CN109888415B - 混合电池能源动力系统及其能源分配控制方法 - Google Patents

混合电池能源动力系统及其能源分配控制方法 Download PDF

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CN109888415B CN201910040422.4A CN201910040422A CN109888415B CN 109888415 B CN109888415 B CN 109888415B CN 201910040422 A CN201910040422 A CN 201910040422A CN 109888415 B CN109888415 B CN 109888415B
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Abstract

本发明实施例提供了一种混合电池能源动力系统及其能源分配控制方法。所述系统包括：固体氧化物燃料电池系统、锂电池组、功率变换器和能源管理控制器；固体氧化物燃料电池系统与功率变换器连接，用于提供电源；锂电池组与功率变换器并连，用于提供电源；功率变换器与能源管理控制器连接，用于抽取固体氧化物燃料电池系统的输出功率；能源管理控制器，分别与固体氧化物燃料电池系统和锂电池组连接，用于控制固体氧化物燃料电池系统和锂电池组输出电量，实现能源分配。本发明实施例提供的混合电池能源动力系统及其能源分配控制方法，具有高效、稳定且耐用的特点。

Description

混合电池能源动力系统及其能源分配控制方法
技术领域
本发明实施例涉及高温燃料电池和新能源技术领域，尤其涉及一种混合电池能源动力系统及其能源分配控制方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池是一种工作在高温(600～800℃)环境下的能量转换装置，通过电化学反应能够直接将碳氢化合物中的化学能转化为电能，没有燃烧与机械传动，具有安静、清洁、高效率、长寿命，广泛的燃料适用性和能量密度高等优点，被誉为最具前景的绿色发电技术之一。然而，固体氧化物燃料电池功率输出特性软(负载变化时，输出功率变化大是为功率输出特性软，反之为功率输出特性硬)、动态响应慢、启动慢、无法满足功率频繁变化的负载，因此单独使用固体氧化物燃料电池供电无法满足实际生产和生活需求。由于锂电池具有功率高，响应速度快等优点，因此采用固体氧化物燃料电池和锂电池混合动力系统的方案可以充分发挥固体氧化物燃料电池和锂电池的特点。在此基础上，找到一种通过能量管理算法分配固体氧化物燃料电池和锂电池输出功率，固体氧化物燃料电池负责产生电能和提供负载平均功率，锂电池负责维持总线电压和提供负载瞬时功率，从而形成高效、稳定、长寿命的混合动力系统，并获取该系统的有效控制方法，就成为业界广泛关注的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种混合电池能源动力系统及其能源分配控制方法及方法。
第一方面，本发明的实施例提供了一种混合电池能源动力系统，包括：固体氧化物燃料电池系统、锂电池组、功率变换器和能源管理控制器；所述固体氧化物燃料电池系统，与所述功率变换器连接，用于提供电源；所述锂电池组，与所述功率变换器并连，用于提供电源；所述功率变换器，与所述能源管理控制器连接，用于抽取所述固体氧化物燃料电池系统的输出功率；所述能源管理控制器，分别与所述固体氧化物燃料电池系统和锂电池组连接，用于控制所述固体氧化物燃料电池系统和锂电池组输出电量，实现能源分配。
进一步地，所述功率变换器，包括：直流功率变换器。
进一步地，所述固体氧化物燃料电池系统，包括：空气供应子系统、燃料供应子系统、固体氧化物燃料电池、换热器、燃烧室和高温热箱；所述空气供应子系统，与所述换热器连接，用于向所述固体氧化物燃料电池供应空气；所述燃料供应子系统，与所述换热器连接，用于向所述固体氧化物燃料电池供应燃料；所述换热器，与所述燃烧室连接，用于改变空气和/或燃料的温度；所述燃烧室，与所述固体氧化物燃料电池连接，用于为未燃烧干净的空气和燃料提供继续燃烧的场所；所述固体氧化物燃料电池，与所述换热器连接，用于接收空气和燃料，并产生电能；所述高温热箱，通过换热器与所述空气供应子系统和燃料供应子系统连接，用于盛装所述固体氧化物燃料电池、换热器和燃烧室。
第二方面，本发明的实施例提供了一种混合电池能源动力系统的能源分配控制方法，应用于第一方面的各种混合电池能源动力系统中，包括：所述能源管理控制器采样相应信号，通过能源管理算法得到输入燃料流量值、输入空气流量值和功率变换器的输入电流值，并将所述输入电流值发送至所述功率变换器，将所述输入燃料流量值和输入空气流量值，发送至所述固体氧化物燃料电池系统；所述功率变换器，根据接收的输入电流值，直接控制所述固体氧化物燃料电池系统和间接控制锂电池组的输出电量，实现能源的分配控制。
进一步地，所述相应信号，包括：总线电压、固体氧化物燃料电池功率输出电压、锂电池组输出电流、固体氧化物燃料电池输出电流、负载电流、功率变换器输出电流和固体氧化物燃料电池系统温度。
进一步地，所述通过能源管理算法得到功率变换器输入电流值，包括：
Figure BDA0001947347630000031
Figure BDA0001947347630000032
Figure BDA0001947347630000033
Figure BDA0001947347630000034
其中，
Figure BDA0001947347630000035
为功率变换器输入电流值；vb为总线电压；vsofc为固体氧化物燃料电池输出电压；voc *为总线电压设定值；Eb为总线电压误差；α、Kl和KR为控制器的增益；il *为保持锂电池荷电状态和跟踪负载电流；
Figure BDA0001947347630000036
为负载电阻的估计值；β为估计器增益；Rl为负载电阻，负载电阻Rl有界，Rl∈[Rl,min,Rl,max]；
Figure BDA0001947347630000037
为负载电流误差；
Figure BDA0001947347630000038
为负载电导估计值；Gl,min和Gl,max为Gl的最小和最大值；t为时间。
进一步地，所述通过能源管理算法得到输入燃料流量值、输入空气流量值，包括：
Figure BDA0001947347630000039
Figure BDA00019473476300000310
其中，FH2为输入燃料流量值，Fair为输入空气流量值，FH2,min和FH2,max为FH2的最小和最大值；Fair,min和Fair,max为Fair的最小和最大值；Ud为燃料利用率设定值；Kcell为由固体氧化物燃料电池大小决定的为增益；
Figure BDA00019473476300000311
为功率变换器输入电流值；
Figure BDA00019473476300000312
和
Figure BDA00019473476300000313
为
Figure BDA00019473476300000314
的最小和最大值；Tsofc为固体氧化物燃料电池系统温度；
Figure BDA00019473476300000315
为固体氧化物燃料电池系统设定工作温度；ki为控制器积分增益；kp为控制器比例增益；F为法拉第常数。
本发明实施例提供的混合电池能源动力系统及其能源分配控制方法，通过对固体氧化物燃料电池系统和锂电池组这两种电池配置功率变换器和能源管理控制器，并在能源管理控制器中采用相应的控制算法，可以有效分配两种电池的输出功率，从而得到高效、稳定且耐用的混合电池能源动力系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的混合电池能源动力系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的固体氧化物燃料电池系统结构示意图；
图3为本发明实施例提供的混合电池能源动力系统的能源分配控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
一方面，本发明实施例提供了一种混合电池能源动力系统，参见图1，该系统包括：
固体氧化物燃料电池系统101、锂电池组103、功率变换器102、能源管理控制器104和负载105。其中，黑实线表示电路，黑箭头线表示气路，虚线细箭头表示传感器信号，实线细箭头表示控制信号。
所述固体氧化物燃料电池系统101，与所述功率变换器102连接，用于提供电源；
所述锂电池组103，与所述功率变换器102连接，用于提供电源；
所述功率变换器102，与所述能源管理控制器104连接，用于抽取所述固体氧化物燃料电池系统101的输出功率；
所述能源管理控制器104，分别与所述固体氧化物燃料电池系统101和锂电池组103连接，用于控制所述固体氧化物燃料电池系统101和锂电池组103输出电量，实现能源分配。
此外，所述功率变换器102与所述锂电池组103并联，形成功率总线，所述功率总线用于连接负载105。
具体地，功率变换器102(可以为直流功率变换器)内部集成小型控制器，可以根据输入电流值
Figure BDA0001947347630000051
自动抽取固体氧化物燃料电池系统101输出电功率。
能源管理控制器104的作用是保证整个混合动力系统安全、高效、长寿命的运行，同时通过内部的能量管理算法分配固体氧化物燃料电池系统101和锂电池组103输出功率，固体氧化物燃料电池系统101负责产生电能和提供负载平均功率，锂电池组103负责维持总线电压和提供负载瞬时功率。其工作过程为：能源管理控制器104采样总线电压vb、固体氧化物燃料电池系统101功率输出电压vsofc、锂电池组103输出电流ibat、固体氧化物燃料电池系统101输出电流isofc、负载电流il、功率变换器102输出电流idc、固体氧化物燃料电池系统101温度Tsofc等传感器信号，并通过内部能量管理算法计算并给出功率变换器102输入电流值
Figure BDA0001947347630000052
和固体氧化物燃料电池系统101输入燃料流量值FH2和输入空气流量值Fair。
具体地，固体氧化物燃料电池系统101可以参见图2，图2中包括：空气供应子系统202、燃料供应子系统203、高温热箱204、换热器205、燃烧室206、固体氧化物燃料电池207、鼓风机208、控制器209、阀门210、阀门211、燃料瓶212、控制器213、多向出入口214和控制器215。其中，黑实线表示电路，黑箭头线表示气路，虚线细箭头表示传感器信号，实线细箭头表示控制信号。
所述空气供应子系统202，与所述换热器205连接，用于向所述固体氧化物燃料电池207供应空气；
所述燃料供应子系统203，与所述换热器205连接，用于向所述固体氧化物燃料电池207供应燃料；
所述换热器205，与所述燃烧室206连接，用于改变空气和/或燃料的温度；
所述燃烧室206，与所述固体氧化物燃料电池207连接，用于为未燃烧干净的空气和燃料提供继续燃烧的场所；
所述固体氧化物燃料电池207，与所述换热器205连接，用于接收空气和燃料，并产生电能；
所述高温热箱204，通过换热器205与所述空气供应子系统202和燃料供应子系统203连接，用于盛装所述固体氧化物燃料电池207、换热器205和燃烧室206。
为了提高系统的热效率，高温热箱204采用绝热材料封装，仅留下气路(如黑箭头线所示)、电路(如sofc+和sofc-)和传感器信号接口(如Tsofc)；空气供应子系统202、燃料供应子系统203、和高温热箱204按照固体氧化物燃料电池的工艺流程通过气体管路连接；固体氧化物燃料电池系统201的输入是：燃料流量值FH2和空气流量值Fair，输出是：电功率。温度等传感器信号可以被能源管理控制器104采样；空气供应子系统202和燃料供应子系统203内部集成小型控制器(如控制器209、控制器213和控制器215)，可以根据燃料流量值FH2和空气流量值Fair给固体氧化物燃料电池系统101供应燃料和空气。具体过程为，FH2对应的燃料(可以为氢气H2)由燃料瓶212提供，控制器213和控制器215分别控制阀门210和阀门211的开关，将燃料送入多向出入口214，再由多向出入口214送至换热器205；Fair对应的空气由控制器209控制鼓风机208,将空气鼓入换热器205。
在上述系统实施例的基础上，本发明实施例中提供的混合电池能源动力系统，所述功率变换器，包括：直流功率变换器。
以上述实施例提供的各个混合电池能源动力系统为基础，本发明实施例还提供了一种混合电池能源动力系统的能源分配控制方法，参见图3，该方法包括：
301、所述能源管理控制器104采样相应信号，通过能源管理算法得到输入燃料流量值、输入空气流量值和功率变换器102的输入电流值，并将所述输入电流值发送至所述功率变换器102，将所述输入燃料流量值和输入空气流量值，发送至所述固体氧化物燃料电池系统101；
302、所述功率变换器102，根据接收的输入电流值，直接控制所述固体氧化物燃料电池系统101和间接控制锂电池组103的输出电量，实现能源的分配控制。
在上述方法实施例的基础上，本发明实施例中提供的混合电池能源动力系统及其能源分配控制方法，所述相应信号，包括：总线电压、固体氧化物燃料电池功率输出电压、锂电池组输出电流、固体氧化物燃料电池输出电流、负载电流、功率变换器输出电流和固体氧化物燃料电池系统温度。
在上述方法实施例的基础上，本发明实施例中提供的混合电池能源动力系统及其能源分配控制方法，所述通过能源管理算法得到功率变换器输入电流值，包括：
Figure BDA0001947347630000071
Figure BDA0001947347630000072
Figure BDA0001947347630000073
Figure BDA0001947347630000074
其中，
Figure BDA0001947347630000075
为功率变换器输入电流值；vb为总线电压；vsofc为固体氧化物燃料电池输出电压；voc *为总线电压设定值；Eb为总线电压误差；α、Kl和KR为控制器的增益；il *为保持锂电池荷电状态和跟踪负载电流；
Figure BDA0001947347630000076
为负载电阻的估计值；β为估计器增益；Rl为负载电阻，负载电阻Rl有界，Rl∈[Rl,min,Rl,max]；
Figure BDA0001947347630000081
为负载电流误差；
Figure BDA0001947347630000082
为负载电导估计值；Gl,min和Gl,max为Gl的最小和最大值；t为时间。
在上述方法实施例的基础上，本发明实施例中提供的混合电池能源动力系统及其能源分配控制方法，所述通过能源管理算法得到输入燃料流量值、输入空气流量值，包括：
Figure BDA0001947347630000083
Figure BDA0001947347630000084
其中，FH2为输入燃料流量值，Fair为输入空气流量值，FH2,min和FH2,max为FH2的最小和最大值；Fair,min和Fair,max为Fair的最小和最大值；Ud为燃料利用率设定值；Kcell为增益(如固体氧化物燃料电池决定的增益)；
Figure BDA0001947347630000085
为功率变换器输入电流值；
Figure BDA0001947347630000086
和
Figure BDA0001947347630000087
为
Figure BDA0001947347630000088
的最小和最大值；Tsofc为固体氧化物燃料电池系统的温度；
Figure BDA0001947347630000089
为固体氧化物燃料电池系统的设定工作温度；ki为控制器积分增益；kp为控制器比例增益；F为法拉第常数。
需要说明的是，上述实施例提供的混合电池能源动力系统的能源分配控制方法中，可以采用现有技术的控制方案具体实现。例如，PID控制方法，由于各种现有控制方法在现有文献中均可查阅得到，所以在此不做详细阐述。
本发明实施例提供的混合电池能源动力系统及其能源分配控制方法，通过对两种电池配置功率变换器和能源管理控制器，并在能源管理控制器中采用相应的控制算法，可以有效分配两种电池的输出功率，从而得到高效、稳定且耐用的混合电池能源动力系统。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后需要说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种混合电池能源动力系统，其特征在于，包括：
固体氧化物燃料电池系统、锂电池组、功率变换器和能源管理控制器；
所述固体氧化物燃料电池系统，与所述功率变换器连接，用于提供电源；
所述锂电池组，与所述功率变换器并连，用于提供电源；
所述功率变换器，与所述能源管理控制器连接，用于抽取所述固体氧化物燃料电池系统的输出功率；
所述能源管理控制器，分别与所述固体氧化物燃料电池系统和锂电池组连接，用于控制所述固体氧化物燃料电池系统和锂电池组输出电量，实现能源分配；
其中，所述能源管理控制器采样相应信号，通过能源管理算法得到输入燃料流量值、输入空气流量值和功率变换器的输入电流值，并将所述输入电流值发送至所述功率变换器，将所述输入燃料流量值和输入空气流量值，发送至所述固体氧化物燃料电池系统；
所述功率变换器，根据接收的输入电流值，直接控制所述固体氧化物燃料电池系统和间接控制锂电池组的输出电量，实现能源的分配控制；
所述通过能源管理算法得到功率变换器输入电流值，包括：
Figure FDA0003333660670000011
Figure FDA0003333660670000012
Figure FDA0003333660670000013
Figure FDA0003333660670000014
其中，
Figure FDA0003333660670000015
为功率变换器输入电流值；vb为总线电压；vsofc为固体氧化物燃料电池输出电压；voc *为总线电压设定值；Eb为总线电压误差；α、Kl和KR为控制器的增益；il *为保持锂电池荷电状态和跟踪负载电流；
Figure FDA0003333660670000016
为负载电阻的估计值；β为估计器增益；Rl为负载电阻，负载电阻Rl有界，Rl∈[Rl,min,Rl,max]；
Figure FDA0003333660670000017
为负载电流误差；
Figure FDA0003333660670000018
为负载电导估计值；Gl,min和Gl,max为Gl的最小和最大值；t为时间；
所述通过能源管理算法得到输入燃料流量值、输入空气流量值，包括：
Figure FDA0003333660670000021
Figure FDA0003333660670000022
其中，FH2为输入燃料流量值，Fair为输入空气流量值，FH2,min和FH2,max为FH2的最小和最大值；Fair,min和Fair,max为Fair的最小和最大值；Ud为燃料利用率设定值；Kcell为由固体氧化物燃料电池大小决定的增益；
Figure FDA0003333660670000023
为功率变换器输入电流值；
Figure FDA0003333660670000024
和
Figure FDA0003333660670000025
为
Figure FDA0003333660670000026
的最小和最大值；Tsofc为固体氧化物燃料电池系统温度；
Figure FDA0003333660670000027
为固体氧化物燃料电池系统设定工作温度；ki为控制器积分增益；kp为控制器比例增益；F为法拉第常数。
2.根据权利要求1所述的混合电池能源动力系统，其特征在于，所述功率变换器，包括：
直流功率变换器。
3.根据权利要求1所述的混合电池能源动力系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池系统，包括：
空气供应子系统、燃料供应子系统、固体氧化物燃料电池、换热器、燃烧室和高温热箱；
所述空气供应子系统，与所述换热器连接，用于向所述固体氧化物燃料电池供应空气；
所述燃料供应子系统，与所述换热器连接，用于向所述固体氧化物燃料电池供应燃料；
所述换热器，与所述燃烧室连接，用于改变空气和/或燃料的温度；
所述燃烧室，与所述固体氧化物燃料电池连接，用于为未燃烧干净的空气和燃料提供继续燃烧的场所；
所述固体氧化物燃料电池，与所述换热器连接，用于接收空气和燃料，并产生电能；
所述高温热箱，通过换热器与所述空气供应子系统和燃料供应子系统连接，用于盛装所述固体氧化物燃料电池、换热器和燃烧室。
4.一种混合电池能源动力系统的能源分配控制方法，应用于如权利要求1至3任一权利要求所述的系统，其特征在于，包括：
所述能源管理控制器采样相应信号，通过能源管理算法得到输入燃料流量值、输入空气流量值和功率变换器的输入电流值，并将所述输入电流值发送至所述功率变换器，将所述输入燃料流量值和输入空气流量值，发送至所述固体氧化物燃料电池系统；
所述功率变换器，根据接收的输入电流值，直接控制所述固体氧化物燃料电池系统和间接控制锂电池组的输出电量，实现能源的分配控制；
所述通过能源管理算法得到功率变换器输入电流值，包括：
Figure FDA0003333660670000031
Figure FDA0003333660670000032
Figure FDA0003333660670000033
Figure FDA0003333660670000034
其中，
Figure FDA0003333660670000035
为功率变换器输入电流值；vb为总线电压；vsofc为固体氧化物燃料电池输出电压；voc *为总线电压设定值；Eb为总线电压误差；α、Kl和KR为控制器的增益；il *为保持锂电池荷电状态和跟踪负载电流；
Figure FDA0003333660670000036
为负载电阻的估计值；β为估计器增益；Rl为负载电阻，负载电阻Rl有界，Rl∈[Rl,min,Rl,max]；
Figure FDA0003333660670000037
为负载电流误差；
Figure FDA0003333660670000038
为负载电导估计值；Gl,min和Gl,max为Gl的最小和最大值；t为时间；
所述通过能源管理算法得到输入燃料流量值、输入空气流量值，包括：
Figure FDA0003333660670000039
Figure FDA00033336606700000310
其中，FH2为输入燃料流量值，Fair为输入空气流量值，FH2,min和FH2,max为FH2的最小和最大值；Fair,min和Fair,max为Fair的最小和最大值；Ud为燃料利用率设定值；Kcell为由固体氧化物燃料电池大小决定的增益；
Figure FDA0003333660670000041
为功率变换器输入电流值；
Figure FDA0003333660670000042
和
Figure FDA0003333660670000043
为
Figure FDA0003333660670000044
的最小和最大值；Tsofc为固体氧化物燃料电池系统温度；
Figure FDA0003333660670000045
为固体氧化物燃料电池系统设定工作温度；ki为控制器积分增益；kp为控制器比例增益；F为法拉第常数。
5.根据权利要求4所述的混合电池能源动力系统的能源分配控制方法，其特征在于，所述相应信号，包括：
总线电压、固体氧化物燃料电池功率输出电压、锂电池组输出电流、固体氧化物燃料电池输出电流、负载电流、功率变换器输出电流和固体氧化物燃料电池系统温度。
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