CN108539231B - 一种多套燃料电池系统的协调控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池控制技术领域，尤其涉及一种多套燃料电池系统的协调控制方法及系统，步骤包括：获取每套燃料电池系统的启动点功率；获取电动设备工作的需求功率；将需求功率与燃料电池系统的启动点功率进行比较以控制多套燃料电池系统的启闭状态。多套燃料电池系统的协调控制系统，包括第一功率获取模块，第二功率获取模块，电池系统启闭控制模块。本发明具有较高的工作效率，使多套系统均保持较为优化的工作效率，反应速度快、判断准确，控制每套燃料电池系统启闭，提高工作效率。

Description

一种多套燃料电池系统的协调控制方法及系统

技术领域

本发明涉及燃料电池控制技术领域，尤其涉及一种多套燃料电池系统的协调控制方法及系统。

背景技术

近些年，燃料电池在交通领域的发展迅速。奔驰、丰田、本田等企业相继推出了以燃料电池为动力的量产车型。但在大功率动力系统领域，受功率密度的限制，一套燃料电池系统无法满足，需要采用多套燃料电池并联输出的系统结构，每套燃料电池系统拥有其单独的辅机设备。而多套系统的重要问题是：采用多套燃料电池并联的系统结构，在需求功率确定情况下各套系统之间如何动态协调功率输出，使多套系统的效率保持最优。

两种传统的分配方式为平均分配和满额分配策略，平均分配策略指的是需求功率平均在每套燃料电池子系统中平均分配；满额分配策略指的是每套子系统逐级启动，第1套子系统达到最大输出功率时再启动第2套，以此类推。

以5套子系统组成的多套系统并联架构为例，每套子系统满额输出功率为25kW，两种传统分配策略所对应的效率如图4所示。

从图5中可以看出，当需求功率小时，平均分配方式由于各套子系统均处于启动状态，辅机设备基础功耗相对会较高，对系统效率的影响较大，且采用这种分配方式的系统集群的最低输出功率是所有子系统最低输出功率之和为5Pmin；而满额分配策略可以实现更宽范围的系统功率输出，最低输出功率是Pmin，但系统仅在低功率工作模式下整体效率高于平均分配策略，在大功率输出下效率反而更低。

发明内容

本发明的另一目的在于提供一种将需求功率在多套燃料电池系统之间优化分配，使多套系统既在低功率范围内的效率满足满额分配，又在高功率范围内的效率不低于平均分配策略，使多套燃料电池系统在整个需求功率区间都具有较高工作效率的多套燃料电池系统的协调控制方法。

本发明的目的在于提供一种有效提高燃料电池系统输出效率的控制系统。

为了实现上述目的，本发明提供一种多套燃料电池系统的协调控制方法，包括以下步骤：

获取每套燃料电池系统的启动点功率；

获取电动设备工作的需求功率；

将需求功率与燃料电池系统的启动点功率进行比较以控制多套燃料电池系统的启闭状态。

本技术方案的进一步改进，所述获取每套燃料电池系统的启动点功率包括以下步骤：

获取每套燃料电池系统不同的净输出功率所对应的系统效率的数据；

将试验单元与现有数学模型进行拟合匹配并获得最为符合燃料电池系统的系统效率与净输出功率之间的关系的数学表达式：

燃料电池系统的启动点功率p_n满足以下关系式：

effi(p_n/n-1)＝effi(p_n/n)；

根据所述数学表达式和关系式计算得到p_n；

其中，η为系统效率，a₁…a₇为拟合得到的数学表达式的多项式系数，p_n为第n套燃料电池系统的启动点功率，n为燃料电池系统在多套电池系统中的启动顺序排位。

本技术方案的进一步改进，所述将需求功率与燃料电池系统的启动点功率进行比较以控制多套燃料电池系统的启闭状态具体包括以下步骤：

将需求功率p₀与燃料电池系统的启动点功率依次进行比较；

根据关系式p_n≤p₀＜p_n+1以确定n的值；

在确定n的值之后，控制前n套燃料电池系统启动；

其中，第n+1套燃料电池系统的启动点功率p_n+1大于第n套燃料电池系统的启动点功率p_n，n为1～(N-1)中的任一整数,N为燃料电池系统的数量。

本技术方案的进一步改进，所述净输出功率为燃料电池系统工作的实际输出功率。

本技术方案的进一步改进，当燃料电池系统启动的数量大于1时，需求功率由启动的多套燃料燃料电池系统平均分配提供。

本发明多套燃料电池系统的协调控制系统，包括：

第一功率获取模块，用于获取每套燃料电池系统的启动点功率；

第二功率获取模块，用于获取电动设备工作的需求功率；

电池系统启闭控制模块，用于将需求功率与燃料电池系统的启动点功率进行比较以控制多套燃料电池系统的启闭状态。

本技术方案的进一步改进，所述第一功率获取模块包括：

试验单元，用于获取每套燃料电池系统不同的净输出功率所对应的系统效率的数据；

数据拟合单元，用于将试验单元与现有数学模型进行拟合匹配并获得最为符合燃料电池系统的系统效率与净输出功率之间的关系的数学表达式：

功率关系式确认单元，用于使得燃料电池系统的启动点功率p_n满足以下关系式：

effi(p_n/n-1)＝effi(p_n/n)；

功率计算单元，用于根据所述数学表达式和关系式计算得到p_n；

其中，η为系统效率，a₁…a₇为拟合得到的数学表达式的多项式系数，p_n为第n套燃料电池系统的启动点功率，n为燃料电池系统在多套电池系统中的启动顺序排位。

本技术方案的进一步改进，所述电池系统启闭控制模块包括：

功率判断单元，用于将需求功率p₀与每套燃料电池系统的启动点功率p_n进行比较；

电池系统启闭确定单元，用于根据关系式p_n≤p₀＜p_n+1以确定n的值；

电池系统启闭控制单元，用于在确定n的值之后，控制前n套燃料电池系统启动；

其中，第n+1套燃料电池系统的启动点功率p_n+1大于第n套燃料电池系统的启动点功率p_n，n为1～(N-1)中的任一整数,N为燃料电池系统的数量。

本技术方案的进一步改进，所述净输出功率为燃料电池系统工作的实际输出功率。

本技术方案的进一步改进，还包括功率分配模块，用于当燃料电池系统启动的数量大于1时，需求功率由启动的多套燃料电池系统平均分配提供。

本发明具有以下技术技术效果：

本发明采用协调分配使多套燃料电池系统在整个输出功率区间都具有较高的工作效率，使多套系统的最低输出功率仍然为第一套燃料电池系统的最低功率，在保证功率效率的前提下有很宽的输出功率区间，且在实际应用中，该方法比编写实时优化程序更容易实现、计算时间更短，更可靠，使其工作效率在不同所需输出功率的条件下，均保持较为优化的工作效率。

本发明通过各个模块自动试验检测获取燃料电池系统的各项参数，降低人工参与程度，自动化程度更高，且反应速度快、判断准确，控制每套燃料电池系统启闭，提高工作效率。

附图说明

图1是本发明优选实施例的系统框图；

图2是本发明优选实施例的控制方法的工作流程图；

图3是本发明优选实施例的燃料电池系统效率与净输出功率的关系图；

图4是本发明优选实施例的燃料电池系统与现有技术对应的效率曲线对比图；

图5是现有技术中两种控制方法的燃料电池系统所对应的效率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，在本实施例中，一种多套燃料电池系统协调控制系统，包括5套额定功率均为25KW的燃料电池系统，还包括：

第一功率获取模块1，用于获取每套燃料电池系统的启动点功率；

第二功率获取模块2，用于获取电动设备工作的需求功率；

燃料电池系统启闭控制模块3，用于将需求功率与燃料电池系统的启动点功率进行比较以控制5套燃料电池系统的启闭状态。

本发明通过各个模块自动试验检测获取燃料电池系统的各项参数，降低人工参与程度，自动化程度更高，且反应速度快、判断准确，控制每套燃料电池系统启闭，提高工作效率。

第一功率获取模块1包括：

试验单元11，用于获取每套燃料电池系统不同的净输出功率所对应的系统效率的数据；

数据拟合单元12，用于将试验单元11与现有数学模型进行拟合匹配并获得最为符合燃料电池系统的系统效率与净输出功率之间的关系的数学表达式：

功率关系式确认单元13，用于使得燃料电池系统的启动点功率p_n满足以下关系式：

effi(p_n/n-1)＝effi(p_n/n)；

功率计算单元14，用于根据所述数学表达式和关系式计算得到p_n；

其中，η为系统效率，a₁…a₇为拟合得到的数学表达式的多项式系数，p_n为第n套燃料电池系统的启动点功率，n为燃料电池系统在多套电池系统中的启动顺序排位。

电池系统启闭控制模块3包括：

功率判断单元31，用于将需求功率p₀与每套燃料电池系统的启动点功率p_n进行比较；

电池系统启闭确定单元32，用于根据关系式p_n≤p₀＜p_n+1以确定n的值；

电池系统启闭控制单元33，用于在确定n的值之后，控制前n套燃料电池系统启动；

其中，第n+1套燃料电池系统的启动点功率p_n+1大于第n套燃料电池系统的启动点功率p_n，n为1～(N-1)中的任一整数,N为燃料电池系统的数量。

净输出功率为燃料电池系统工作的实际输出功率。

还包括功率分配模块4，用于当燃料电池系统启动的数量大于1时，需求功率由启动的多套燃料电池系统平均分配提供。

参考图2，在本实施例中，5套燃料电池系统的协调控制方法，包括以下步骤：

第一功率获取模块1获取每套燃料电池系统的启动点功率；

参考图3，通过试验单元11获取每套燃料电池不同的净输出功率所对应的系统效率的数据；

将不同的净输出功率与所对应的系统效率通过数据拟合单元12与现有的数学模型进行拟合匹配并获得最为符合上述数据关系的数学表达式：

其中：

a₁＝-1.8715×10^-6

a₂＝1.6883×10^-4

a₃＝-6.168×10^-3

a₄＝0.11625

a₅＝-1.1867

a₆＝5.7304

a₇＝37.028

功率关系式确认单元13通过上述确定的数学模型使得燃料电池系统的启动点功率p_n满足以下关系式：

effi(p_n/n-1)＝effi(p_n/n)

通过功率计算单元14根据上述关系式计算得到p_n；

其中，η为系统效率，a₁…a₇为拟合得到的数学表达式的多项式系数，p_n为第n套燃料电池系统的启动点功率，n为燃料电池系统在多套电池系统中的启动顺序排位；

则有，第二套燃料电池系统的启动点功率P2满足关系effi(p₂)＝effi(p₂/2)，解等式effi(p₂)＝effi(p₂/2)得启动点p2为6.98kW；

第三套燃料电池系统的启动点功率P3满足关系effi(p₃/2)＝effi(p₃/3)，解等式effi(p₃/2)＝effi(p₃/3)得启动点p3为12.15kW；

第四套燃料电池系统的启动点功率P4满足关系effi(p₄/3)＝effi(p₄/4)，解等式effi(p₄/3)＝effi(p₄/4)得启动点p4为17.21kW；

第五套燃料电池系统的启动点功率P5满足关系effi(p₅/4)＝effi(p₅/5)，解等式effi(p₅/4)＝effi(p₅/5)得启动点p5为22.23kW；

上述p₂和p²/2分别是燃料电池系统效率与实际输出功率的关系曲线两侧的点，即当燃料电池系统效率固定时，对应的实际输出功率有两个不同的值，即p₂＝p²/2、p₃/2＝p₃/3、p₄/3＝p₄/4、p₅/4＝p₅/5。

第二功率获取模块2获取电动设备工作的需求功率；

需求功率与燃料电池系统的启动点功率进行比较以控制多套燃料电池系统的启闭状态具体包括以下步骤：

功率判断单元31将需求功率p₀与每套燃料电池系统的启动点功率p_n进行比较；

根据关系式p_n≤p₀＜p_n+1确定n的值；

在电池系统启闭确定单元32确定n的值之后，电池系统启闭确定单元32控制前n套燃料电池系统启动；

即，当6.98kW≤p₀＜12.15kW时，启动第1～2套燃料电池系统；当12.15kW≤p₀＜17.21kW时，启动第1～3套燃料电池系统，当17.21kW≤p₀＜22.23kW时，启动第1～4套燃料电池系统，当22.23kW≤p₀时，启动第1～5套燃料电池系统，且功率分配模块4将需求功率通过5套燃料电池系统平均分配提供，通过该控制方法得到多套燃料电池系统的效率曲线与现有技术对比如图4所示。

其中，第n+1套燃料电池系统的启动点功率p_n+1大于第n套燃料电池系统的启动点功率p_n，n为1～(N-1)中的任一整数,N为燃料电池系统的数量。

将需求功率与第N-1套燃料电池系统的启动点功率进行比较，当需求功率小于第N-1套燃料电池系统的启动点功率时，启动第1～(N-1)套燃料电池系统；

当需求功率大于等于第N-1套燃料电池系统的启动点功率时，则N套燃料电池系统全部启动；

其中，N为燃料电池系统的数量，N≥1。

在本实施例中，N＝5，即第四套燃料电池系统的启动点功率为17.21kW，第五套燃料电池系统的启动点功率为22.23kW，22.23KW>17.21KW，则有p₅>p₄。

可以理解的是，在本实施例中，当需求功率大于22.23KW时，则5套燃料电池系统全部启动。

在本实施例中，净输出功率为燃料电池系统工作的实际输出功率。

燃料电池系统启动的数量大于1时，需求功率由启动的多套燃料电池系统平均分配提供，可以理解的是，当需求功率大于22.23KW时，5套燃料电池系统全部启动，则需求功率p₀/5即为每套燃料电池系统的实际输出功率。

该方法控制的多套燃料电池系统最低输出功率仍为单套燃料电池系统的最低输出功率，且效率在第二套燃料电池系统启动点功率P2之前与满额分配的效率相同，均由第一套燃料电池系统提供输出功率；在第二套燃料电池系统的启动点功率P3至第五套燃料电池系统启动点功率P5的范围内，通过图4可知，即需求功率在6.98～22.23KW范围内，该控制方法的效率相对于现有技术的两种方法明显提高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多套燃料电池系统的协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取每套燃料电池系统的启动点功率；

获取电动设备工作的需求功率；

将需求功率与燃料电池系统的启动点功率进行比较以控制多套燃料电池系统的启闭状态；

所述获取每套燃料电池系统的启动点功率包括以下步骤：

获取每套燃料电池系统不同的净输出功率所对应的系统效率的数据；

将试验单元与现有数学模型进行拟合匹配并获得最为符合燃料电池系统的系统效率与净输出功率之间的关系的数学表达式：

燃料电池系统的启动点功率p_n满足以下关系式：

effi(p_n/n-1)＝effi(p_n/n)；

根据所述数学表达式和关系式计算得到p_n；

其中，η为系统效率，a₁…a₇为拟合得到的数学表达式的多项式系数，p_n为第n套燃料电池系统的启动点功率，n为燃料电池系统在多套电池系统中的启动顺序排位。

2.如权利要求1所述的多套燃料电池系统的协调控制方法，其特征在于，所述将需求功率与燃料电池系统的启动点功率进行比较以控制多套燃料电池系统的启闭状态具体包括以下步骤：

将需求功率p₀与燃料电池系统的启动点功率依次进行比较；

根据关系式p_n≤p₀＜p_n+1以确定N的值；

在确定N的值之后，控制前N套燃料电池系统启动；

其中，第n+1套燃料电池系统的启动点功率p_n+1大于第n套燃料电池系统的启动点功率p_n，n为1～(N-1)中的任一整数，N为燃料电池系统的数量。

3.根据权利要求2所述的多套燃料电池系统的协调控制方法，其特征在于，所述净输出功率为燃料电池系统工作的实际输出功率。

4.根据权利要求2所述的多套燃料电池系统的协调控制方法，其特征在于，当燃料电池系统启动的数量大于1时，需求功率由启动的多套燃料电池系统平均分配提供。

5.一种多套燃料电池系统的协调控制系统，其特征在于，包括：

第一功率获取模块，用于获取每套燃料电池系统的启动点功率；

第二功率获取模块，用于获取电动设备工作的需求功率；

电池系统启闭控制模块，用于将需求功率与燃料电池系统的启动点功率进行比较以控制多套燃料电池系统的启闭状态；

所述第一功率获取模块包括：

试验单元，用于获取每套燃料电池系统不同的净输出功率所对应的系统效率的数据；

数据拟合单元，用于将试验单元与现有数学模型进行拟合匹配并获得最为符合燃料电池系统的系统效率与净输出功率之间的关系的数学表达式：

功率关系式确认单元，用于使得燃料电池系统的启动点功率p_n满足以下关系式：

effi(p_n/n-1)＝effi(p_n/n)；

功率计算单元，用于根据所述数学表达式和关系式计算得到p_n；

其中，η为系统效率，a₁…a₇为拟合得到的数学表达式的多项式系数，p_n为第n套燃料电池系统的启动点功率，n为燃料电池系统在多套电池系统中的启动顺序排位。

6.如权利要求5所述的多套燃料电池系统的协调控制系统，其特征在于，所述电池系统启闭控制模块包括：

功率判断单元，用于将需求功率p₀与每套燃料电池系统的启动点功率p_n进行比较；

电池系统启闭确定单元，用于根据关系式p_n≤p₀＜p_n+1以确定n的值；

电池系统启闭控制单元，用于在确定n的值之后，控制前n套燃料电池系统启动；

其中，第n+1套燃料电池系统的启动点功率p_n+1大于第n套燃料电池系统的启动点功率p_n，n为1～(N-1)中的任一整数，N为燃料电池系统的数量。

7.如权利要求5所述的多套燃料电池系统的协调控制系统，其特征在于，所述净输出功率为燃料电池系统工作的实际输出功率。

8.如权利要求6所述的多套燃料电池系统的协调控制系统，其特征在于，还包括功率分配模块，用于当燃料电池系统启动的数量大于1时，需求功率由启动的多套燃料电池系统平均分配提供。

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