I_k为k时刻电池采样电流，W_k表示k时刻系统的过程噪声。

单节锂电池的库伦效率η_I与充放电电流I_k的关系如下：

单节锂电池的实际容量Q_t与温度T的关系如下：

其中，Q_n为单节锂电池初始容量，其取值Q_n＝3350mAh，_Tk为k时刻电池采样温度。

S183根据输出方程

更新得到k+1时刻的单节锂电池的端点电压

其中，

为k时刻的单节锂电池的开路电压，

和

分别表示2个RC环的端电压；V_k表示k时刻系统测量噪声，R_o、C₁和C₂充放电变方向二阶RC等效电路模型中电路模型参数。

当锂电池充电时根据如下公式获得：

当锂电池放电时根据如下公式获得：

和

分别表示2个RC环的端电压计算方式如下：

其中，

R₁、C₁、R₂和C₂为充放电变方向二阶RC等效电路模型中模型参数。

S184根据sigma点及其权值和单节锂电池的端点电压的更新值对下一个时刻的SOC预测值进行修正，从而获得下一个时刻的SOC的最优值。

充放电变方向二阶RC等效电路模型中模型参数具体取值如下表所示：

参数	充电过	放电过
			R<sub>o</sub>(Ω)	0.02636	0.02703
R<sub>1</sub>(Ω)	0.01162	0.01408
			C<sub>1</sub>(F)	1321.39	902.911
R<sub>2</sub>(Ω)	0.00793	0.00994
			C<sub>2</sub>(F)	213.750	147.462

本实施例中状态估计算法的SOC估计误差在±1.2％以内，算法收敛时间降至63s，有效地消除了初始误差和测量误差对SOC估计结果的不利影响，其性能优势除引入无迹卡尔曼滤波算法外，还包括改进的精度更高、计算速度更快的充放电变方向二阶RC等效电路模型。

例如，采用如下具体器件实现该固体氧化物燃料电池的混合能量管理系统控制系统：

控制器1基于STM32F103RCT6芯片的最小系统构建，该芯片内部集成12位16通道ADC模块、12位2通道DAC模块、SPI模块、CAN通讯模块和PWM模块，主频为72MHz，可进行32位浮点数运算以得到热电协同控制算法的运算结果，满足控制系统对实时性和可靠性的要求，此外，RS485模块可采用带TLP521型光耦隔离的MAX485串口驱动电路实现。

状态估计器9基于TMS320F28335 DSP的最小系统构建，该芯片主频为150MHz，可进行32位浮点数运算，满足无迹卡尔曼滤波算法的运算需求。双向DC/DC变换器15选择Infineon公司生产的IRF3205型功率MOS管和Agilent公司生产的HCPL-316型带光耦隔离驱动芯片构建。可控升压DC/DC变换器21选择IXYS公司生产的IXFH230N075T2型功率MOS管和IXDN604SIA型带光耦隔离驱动芯片构建。PLC31选择COTRUST公司生产的CH224型CPU和SM222型数字量输出模块构建。负载电流采样器17，变压器电流采样器20，电堆电流采样器22选择Allegro公司的生产的ACS712霍尔电流传感器构建；电池温度采样12，电堆温度采样器23，燃烧室温度采样24选择DALLAS公司设计的DS18B20数字式温度传感器；继电器14,19选择汇科公司的HK3FF-DC24V/10A型产品；流量计29和旁路阀27分别选择七星华创公司的D07-19F型流量控制器和DT2B型电磁调节阀；鼓风机30选择AMETEK公司的150435M型产品；上位机32基于C++/Qt编写，采用Producer-Customer模型处理多客户端单服务器的多线程并发访问问题，保证了数据存储与查询的稳定性。

图8所示为二级差分运放电路原理图，包括TI公司的INA148-Q1型差分运放、LMV358型双路运放和Linear Tech公司的LT1999-20型双向电流检测运放。电池电压采样模块10，变换器电压采样模块16由INA148-Q1和LMV358构建，采样误差为±8mV；电池电流采样器11由LT1999-20和LMV358构建，采样误差为±160mA。相比于通用采样模块，该电路极大地提高了电信号的检测精度，减小了测量噪声对锂电池SOC估计的干扰。本发明所设计的电压和电流采样模块采用二级差分运放电路，电压采样误差降至±8mV，电流采样误差降至±160mA，极大提高了电信号的检测精度。

基于以上方案，本发明提出了一种固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，包括控制器、状态估计器、双向DC/DC变换器、可控升压DC/DC变换器、PLC等硬件结构和相应的UKF状态估计与热电协同控制算法，综合考虑负载跟踪、温度安全、燃料亏空和效率优化等问题，实现了功率分配和气体流量的精确控制。

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 (9)

1.一种能量控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S110判断锂电池组的SOC是否在0.15≤SOC<0.40区间，若是，则进入步骤S120，否则，进入步骤S130；

S120当锂电池组SOC在0.15≤SOC<0.40区间，根据负载需求功率P_load、锂电池最佳充电功率P_charopt和SOFC电堆模式功率之间关系确定SOFC电堆放电功率和锂电池交换功率后，返回重新估计锂电池组的SOC值；

S130判断锂电池组的SOC是否在0.40≤SOC≤0.80区间，若是，则进入步骤S140，否则，进入步骤150；

S140当锂电池组SOC在0.40≤SOC≤0.80区间，根据负载需求功率P_load、锂电池最大充电功率P_charmax和SOFC电堆模式功率之间关系确定SOFC电堆放电功率和锂电池交换功率后，返回重新估计锂电池组的SOC值；

S150判断锂电池组的SOC是否在0.80<SOC≤0.95区间，若是，则进入步骤S160，否则，进入步骤170；

S160在0.80<SOC≤0.95区间，根据负载需求功率P_load和SOFC电堆模式功率之间关系确定SOFC电堆放电功率和锂电池交换功率后，返回重新估计锂电池组的SOC值；

S170让SOFC系统强制停机；

步骤110之前还包括步骤180：根据锂电池组的电压、电流及温度采用无迹卡尔曼滤波算法获得锂电池组的SOC值；具体包括如下步骤：

S181基于无迹变换计算得到sigma点及其权值；

S182根据状态方程

得到k+1时刻的SOC预测值SOC_k+1；

S183根据输出方程

更新得到k+1时刻的单节锂电池的端点电压

其中，当锂电池充电时，根据公式

获得k时刻的单节锂电池的开路电压；当锂电池放电时，根据公式

获得k时刻的单节锂电池的开路电压；

S184根据sigma点及其权值和单节锂电池的端点电压的更新值对k+1时刻的SOC预测值进行修正，获得k+1时刻的SOC的最优值；

其中，SOC'_k是k时刻SOC最优值，η_I表示单节锂电池的库伦效率，ΔT表示采样时间，Q_t表示单节锂电池的实际容量，I_k为k时刻电池采样电流，W_k表示k时刻系统的过程噪声；

为k+1时刻的单节锂电池的开路电压，

和

分别表示2个RC环的端电压；V_k+1表示k+1时刻系统测量噪声，R_o为充放电变方向二阶RC等效电路模型中电路模型参数。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤S120包括如下子步骤：

S121判断负载需求功率P_load和锂电池最佳充电功率P_charopt之和是否小于SOFC电堆最佳功率P_fcopt，若是，则SOFC电堆放电功率为P_fcopt，锂电池组充电功率为P_fcopt-P_load；否则，进入步骤S122；

S122判断负载需求功率P_load和锂电池最佳充电功率P_charopt之和是否小于SOFC电堆最大功率P_fcmax，若是，则SOFC电堆放电功率为P_load+P_charopt，锂电池组充电功率为P_charopt；否则进入步骤S123；

S123 SOFC电堆放电功率为P_fcmax，锂电池组交换功率为P_load-P_fcmax。

3.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，步骤S140包括如下子步骤：

S141判断负载需求功率P_load和锂电池最大充电功率P_charmax之和是否小于SOFC电堆最佳功率P_fcopt，若是，则SOFC电堆放电功率为P_load+P_charmax，锂电池组充电功率为P_charmax，否则，进入步骤S142；

S142判断负载需求功率P_load是否小于SOFC电堆最佳功率P_fcopt，若是，则SOFC电堆放电功率为P_fcopt，锂电池组充电功率为P_fcopt-P_load；否则，进入步骤S143；

S143判断负载需求功率P_load是否小于SOFC电堆最大功率P_fcmax，若是，则SOFC电堆放电功率为P_load，锂电池组不对外供电；否则，进入步骤S144；

S144 SOFC电堆放电功率为P_fcmax，锂电池组放电功率为P_load-P_fcmax。

4.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，步骤S160包括如下子步骤：

S161判断负载需求功率P_load是否小于SOFC电堆最小功率P_fcmin，若是，则SOFC电堆放电功率为P_fcmin，锂电池组充电功率为P_fcmin-P_load；否则，进入步骤S162；

S162判断负载需求功率P_load是否小于SOFC电堆最大功率P_fcmax，若是，则SOFC电堆放电功率为P_load，锂电池组不对外供电；否则，进入步骤S163；

S163 SOFC电堆放电功率为P_fcmax，锂电池组放电功率为P_load-P_fcmax。

5.一种固体氧化物燃料电池的混合能量控制系统，其特征在于，所述混合能量控制系统采用如权利要求1所述的控制方法，包括：信号采集器、状态估计器(9)、控制器(1)、可控升压DC/DC变换器(21)、双向DC/DC变换器(15)及流量调节器；其中，信号采集器包括电池温度采样器(12)，负载电流采样器(17)，电池电压采样器(10)，变换器电压采样器(16)及电池电流采样器(11)；

双向DC/DC变换器(15)的输入端用于同锂电池组(13)连接，双向DC/DC变换器(15)的输出端用于同负载(18)连接，可控升压DC/DC变换器(21)的输入端用于同SOFC电堆(25)连接，可控升压DC/DC变换器(21)的输出端用于同负载(18)连接，状态估计器(9)的三个输入端依次同电池电压采样器(10)、电池电流采样器(11)及电池温度采样器(12)连接，流量调节器的输入端与控制器(1)的输出端连接；

负载电流采样器(17)检测负载电流，变换器电压采样器(16)检测可控升压DC/DC变换器(21)的输出端电压，电池电压采样器(10)、电池电流采样(11)及电池温度采样器(12)分别用于采集锂电池组的电压、电流及温度，状态估计器(9)用于根据锂电池组的电压、电流及温度获得锂电池组的SOC值；控制器根据负载电流和可控升压DC/DC变换器输出端电压获得负载功率，控制器根据负载功率及锂电池组的SOC值确定锂电池组的工作状态和电堆输出功率，并输出双向DC/DC变换器(15)的控制信号、可控升压DC/DC变换器(21)的控制信号及SOFC系统的燃料流量控制信号、空气流量控制信号及空气流量附加控制信号，流量调节器用于根据SOFC系统的燃料流量控制信号、空气流量控制信号及空气流量附加控制信号依次控制SOFC系统中流量计的流速、鼓风机的转速和旁路阀的开度。

6.如权利要求5所述的能量控制系统，其特征在于，能量控制系统中信号采集器还包括变换器电流采样器(20)，可控升压DC/DC变换器(21)的输出端通过变换器电流采样器(20)同负载连接；变换器电流采样器(20)用于采样可控升压DC/DC变换器的输出电流；

控制器根据负载功率及锂电池组的SOC值确定锂电池组的工作状态和电堆输出功率，进而确定SOFC电堆输出电流的设定值，将SOFC电堆输出电流的设定值转化为可控升压DC/DC变换器输出电流设定值，并对可控升压DC/DC变换器输出电流设定值和可控升压DC/DC变换器输出电流实际值的差值进行PI控制，生成可控升压DC/DC变换器(21)的控制信号，实现对SOFC电堆输出电流闭环控制；

控制器同时根据空气过量比、燃料利用率及SOFC电堆输出电流的设定值确定SOFC系统的燃料流量控制信号和空气流量控制信号。

7.如权利要求6所述的能量控制系统，其特征在于，能量控制系统中信号采集器还包括燃烧室温度采样器(23)和电堆温度采样器(24)，燃烧室温度采样器(23)的输出端和电堆温度采样器(24)的输出端均同控制器连接，控制器通过检测燃烧室温度和燃烧室温度设定值的差值进行滑模PID控制，实现对燃料流量控制信号和空气流量控制信号的修正。

8.如权利要求6或7所述的能量控制系统，其特征在于，控制器通过检测电堆空气入口温度和电堆空气入口温度设定值的差值进行滑模PID控制，实现对燃料流量控制信号和空气流量控制信号的修正。

9.如权利要求6或7所述的能量控制系统，其特征在于，控制器通过对电堆燃料入口温度和电堆空气入口温度的温度差值和温度差值设定值的差值进行滑模PID控制，输出空气流量附加控制信号，实现对SOFC系统中旁路阀的控制。

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