CN110311458A - 一种燃料电池复合电源系统及控制方法 - Google Patents
一种燃料电池复合电源系统及控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110311458A CN110311458A CN201910413796.6A CN201910413796A CN110311458A CN 110311458 A CN110311458 A CN 110311458A CN 201910413796 A CN201910413796 A CN 201910413796A CN 110311458 A CN110311458 A CN 110311458A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fuel cell
- super capacitor
- module
- power supply
- storage battery
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 146
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 120
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 60
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 60
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 57
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 51
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 11
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 7
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000013589 supplement Substances 0.000 abstract 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000005034 decoration Methods 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
- H02J1/10—Parallel operation of dc sources
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
- H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
- H02J2300/30—The power source being a fuel cell
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明公开了一种燃料电池复合电源系统及控制方法，属于燃料电池领域，能够实现整个系统氢耗量最低，提高了整个系统的效率和使用寿命。本发明系统包括：燃料电池模块，用于为汽车提供主要动力源；超级电容模块，用于为汽车提供瞬态峰值功率；蓄电池模块用于对剩余汽车需求功率的补充；数据采集模块，分别与燃料电池模块、蓄电池模块、超级电容模块还有负载模块连接；复合电源控制器是根据采集到的蓄电池模块，超级电容模块，燃料电池模块以及负载模块的状态信息，基于考虑惩罚系数的最小氢耗策略实现对燃料电池模块、蓄电池模块和超级电容模块的电流的最优分配。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池复合电源系统及控制方法。
背景技术
近几年来，燃料电池凭借其效率高，无污染的优点，在车辆领域有了广泛的应用。考虑到燃料电池动态响应慢的缺点，又将燃料电池与其他储能能源如蓄电池、超级电容等组成复合电源使用。超级电容具有高功率密度的优点，蓄电池具有高能量密度的优点，因而充分发挥这些电源各自的优点，设计出一款经济性、寿命高、可靠性好的燃料电池复合电源系统尤其重要。
目前对燃料电池复合电源系统的能量管理策略分为基于规则和基于优化的两种，但绝大多数采用的是基于规则的能量管理策略，电源间的功率分配可以实现，但经济效益不高。针对三种能源(燃料电池、蓄电池和超级电容)的能量管理策略也多采用基于规则的能量管理策略，基于优化的能量管理策略又分为全局优化和局部优化，全局优化算法如动态规划和遗传算法，虽然可以实现全局的最优解，但是需要预先知道工况信息并且不能进行实时地优化，在实际应用中意义不大。局部优化如等效最小燃油消耗策略，能够实时地计算出优化目标函数的最优解，从而实现对多能源系统进行最优的能量分配，但目前采用基于最小燃油消耗的能量管理策略对三种能源进行能量管理的，多把超级电容的等效氢耗忽略不计,使得整个系统的氢耗量不是最低，经济性不好。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池复合电源系统及控制方法，能够实现整个系统氢耗量最低，提高了整个系统的效率和使用寿命。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池复合电源系统，包括燃料电池模块、超级电容模块、蓄电池模块、负载模块、数据采集模块、复合电源控制器；所述复合电源控制器与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块分别与所述燃料电池模块、蓄电池模块、超级电容模块连接；所述蓄电池模块与负载模块直接连接；所述燃料电池模块连接单向DC-DC控制器，通过调节单向DC-DC变换器的占空比，实现燃料电池模块对直流母线的单向供能，单向DC-DC控制器分别与负载模块以及复合电源控制器相连；所述超级电容模块连接双向DC-DC控制器，通过调节双向DC-DC变换器的占空比，实现超级电容的充电和放电，双向DC-DC控制器分别与负载以及复合电源控制器相连；所述复合电源控制器根据采集到的燃料电池模块，蓄电池模块，超级电容模块以及负载模块的状态信息，基于考虑惩罚系数的等效氢耗量最小策略实现对燃料电池，蓄电池以及超级电容电流的最优分配。
以上所述系统中，所述数据采集模块包括负载电流和电压采集模块、燃料电池效率采集模块、超级电容荷电状态采集模块、超级电容电压采集模块、蓄电池荷电状态采集模块，所述负载电流采集电路与汽车内的负载串联后，与复合电源控制器相连；所述负载电压采集模块与负载并联后，与复合电源控制器相连；所述燃料电池效率采集模块分别与燃料电池模块和复合电源控制器连接，所述燃料电池效率采集模块采集到燃料电池的效率后，输入给复合电源控制器；所述超级电容荷电状态采集模块分别与超级电容模块和复合电源控制器连接，所述超级电容荷电状态采集模块测得超级电容的荷电状态后，传输给复合电源控制器；所述超级电容电压采集模块分别与超级电容模块和复合电源控制器连接，所述超级电容电压采集模块测得超级电容的电压信号后，输入到复合电源控制器；所述蓄电池荷电状态采集模块分别与超级电容模块和复合电源控制器连接，所述蓄电池荷电状态测得蓄电池的荷电状态后，输入到复合电源控制器。
一种燃料电池复合电源控制方法，包括以下步骤：
(1)确定蓄电池和超级电容等效因子，
(2)计算燃料电池惩罚系数，确保燃料电池工作在高效率区间；
(3)计算蓄电池惩罚系数，确保蓄电池工作在合理的荷电状态区间内；
(4)计算超级电容惩罚系数，确保超级电容工作在合理的荷电状态区间内，并且提供峰值功率；
(5)基于等效氢耗量最小策略，建立等效氢耗量的目标函数和约束，求解出等效氢耗量最小时所对应的燃料电池、蓄电池和超级电容的参考电流。
以上所述步骤中，步骤(1)中所述蓄电池和超级电容等效因子通过式(1)和式(2)计算得到：
其中，λba为蓄电池的氢耗等效因子；λsc为超级电容的氢耗等效因子；Paverage为燃料电池的平均功率；maverage为燃料电池的平均氢耗；和为蓄电池和超级电容的等效转化效率，设为定常数；
步骤(2)中所述燃料电池的惩罚系数可确保燃料电池工作在高效率区间，所述燃料电池的惩罚系数通过式(3)计算得到：
其中，Keff为通过最优效率限制燃料电池工作区间的惩罚系数，η(t)为燃料电池实时的效率，ηopt为燃料电池的最优效率，ηmax为燃料电池的最大效率，ηmin为燃料电池的最小效率，a为一个0～1之间的待定常数值，用于区分惩罚强度，根据现阶段氢燃料电池技术，a的建议取值为0.4。
步骤(3)中蓄电池的惩罚系数Kba可确保蓄电池的荷电状态能保持在合理的范围，所述蓄电池的惩罚系数Kba通过式(4)计算得到：
其中，Kba为限制蓄电池荷电状态变化范围的惩罚系数，SOCba(t)为蓄电池的实时荷电状态，Bmin为蓄电池的最小荷电状态，Bmax为蓄电池的最大荷电状态，Bint为蓄电池的初始荷电状态。当SOCba(t)介于Bmin与Bmax之外时，给出极大的惩罚系数以限制电池功率输出。
步骤(4)中所述超级电容的惩罚系数可确保超级电容的荷电状态能保持在合理的范围，所述超级电容的惩罚系数通过最优效率系数Seff和峰值功率系数Speak共同计算得到，按照式(5)～(7)：
Ksc＝Seff*Speak(7)
其中，Ksc为限制超级电容荷电状态变化范围的惩罚系数，SOCsc(t)为超级电容的实时荷电状态，Smin为超级电容的最小荷电状态，Smax为超级电容的最大荷电状态，Sint为超级电容的初始荷电状态，Iload为负载电流需求，b为一个待定正常数，该值可由具体工况优化得到，k为比例系数，为一个常数值，根据b的具体取值而变化，确保-k*Iload+1这一项的取值在0～1之间。当SOCsc(t)介于Smin与Smax之外时，给出极大的惩罚系数以限制超级电容功率输出。当负载电流Iload超过给定的b或小于0时，给出小的惩罚系数来增大超级电容的功率输出。
步骤(5)的具体过程为：
a.燃料电池的直接氢耗量可以通过式(8)计算得到，
其中，为氢气的摩尔质量，mfc(t)为氢气的消耗量，Ncell为燃料电池的电池数目，F为法拉第常数，Ifc为燃料电池的电流。
b.通过燃料电池直接氢耗量、蓄电池和超级电容间接氢耗量可计算总氢耗量，按照式(9)：
m(t)＝mfc(t)+λba*Ubus*Iba(t)+λsc*Usc*Isc(t)(9)
其中，Ubus为总线电压，Usc为超级电容电压，Iba(t)为蓄电池参考电流，Isc(t)为超级电容参考电流。
c.根据等效氢耗量最小策略实现对燃料电池、蓄电池和超级电容电流的分配，结合式(1)～(9)将目标函数定义为：
d.为保证复合电源系统正常工作，设置以下约束表达式：
其中，Pbamin为蓄电池的最小功率，Pbamax为蓄电池的最小和最大功率，Pscmin为超级电容的最小功率，Pscmax为超级电容的最大功率，为蓄电池在当前SOCba(t)下的放电电流限值，为蓄电池在当前SOCba(t)下的充电电流限值，Ifcmin为燃料电池最小电流。
步骤(5)的具体过程中步骤(c)以燃料电池、蓄电池和超级电容电流作为变量，将等效氢耗量最小问题转化式(10)所示非线性方程的极值求解问题，采用序列二次规划算法对上述含非线性约束优化问题进行实时求解，得到最小氢耗量下所对应的燃料电池、蓄电池和超级电容的实时参考电流。
有益效果：本发明提供了一种燃料电池复合电源系统及控制方法，能够实现整个系统氢耗量最低，提高了整个系统的效率和使用寿命；对传统的基于等效最小氢耗的能量管理策略进行了改进，目前在等效最小氢耗策略的研究多集中于两个电源，对三个电源的研究也多集中于只考虑其中两个的等效氢耗的情况，忽略第三个能源，本发明考虑了燃料电池的直接氢耗量以及蓄电池和超级电容的等效氢耗量，通过优化能够得出实现燃料电池复合电源系统等效氢耗最小的最优解，从而实现整个系统的氢耗量最低。燃料电池作为该复合电源系统的主能源，通过实验数据获得燃料电池的效率图，确定燃料电池的高效率区间，引入燃料电池惩罚系数，确保燃料电池尽量工作在高效率区间，进而提高着整个系统的效率。考虑到燃料电池动态响应慢的缺点以及延长其寿命，对燃料电池的电流变化率进行约束，从而尽可能减少燃料电池的电流波动，引入惩罚系数使燃料电池尽量工作在高效率区间，并且使超级电容和蓄电池的荷电状态保持在一定的范围，从而避免蓄电池和超级电容的过充和过放，超级电容的惩罚系数中考虑峰值功率系数，让超级电容承担峰值功率，从而使蓄电池免受大电流冲击，进而提高整个复合电源系统的寿命水平。
附图说明
图1为本发明的燃料电池复合电源系统的结构示意图；
图2为本发明控制方法的流程图；
图3为本发明中控制方法的示意图。
其中，1为复合电源控制器，2为燃料电池，3为蓄电池，4为超级电容，5为双向DC-DC变换器，6为单向DC-DC变换器，7为汽车负载，8为燃料电池的数据采集模块，9为超级电容的数据采集模块，10为蓄电池的数据采集模块，11为负载的数据采集模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示是一种燃料电池复合电源系统，包括燃料电池模块、超级电容模块、蓄电池模块、负载模块、数据采集模块、复合电源控制器；所述复合电源控制器与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块分别与所述燃料电池模块、蓄电池模块、超级电容模块连接；所述蓄电池模块与负载模块直接连接；所述燃料电池模块连接单向DC-DC控制器，单向DC-DC控制器分别与负载模块以及复合电源控制器相连；所述超级电容模块连接双向DC-DC控制器，双向DC-DC控制器分别与负载以及复合电源控制器相连；所述复合电源控制器根据采集到的燃料电池模块，蓄电池模块，超级电容模块以及负载模块的状态信息，基于考虑惩罚系数的等效氢耗量最小策略实现对燃料电池，蓄电池以及超级电容电流的最优分配。燃料电池模块用于为汽车提供主要动力源；超级电容模块用于为汽车提供瞬态峰值功率；蓄电池模块用于对剩余汽车需求功率的补充；复合电源控制器分别与燃料电池模块、蓄电池模块、超级电容模块以及数据采集模块连接，根据采集到的燃料电池模块，蓄电池模块，超级电容模块以及负载模块的状态信息，基于等效氢耗量最小策略实现对燃料电池，蓄电池以及超级电容的电流分配，并分别将燃料电池和超级电容的参考电流输入给燃料电池模块和超级电容模块的DC-DC变换器。
所述复合电源系统中燃料电池模块连有一个单向DC-DC变换器，单向DC-DC变换器与燃料电池模块相连，经单向DC-DC控制器实现燃料电池模块对直流母线的单向供能。燃料电池模块通过数据采集装置与复合电源控制器相连，该数据采集装置为试验测得的燃料电池的效率曲线，依据燃料电池的实时电流查表输出相应输出电流下的燃料电池效率。超级电容模块连有一个双向DC-DC变换器，通过双向DC-DC变换器实现超级电容的充电和放电。超级电容模块通过数据采集装置与复合电源控制器相连，该数据采集装置采集超级电容荷电状态以及电压信号，电压信号可以通过电压采集电路测得，超级电容荷电状态与超级电容电压成线性关系，依据超级电容电压可以算出超级电容的荷电状态。蓄电池模块直接与负载相连，蓄电池模块通过数据采集模块与复合电源控制器相连，该数据采集模块为电池管理系统，采集蓄电池的荷电状态发送给复合电源控制器。数据采集模块采集负载的电压和电流信号给复合电源控制器，该数据采集模块通过霍尔传感器测得电流负载电流信号，通过电压采集电路测得负载电压信号。复合电源控制器根据以上数据采集模块采集到的燃料电池模块，蓄电池模块，超级电容模块以及负载模块的状态信息，基于等效氢耗量最小策略实现对燃料电池，蓄电池以及超级电容电流的最优分配。
如图2所示的燃料电池复合电源系统控制方法，包含如下步骤：
(1)确定蓄电池和超级电容等效因子；
(2)计算燃料电池惩罚系数，确保燃料电池工作在高效率区间；
(3)计算蓄电池惩罚系数，确保蓄电池工作在合理的荷电状态区间内；
(4)计算超级电容惩罚系数，确保超级电容工作在合理的荷电状态区间内，并且提供峰值功率；
(5)基于等效氢耗量最小策略，建立等效氢耗量的目标函数和约束，求解出等效氢耗量最小时所对应的燃料电池、蓄电池和超级电容参考电流。
图3给出了燃料电池复合电源系统控制方法的示意图，具体内容如下：
步骤(1)中蓄电池和超级电容等效因子可以通过式(1)和式(2)计算得到：
其中，λba为蓄电池的氢耗等效因子；λsc为超级电容的氢耗等效因子；Paverage为燃料电池的平均功率，通过实验数据测得；maverage为燃料电池的平均氢耗，通过实验数据测得；和为蓄电池和超级电容的等效转化效率，设为定常数。
步骤(2)中燃料电池的惩罚系数可确保燃料电池工作在高效率区间，并通过式(3)计算得到：
其中，Keff为通过最优效率限制燃料电池工作区间的惩罚系数，η(t)为燃料电池实时的效率，ηopt为燃料电池的最优效率，ηmax为燃料电池的最大效率，ηmin为燃料电池的最小效率，a为一个0～1之间的待定常数值，用于区分惩罚强度，根据现阶段氢燃料电池技术，a的建议取值为0.4。
步骤(3)中蓄电池的惩罚系数Kba可确保蓄电池的荷电状态能保持在合理的范围，并通过式(4)计算得到：
其中，Kba为限制蓄电池荷电状态变化范围的惩罚系数，SOCba(t)为蓄电池的实时荷电状态，Bmin为蓄电池的最小荷电状态，Bmax为蓄电池的最大荷电状态，Bint为蓄电池的初始荷电状态。当SOCba(t)介于Bmin与Bmax之外时，给出极大的惩罚系数以限制电池功率输出。
步骤(4)中超级电容的惩罚系数可确保超级电容的荷电状态能保持在合理的范围，并通过最优效率系数Seff和峰值功率系数Speak共同计算得到，如式(5)～(7)：
Ksc＝Seff*Speak(7)
其中，Ksc为限制超级电容荷电状态变化范围的惩罚系数，SOCsc(t)为超级电容的实时荷电状态，Smin为超级电容的最小荷电状态，Smax为超级电容的最大荷电状态，Sint为超级电容的初始荷电状态，Iload为负载电流需求，b为一个待定正常数，该值可由具体工况优化得到，k为比例系数，为一个常数值，根据b的具体取值而变化，确保-k*Iload+1这一项的取值在0～1之间。当SOCsc(t)介于Smin与Smax之外时，给出极大的惩罚系数以限制超级电容功率输出。当负载电流Iload超过给定的b或小于0时，给出小的惩罚系数来增大超级电容的功率输出。
步骤(5)的具体过程包含以下步骤：
a.燃料电池的直接氢耗量可以通过式(8)计算得到，
其中，MH2为氢气的摩尔质量，mfc(t)为氢气的消耗量，Ncell为燃料电池的电池数目，F为法拉第常数，Ifc为燃料电池的电流。
b.通过燃料电池直接氢耗量、蓄电池和超级电容间接氢耗量可计算总氢耗量，如式(9)：
m(t)＝mfc(t)+λba*Ubus*Iba(t)+λsc*Usc*Isc(t)(9)
其中，Ubus为总线电压，Usc为超级电容电压，Iba(t)为蓄电池参考电流，Isc(t)为超级电容参考电流。
c.根据等效氢耗量最小策略实现对燃料电池、蓄电池和超级电容电流的分配，结合式(1)～(9)将目标函数定义为：
d.为保证复合电源系统正常工作，设置以下约束表达式：
其中，Pbamin为蓄电池的最小功率，Pbamax为蓄电池的最小和最大功率，Pscmin为超级电容的最小功率，Pscmax为超级电容的最大功率，分别为蓄电池在当前SOCba(t)下的放电电流和充电电流限值；为燃料电池最小电流。和这两个值为数据采集装置10(BMS)输出信号，通过CAN总线实时获取。
步骤(5)具体过程中的步骤(c)以燃料电池、蓄电池和超级电容电流作为变量，将等效氢耗量最小问题转化式(10)所示非线性方程的极值求解问题。采用序列二次规划算法对上述含非线性约束优化问题进行实时求解，得到最小氢耗量下所对应的燃料电池、蓄电池和超级电容的实时参考电流。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种燃料电池复合电源系统，其特征在于，包括燃料电池模块、超级电容模块、蓄电池模块、数据采集模块、复合电源控制器；所述复合电源控制器与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块分别与所述燃料电池模块、蓄电池模块、超级电容模块连接；所述蓄电池模块与负载模块直接连接；所述燃料电池模块连接单向DC-DC控制器，所述单向DC-DC控制器分别与负载以及所述复合电源控制器相连；所述超级电容模块连接双向DC-DC控制器，所述双向DC-DC控制器分别与负载以及所述复合电源控制器相连。
2.根据权利要求1所述的燃料电池复合电源系统，其特征在于，所述数据采集模块包括负载电流和电压采集模块、燃料电池效率采集模块、超级电容荷电状态采集模块、超级电容电压采集模块、蓄电池荷电状态采集模块；所述负载电流采集电路与汽车内的负载串联后，与复合电源控制器相连；所述负载电压采集模块与负载并联后，与复合电源控制器相连；所述燃料电池效率采集模块分别与燃料电池模块和复合电源控制器连接；所述超级电容荷电状态采集模块分别与超级电容模块和复合电源控制器连接；所述超级电容电压采集模块分别与超级电容模块和复合电源控制器连接；所述蓄电池荷电状态采集模块分别与超级电容模块和复合电源控制器连接。
3.一种燃料电池复合电源控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定蓄电池和超级电容等效因子；
(2)计算燃料电池惩罚系数，确保燃料电池工作在高效率区间；
(3)计算蓄电池惩罚系数，确保蓄电池工作在合理的荷电状态区间内；
(4)计算超级电容惩罚系数，确保超级电容工作在合理的荷电状态区间内，并且提供峰值功率；
(5)基于等效氢耗量最小策略，建立等效氢耗量的目标函数和约束，求解出等效氢耗量最小时所对应的燃料电池、蓄电池和超级电容的参考电流。
4.根据权利要求3所述的燃料电池复合电源控制方法，其特征在于，步骤(1)中所述蓄电池和超级电容等效因子通过式(1)和式(2)计算得到：
其中，λba为蓄电池的氢耗等效因子；λsc为超级电容的氢耗等效因子；Paverage为燃料电池的平均功率；maverage为燃料电池的平均氢耗；和为蓄电池和超级电容的等效转化效率，设为定常数。
5.根据权利要求3所述的燃料电池复合电源控制方法，其特征在于，步骤(2)中所述燃料电池的惩罚系数通过式(3)计算得到：
其中，Keff为通过最优效率限制燃料电池工作区间的惩罚系数，η(t)为燃料电池实时的效率，ηopt为燃料电池的最优效率，ηmax为燃料电池的最大效率，ηmin为燃料电池的最小效率，a为一个0～1之间的待定常数值，用于区分惩罚强度。
6.根据权利要求5所述的燃料电池复合电源控制方法，其特征在于，所述a的取值为0.4。
7.根据权利要求3所述的燃料电池复合电源控制方法，其特征在于，步骤(3)中蓄电池的惩罚系数Kba通过式(4)计算得到：
其中，Kba为限制蓄电池荷电状态变化范围的惩罚系数，SOCba(t)为蓄电池的实时荷电状态，Bmin为蓄电池的最小荷电状态，Bmax为蓄电池的最大荷电状态，Bint为蓄电池的初始荷电状态，当SOCba(t)介于Bmin与Bmax之外时，给出极大的惩罚系数以限制电池功率输出。
8.根据权利要求3所述的燃料电池复合电源控制方法，其特征在于，步骤(4)中所述超级电容的惩罚系数通过最优效率系数Seff和峰值功率系数Speak共同计算得到，按照式(5)～(7)：
Ksc＝Seff*Speak (7)
其中，Ksc为限制超级电容荷电状态变化范围的惩罚系数，SOCsc(t)为超级电容的实时荷电状态，Smin为超级电容的最小荷电状态，Smax为超级电容的最大荷电状态，Sint为超级电容的初始荷电状态，Iload为负载电流需求，b为一个待定正常数，k为比例系数，为一个常数值，根据b的具体取值而变化，确保-k*Iload+1这一项的取值在0～1之间，当SOCsc(t)介于Smin与Smax之外时，给出极大的惩罚系数以限制超级电容功率输出，当负载电流Iload超过给定的b或小于0时，给出小的惩罚系数来增大超级电容的功率输出。
9.根据权利要求3所述的燃料电池复合电源控制方法，其特征在于，步骤(5)的具体过程为：
a.燃料电池的直接氢耗量通过式(8)计算得到：
其中，MH2为氢气的摩尔质量，mfc(t)为氢气的消耗量，Ncell为燃料电池的电池数目，F为法拉第常数，Ifc为燃料电池的电流；
b.通过燃料电池直接氢耗量、蓄电池和超级电容间接氢耗量计算总氢耗量，按照式(9)：
m(t)＝mfc(t)+λba*Ubus*Iba(t)+λsc*Usc*Isc(t) (9)
其中，Ubus为总线电压，Usc为超级电容电压，Iba(t)为蓄电池参考电流，Isc(t)为超级电容参考电流；
c.根据等效氢耗量最小策略实现对燃料电池、蓄电池和超级电容电流的分配，结合式(1)～(9)将目标函数定义为：
d.为保证复合电源系统正常工作，设置以下约束表达式：
其中，Pbamin为蓄电池的最小功率，Pbamax为蓄电池的最小和最大功率，Pscmin为超级电容的最小功率，Pscmax为超级电容的最大功率，为蓄电池在当前SOCba(t)下的放电电流限值，为蓄电池在当前SOCba(t)下的充电电流限值，为燃料电池最小电流。
10.根据权利要求9所述的燃料电池复合电源控制方法，其特征在于，步骤(5)的具体过程中步骤(c)以燃料电池、蓄电池和超级电容电流作为变量，将等效氢耗量最小问题转化式(10)所示非线性方程的极值求解问题，采用序列二次规划算法对上述含非线性约束优化问题进行实时求解，得到最小氢耗量下所对应的燃料电池、蓄电池和超级电容的实时参考电流。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910413796.6A CN110311458B (zh) | 2019-05-17 | 2019-05-17 | 一种燃料电池复合电源系统及控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910413796.6A CN110311458B (zh) | 2019-05-17 | 2019-05-17 | 一种燃料电池复合电源系统及控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110311458A true CN110311458A (zh) | 2019-10-08 |
| CN110311458B CN110311458B (zh) | 2023-04-07 |
Family
ID=68075493
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910413796.6A Active CN110311458B (zh) | 2019-05-17 | 2019-05-17 | 一种燃料电池复合电源系统及控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110311458B (zh) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110758180A (zh) * | 2019-10-14 | 2020-02-07 | 南京航空航天大学 | 一种考虑燃料电池启停策略的复合电源系统能量分配方法 |
| CN110889302A (zh) * | 2019-11-27 | 2020-03-17 | 山东双端数字科技有限公司 | Rfid数据采集系统 |
| CN111923781A (zh) * | 2020-07-17 | 2020-11-13 | 杭州电子科技大学 | 一种电动汽车复合电源系统功率分配方法 |
| CN111993957A (zh) * | 2020-08-04 | 2020-11-27 | 河南科技大学 | 一种等效消耗最小策略的混合动力汽车能量管理方法 |
| CN112140942A (zh) * | 2020-10-13 | 2020-12-29 | 重庆大学 | 一种燃料电池汽车自适应等效消耗最小化能量管理方法 |
| CN112886036A (zh) * | 2021-01-08 | 2021-06-01 | 南京航空航天大学 | 一种基于改进灰狼优化的pemfc供气系统控制策略 |
| CN113085663A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-07-09 | 北京氢澜科技有限公司 | 燃料电池汽车百公里氢耗的实时计算装置及方法 |
| CN113721154A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-11-30 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种燃料电池工况点选取方法及装置 |
| CN113928187A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-01-14 | 江苏大学 | 一种燃料电池汽车的能量管理控制方法 |
| CN114347868A (zh) * | 2022-01-12 | 2022-04-15 | 河南科技大学 | 一种基于智能网联信息的fchev能量管理方法 |
| CN114559859A (zh) * | 2022-03-28 | 2022-05-31 | 吉林大学 | 一种基于燃料电池温度反馈的自适应等效氢耗最小策略 |
| CN115189454A (zh) * | 2022-09-06 | 2022-10-14 | 深圳市今朝时代股份有限公司 | 一种超级电容混合电池的储能能源分配系统及其方法 |
| CN115339330A (zh) * | 2022-09-07 | 2022-11-15 | 武汉理工大学 | 基于电池老化的混合动力汽车的能量输出管理方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102167036A (zh) * | 2011-04-01 | 2011-08-31 | 清华大学 | 一种燃料电池混合动力整车控制方法 |
| CN105904976A (zh) * | 2016-04-28 | 2016-08-31 | 西南交通大学 | 一种燃料电池混合动力机车能量管理系统 |
-
2019
- 2019-05-17 CN CN201910413796.6A patent/CN110311458B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102167036A (zh) * | 2011-04-01 | 2011-08-31 | 清华大学 | 一种燃料电池混合动力整车控制方法 |
| CN105904976A (zh) * | 2016-04-28 | 2016-08-31 | 西南交通大学 | 一种燃料电池混合动力机车能量管理系统 |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110758180A (zh) * | 2019-10-14 | 2020-02-07 | 南京航空航天大学 | 一种考虑燃料电池启停策略的复合电源系统能量分配方法 |
| CN110889302A (zh) * | 2019-11-27 | 2020-03-17 | 山东双端数字科技有限公司 | Rfid数据采集系统 |
| CN111923781A (zh) * | 2020-07-17 | 2020-11-13 | 杭州电子科技大学 | 一种电动汽车复合电源系统功率分配方法 |
| CN111993957A (zh) * | 2020-08-04 | 2020-11-27 | 河南科技大学 | 一种等效消耗最小策略的混合动力汽车能量管理方法 |
| CN111993957B (zh) * | 2020-08-04 | 2021-09-14 | 河南科技大学 | 一种等效消耗最小策略的混合动力汽车能量管理方法 |
| CN112140942A (zh) * | 2020-10-13 | 2020-12-29 | 重庆大学 | 一种燃料电池汽车自适应等效消耗最小化能量管理方法 |
| CN112886036A (zh) * | 2021-01-08 | 2021-06-01 | 南京航空航天大学 | 一种基于改进灰狼优化的pemfc供气系统控制策略 |
| CN113085663A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-07-09 | 北京氢澜科技有限公司 | 燃料电池汽车百公里氢耗的实时计算装置及方法 |
| CN113721154A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-11-30 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种燃料电池工况点选取方法及装置 |
| CN113928187A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-01-14 | 江苏大学 | 一种燃料电池汽车的能量管理控制方法 |
| CN113928187B (zh) * | 2021-10-20 | 2024-05-10 | 江苏大学 | 一种燃料电池汽车的能量管理控制方法 |
| CN114347868A (zh) * | 2022-01-12 | 2022-04-15 | 河南科技大学 | 一种基于智能网联信息的fchev能量管理方法 |
| CN114347868B (zh) * | 2022-01-12 | 2023-09-22 | 河南科技大学 | 基于智能网联信息的燃料电池混合动力汽车能量管理方法 |
| CN114559859A (zh) * | 2022-03-28 | 2022-05-31 | 吉林大学 | 一种基于燃料电池温度反馈的自适应等效氢耗最小策略 |
| CN114559859B (zh) * | 2022-03-28 | 2023-11-21 | 吉林大学 | 一种基于燃料电池温度反馈的自适应等效氢耗最小策略 |
| CN115189454A (zh) * | 2022-09-06 | 2022-10-14 | 深圳市今朝时代股份有限公司 | 一种超级电容混合电池的储能能源分配系统及其方法 |
| CN115189454B (zh) * | 2022-09-06 | 2023-02-03 | 深圳市今朝时代股份有限公司 | 一种超级电容混合电池的储能能源分配系统及其方法 |
| CN115339330A (zh) * | 2022-09-07 | 2022-11-15 | 武汉理工大学 | 基于电池老化的混合动力汽车的能量输出管理方法 |
| CN115339330B (zh) * | 2022-09-07 | 2024-08-09 | 武汉理工大学 | 基于电池老化的混合动力汽车的能量输出管理方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110311458B (zh) | 2023-04-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110311458B (zh) | 一种燃料电池复合电源系统及控制方法 | |
| CN108656981B (zh) | 一种燃料电池混合动力汽车功率分配方法 | |
| CN107579698A (zh) | 一种光伏电站储能方法 | |
| CN110758122B (zh) | 一种电-电混合电源系统的燃料电池效率优化方法 | |
| CN102868195A (zh) | 一种利用风光市电互补路灯电能进行电动汽车充电系统 | |
| CN204681125U (zh) | 一种基于太阳能的电动汽车充电系统 | |
| CN106356976A (zh) | 一种基于mppt技术的控制系统 | |
| CN105591383B (zh) | 一种直流微网变功率控制装置及控制方法 | |
| US10069303B2 (en) | Power generation system and method with energy management | |
| CN109768561A (zh) | 一种电动汽车控制方法及系统 | |
| CN102118063A (zh) | 太阳能发电储能系统及方法 | |
| CN115352311A (zh) | 一种光储充放换电系统能源管理方法 | |
| CN102555830B (zh) | 基于双储能单元的汽车供电系统和汽车供电控制方法 | |
| CN103532164A (zh) | 风光柴互补型交直流智能微电网系统 | |
| Sun et al. | A Hybrid renewable DC microgrid voltage control | |
| CN114069774B (zh) | 一种光伏电池发电最大功率跟踪的光伏储能系统及基于该系统的光伏发电系统 | |
| CN110133405A (zh) | 一种电动汽车充放电测试系统及方法 | |
| CN102570905B (zh) | 利用太阳能的汽车供电系统和汽车供电控制方法 | |
| CN105932712A (zh) | 一种电压和功率可调节的智能分布式风力发电系统的监控方法 | |
| CN209526548U (zh) | 一种蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电装置 | |
| CN218021224U (zh) | 一种新能源车光伏系统 | |
| CN209666890U (zh) | 一种供电系统和一种电力系统 | |
| CN216355990U (zh) | 智慧楼宇多功能储能系统 | |
| CN111106616B (zh) | 稳定光伏电站输出的组串架构混合电池储能系统 | |
| CN204516867U (zh) | 一种应用于光伏领域的智能化蓄能管理系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |