CN109103981A - 一种燃料电池应急电源控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池应急电源控制系统，包括燃料电池系统、锂电池系统、电力变换系统、PLC和网关模块GWM，燃料电池系统包括系统控制器ECU、燃料电池模块、双向DCDC变换器、第一人机交互界面、调试上位机PC，锂电池系统包括锂电池模块、锂电池管理系统BMS和第二人机交互界面，电力变换系统包括充电机和逆变器DC/AC，PLC为锂电池系统和电力变换系统的控制单元；本发明还公开了一种燃料电池应急电源控制方法；本发明通过采用CAN协议通信方式、Modbus通信协议和硬接线多种形式的结合使用，使系统通信兼容性更强，可靠性更高，系统更稳定；优化的混合动力系统控制方式，合理分配燃料电池、锂电池与负载之间的能量分配，提高了燃料电池、锂电池的工作效率和稳定性。

Description

一种燃料电池应急电源控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电源控制领域，尤其涉及一种燃料电池应急电源控制系统及控制方法。

背景技术

随着社会的发展，建筑技术水平的不断提高，城市的建筑趋向于大规模，高层化发展随之而来对建筑的供电要求越来越高，社会的信息化，建筑的现代化，使建筑对供电的依赖也越来越大，尤其是一些重要的公共建筑，一旦中断供电，将造成重大的政治影响或经济损失，如果是发生火灾，后果就更不堪设想.所以现行的《高层民用建筑设计防火规范》及《民用建筑电气设计规范》就有严格规定:“一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不致同时受到损坏.一级负荷中特别重要的负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源。

在现有技术中，最常见的有三种方式。1)、采用柴油机作为发电机组，但是柴油机组噪声高、排放物污染环境，不符合绿色能源的发电技术方向；2)、采用锂电池储能，但是单独的锂电池储能能量密度低，需要配备很大体积/质量的锂电池才能满足大功率的供电要求；3)、燃料电池、锂电池混合动力系统或者多套混合动力系统并联，但是现有采用单套燃料电池、锂电池混合动力系统的应急电源功率较低，而多套混合动力系统并联的应急电源系统拓扑复杂、控制难度大。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种燃料电池应急电源控制系统及控制方法，通过采用CAN协议通信方式、Modbus通信协议和硬接线多种形式的结合使用，使系统通信兼容性更强，可靠性更高，系统更稳定；优化的混合动力系统控制方式，合理分配燃料电池、锂电池与负载之间的能量分配，提高了燃料电池、锂电池的工作效率和稳定性。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种燃料电池应急电源控制系统，包括燃料电池系统、锂电池系统、电力变换系统、PLC和网关模块GWM：所述燃料电池系统包括系统控制器ECU、燃料电池模块、双向DCDC变换器、第一人机交互界面、调试上位机PC，所述系统控制器ECU通过CAN通信与所述燃料电池模块、所述双向DCDC变换器、所述第一人机交互界面、所述调试上位机PC以及所述网关模块GWM建立通信连接，所述系统控制器ECU分别与所述燃料电池模块、双向DCDC变换器通过硬线IO建立通信连接；所述锂电池系统包括锂电池模块、锂电池管理系统BMS、第二人机交互界面，所述电力变换系统包括充电机和逆变器DC/AC，所述PLC为所述锂电池系统和电力变换系统的控制单元，所述PLC通过Modbus协议与所述锂电池模块、锂电池管理系统BMS、充电机、逆变器DC/AC、第二人机交互界面以及所述网关模块GWM建立通信连接，所述PLC分别与所述锂电池管理系统BMS、充电机、逆变器DC/AC通过硬线IO建立通信连接。

一种基于燃料电池应急电源控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1，获取系统当前负载需求P_req和当前功率P_now的数据值；

S2，判断P_req和P_now的大小关系，若P_req>P_now，则对系统进行加载，若P_req＝P_now，则系统正常输出，若P_req<P_now，则对系统进行减载；

S3，获取锂电池当前SOC的数据值；

S4，判断SOC与预设范围(SOC_min,SOC_max)的大小关系，若SOC大于预设范围(SOC_min,SOC_max)，则进行放电，若SOC处在预设范围(SOC_min,SOC_max)内，则电池充电状态为静止，若SOC小于预设范围(SOC_min,SOC_max)，则进行充电。

与现有技术相比，本发明方法具有的优点如下：

1)、拓扑结构简单，稳定性更高；

2)、系统以大功率燃料电池为发电单元，锂电池只是作为辅助电源，满足绿色电力发展方向，符合国家节能环保的政策方针；

3)、基于CANopen、Modbus、硬接线多种形式的通信架构，通信方式灵活，通信数据量大，以硬线通信为冗余，通信可靠性高；

4)、优化的混合动力系统控制方式，合理分配燃料电池、锂电池与负载之间的能量分配，提高了燃料电池、锂电池的工作效率和稳定性。

附图说明

图1：为本发明控制系统的通信架构图；

图2：为本发明控制系统的电气系统结构图；

图3：为本发明控制方法的步骤流程图；

图4：为本发明实施例中的九种工况图。

(在图2中：大功率燃料电池系统单元(1)、大功率燃料电池模块(11)、双向DCDC变换器(12)、电能变换单元(2)、充电机(21)、逆变器DC/AC(22)、辅助电源单元(3)、锂电池组(31))

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。

参照图1，为本发明控制系统的通信架构图，系统采用CAN、Modbus、IO的通信方式；其中，系统控制器ECU通过CAN通信与燃料电池模块、DCDC、网关模块、人机交互界面1(HMI_1)、调试上位机建立通信连接；子系统PLC通过Modbus协议与锂电池系统、逆变器、充电机、网关模块、人机交互界面2(HMI_2)等建立通信连接；网关模块(Modbus<->CAN)作为两种不同通信网络系统之间的桥梁，起到将CAN数据帧和Modbus数据帧相互转换的作用；而ECU分别与燃料电池、DCDC通过硬线IO建立关键信号的通信，同理PLC也分别与锂电池管理系统(BMS)、充电机、逆变器(DC/AC)通过硬线IO建立关键信号的通信；

采用以上通信架构的优点：

a)常用燃料电池系统、配套DCDC采用CAN协议通信方式；电力行业控制系统采用的PLC系统多支持Modbus/RS485通信协议；所以此种通信架构将燃料电池控制系统与电力行业控制系统通信相结合，任意子部件只要支持CAN或者Modbus通信之一，就可以接入系统通信网络；通信兼容性强；

b)硬线IO在系统间作为关键通信信号的冗余，例如系统启停、子部件使能、控制模拟量收发等；硬线IO与总线通信信号相互备份，有效提高系统通信稳定性。

参照图2，为本发明控制系统的电气系统结构图，基于大功率燃料电池的孤岛式应急单元主要分为三个单元：(单元1)大功率燃料电池系统单元、(单元2)电能变换单元、(单元3)辅助电源单元。

单元1为发电系统，基于100KW以上的大功率燃料电池模块(11)，通过双向DCDC变换器(12)连接到直流母线上；

单元2为电力变换系统，包括一台充电机(21)和一台大功率逆变器DC/AC(22)，直流母线通过逆变器接外部负载，外接充电口通过整流器连接到直流母线；

单元3位辅助供电系统，主要由一套锂电池系统(31)组成。

参照图3，基于控制SOC恒定的能量分配策略，系统根据当前负载需求P_req和当前功率P_now的大小关系判断是否加减载；如上图所示，当P_req>P_now时，系统需要加载；当P_req＝P_now时，系统正常输出；当P_req<P_now时，系统需要减载；再根据锂电池当前SOC判断是否给电池充电，当SOC处在设定范围内(SOC_min,SOC_max)时，电池充点电状态为静态,P_offset＝0；当SOC大于设定范围(SOC_min,SOC_max)时，电池充点电状态为放电，P_offset<0；当SOC小于设定范围(SOC_min,SOC_max)时，电池充点电状态为充电，P_offset>0；

P_req为电力变换系统检测到负载端的实时需求功率；P_offset为根据锂电池SOC修正的最佳充放电功率，充电为正，放电为负。

参照图4，可以将负载和SOC的需求组合成9种工况，其中：系统的目标输出功率：P_目标＝P_req+P_offset；设定燃料电池系统加减载速率分为Load_fast、Load_normal、Load_slow。

工况1：(燃料电池加载+电池放电)此时，P_目标＝P_req+P_offset<P_req,燃料电池系统按照Load_slow的加载速率加载，直到燃料电池实际输出功率达到P_目标；

工况2：(燃料电池加载+电池静态)此时，P_目标＝P_req+P_offset＝P_req,燃料电池系统按照Load_normal的加载速率加载，直到燃料电池实际输出功率达到P_目标；

工况3：(燃料电池加载+电池充电)此时，P_目标＝P_req+P_offset>P_req,燃料电池系统按照Load_fast的加载速率加载，直到燃料电池实际输出功率达到P_目标；

工况4：(燃料电池正常输出+电池放电)此时，P_目标＝P_req+P_offset<P_now,燃料电池系统按照Load_slow的减载速率减载，直到燃料电池实际输出功率达到P_目标；

工况5：(燃料电池正常输出+电池静态)此时，P_目标＝P_req+P_offset＝P_req＝P_now,燃料电池系统输出功率不变；

工况6：(燃料电池正常输出+电池充电)此时，P_目标＝P_req+P_offset>P_req>P_now,燃料电池系统按照Load_slow的加载速率加载，直到燃料电池实际输出功率达到P_目标；

工况7：(燃料电池减载+电池放电)此时，P_目标＝P_req+P_offset<P_req<P_now,燃料电池系统按照Load_fast的减载速率减载，直到燃料电池实际输出功率达到P_目标；

工况8：(燃料电池减载+电池静态)此时，P_目标＝P_req+P_offset＝P_req<P_now,燃料电池系统按照Load_normal的减载速率减载，直到燃料电池实际输出功率达到P_目标；

工况9：(燃料电池减载+电池充电)此时，P_目标＝P_req+P_offset>P_req<P_now,燃料电池系统按照Load_slow的减载速率减载，直到燃料电池实际输出功率达到P_目标。

系统在按照以上工况进行功率分配时，电池SOC的目标值是最佳工作范围，并且在电源系统备用时，控制器实时监视SOC值，并通过电力变换系统的充电机外接交流电给锂电池充电，或者在SOC过低时启动燃料电池给锂电池充电，从而使电池SOC保持在最佳工作范围；应急电源系统工作时，SOC大部分时间都是处于最佳工作范围，此时平台母线能够维持很小的电压波动，有效简化系统电力的变换控制。在实际运行中，燃料电池基本只会在工况2、5、8三种工况下运行，这种固定SOC范围的能量分配策略只会造成锂电池SOC在很小的范围内波动，而燃料电池的输出则按照负载的变化而加减载。相比于传统的尽量减少燃料电池输出波动的能量分配策略，此种控制方式对燃料电池的动态响应和系统稳定性要求很高，但是此种方式对于燃料电池性能的提升也是一种检验和促进，并且当前的燃料电池技术也越来越成熟，此种控制方式将成为未来燃料电池混合动力系统的一种能量管理策略之一。

本发明提供一种燃料电池应急电源控制系统及控制方法，具有以下优点：通过采用CAN协议通信方式、Modbus通信协议和硬接线多种形式的结合使用，使系统通信兼容性更强，可靠性更高，系统更稳定；优化的混合动力系统控制方式，合理分配燃料电池、锂电池与负载之间的能量分配，提高了燃料电池、锂电池的工作效率和稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种燃料电池应急电源控制系统，其特征在于，包括燃料电池系统、锂电池系统、电力变换系统、PLC和网关模块GWM：

所述燃料电池系统包括系统控制器ECU、燃料电池模块、双向DCDC变换器、第一人机交互界面、调试上位机PC，所述系统控制器ECU通过CAN通信与所述燃料电池模块、所述双向DCDC变换器、所述第一人机交互界面、所述调试上位机PC以及所述网关模块GWM建立通信连接，所述系统控制器ECU分别与所述燃料电池模块、双向DCDC变换器通过硬线IO建立通信连接；

所述锂电池系统包括锂电池模块、锂电池管理系统BMS、第二人机交互界面，所述电力变换系统包括充电机和逆变器DC/AC，所述PLC为所述锂电池系统和电力变换系统的控制单元，所述PLC通过Modbus协议与所述锂电池模块、锂电池管理系统BMS、充电机、逆变器DC/AC、第二人机交互界面以及所述网关模块GWM建立通信连接，所述PLC分别与所述锂电池管理系统BMS、充电机、逆变器DC/AC通过硬线IO建立通信连接。

2.一种基于燃料电池应急电源控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，获取系统当前负载需求P_req和当前功率P_now的数据值；

S2，判断P_req和P_now的大小关系，若P_req>P_now，则对系统进行加载，若P_req＝P_now，则系统正常输出，若P_req<P_now，则对系统进行减载；

S3，获取锂电池当前SOC的数据值；

S4，判断SOC与预设范围(SOC_min,SOC_max)的大小关系，若SOC大于预设范围(SOC_min,SOC_max)，则进行放电，若SOC处在预设范围(SOC_min,SOC_max)内，则电池充电状态为静止，若SOC小于预设范围(SOC_min,SOC_max)，则进行充电。