CN110758122B - 一种电-电混合电源系统的燃料电池效率优化方法 - Google Patents

一种电-电混合电源系统的燃料电池效率优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电‑电混合电源系统的燃料电池效率优化方法，提供一种电‑电混合电源系统，采用燃料电池与变结构蓄电池作为电源，将燃料电池与变结构蓄电池直接并联接入母线并经直流/交流逆变器与负载电机相连；包括以下步骤：步骤S1:通过离线测量和计算获取燃料电池电源的各工作点的相关参数，并通过多项式拟合的形式获取燃料电池电源的电压、电流、功率与效率之间的函数关系；步骤S2:通过函数逆运算获取燃料电池电源最大效率点的电压与功率;步骤S3:匹配变结构蓄电池电源的串并联分组结构;步骤S4:计算变结构蓄电池电源所需串联单体数与并联支路数。本发明通过将燃料电池稳定在效率最大点工作，能够有效提高燃料电池的利用率。

Description

一种电-电混合电源系统的燃料电池效率优化方法
技术领域
本发明涉及燃料电池混合动力电源，具体涉及一种电-电混合电源系统的燃料电池效率优化方法。
背景技术
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置，其电能产生方式主要是通过化学反应来实现，反应过程不受卡洛循环的限制，故相比于传统内燃机提供动力具有更高的能量转化效率，且燃料电池在发电过程中的噪声小，基本无污染。燃料电池相比与蓄电池，蓄电池在供能过程中为保证蓄电池的耐久性，避免过充过放，一般采取浅充浅放的方式，有效容量小，能量密度低，而燃料电池的放电过程只需满足燃料供给，一般情况下，无需考虑容量问题，且具有更高的能量密度，故燃料电池作为一种供能方式广受青睐。然而，考虑到燃料电池在放电过程中，放电效率在不同的工作点各不相同，因此，在将燃料电池应用到汽车上时，虽然燃料电池汽车能够实现零排放、低噪声，但如果不能将燃料电池放电效率与工作点进行综合考虑，将会导致燃料电池汽车的经济性大幅下降。
为此，针对燃料电池电动汽车动力源的结构设计，常通过多种电源的混合并经变换器相连接以实现稳定的功率供给和策略的优化，燃料电池电动汽车电源主要包括燃料电池+蓄电池、燃料电池+超级电容、燃料电池+蓄电池+超级电容。对于这些电源结构，一般都是通过单向直流/直流升压变换器与燃料电池相连，双向直流/直流变换器与蓄电池或是超级电容相连。
对于此类混合动力源结构中，主要存在两类问题，其一，对直流/直流变换器的控制要求稳定性好，否则易出现系统“跑飞”的情况。其二，直流/直流变换器作为功率转换器件，由于自身结构的原因，也会造成大量的能量消耗。同时，对燃料电池工作点的不合理设计，也会影响燃料电池的能量效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电-电混合电源系统的燃料电池效率优化方法，通过将燃料电池稳定在效率最大点工作，能够有效提高燃料电池的利用率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电-电混合电源系统的燃料电池效率优化方法，提供一种电-电混合电源系统，采用燃料电池与变结构蓄电池作为电源，将燃料电池与变结构蓄电池直接并联接入母线并经直流/交流逆变器与负载电机相连；包括以下步骤：
步骤S1:通过离线测量和计算获取燃料电池电源的特定工作点的相关参数，并通过多项式拟合的形式获取燃料电池电源的电压、电流、功率与效率之间的函数关系；
步骤S2:根据燃料电池电源的电压、电流、功率与效率之间的函数关系，通过函数逆运算获取燃料电池电源最大效率点的电压与功率；
步骤S3:根据实时测量获取的蓄电池单体电压与燃料的最大效率点功率，匹配变结构蓄电池电源的串并联分组结构；
步骤S4:根据燃料电池最大效率点的输出电压与实时测量获取的蓄电池单体电压，计算变结构蓄电池所需串联单体数LS,同时，根据负载功率的大小计算并联支路数LP，实时增加或减少变结构蓄电池电源并联支路的数量，保证每条支路蓄电池的电流在不超过电流放电限制的条件下，使变结构蓄电池电源安全稳定供电。
进一步的，所述步骤S1具体为：
步骤S11:通过离线测量,获取燃料电池电堆在各个特定工作点的电流,电压与实际氢气消耗流量；
步骤S12:通过式(1)计算燃料电池在各个工作点的功率
P＝U·I     (1)
其中：P为燃料电池的功率；U为燃料电池的电压；I为流过燃料电池的电流；
步骤S13:计算燃料电池在各个特定工作点的效率：
Figure BDA0002292685920000031
其中：Q(H2)为燃料电池电源的实际氢气消耗流量(g/s)；MH2为氢气的摩尔质量(g/mol)；ΔH为燃料电池中氢气反应的焓变(kJ/mol)；η为燃料电池电源的效率；
步骤S14:根据计算得到的燃料电池电源的效率与该工作点的燃料电池的电压值与功率值，通过多项式拟合燃料电池电压—效率，功率—效率曲线，如式(3)(4)所示：
η＝G(U)＝a1+a2·U1+a3·U2+……aN·UN   (3)
η＝F(P)＝b1+b2·P1+b3·P2+……bN·PN   (4)
其中：a，a2，a3，...aN为燃料电池电源电压--效率多项式的拟合系数，b1，b2，b3...bN为燃料电池电源功率--效率多项式的拟合系数，G、F分别为电压-效率和功率-效率的函数映射关系。
进一步的，所述燃料电池的最高效率点对应的燃料电池的工作电压Um，工作功率Pm：
Um＝G-1(max(η))   (5)
Pm＝F-1(max(η))   (6)
其中：max(η)为取η的最大值函数，Um为燃料电池最高效率点电压，Pm为燃料电池最高效率点对应的功率。
进一步的，所述步骤S4具体为：
步骤S41：预设串联连接LS个蓄电池单体作为一个蓄电池支路，如图3所示，使变结构蓄电池电源端电压与燃料电池电源最大效率点电压趋于一致，当LS为小数时取比LS大的最小整数：
Figure BDA0002292685920000041
其中：LS为变结构蓄电池电源每个支路蓄电池模组所需串联蓄电池单体个数，Us为蓄电池单体实时电压。
步骤S42：计算变结构蓄电池电源所需并联支路数Lp，即在图3闭合Lp条并联支路，当Lp为小数时，取比Lp大的最小整数，如式(8)所示：
Figure BDA0002292685920000051
其中：LP为变结构蓄电池电源所需并联支路数，Ps为蓄电池单体电压为Us时且电流为蓄电池限定电流时的功率。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明采用燃料电池与蓄电池直接并联到母线，经直流/交流逆变器连接到负载电机，避免了传统的电源经直流/直流变换器与母线相连的结构，减少了直流/直流变换器的功率损耗，能够有效提高能源的利用率。
2、本发明将燃料电池稳定在效率最大点处工作，能够有效提高燃料电池的氢气利用率，保证燃料电池高效稳定运行。
3、本发明采用变结构蓄电池用于稳定燃料电池的工作状态，并实现高效能量回收。
附图说明
图1是本发明一实施例中动力系统图；
图2是本发明一实施例中变结构蓄电池结构图；
图3是本发明变结构蓄电池串并联匹配结构图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种电-电混合电源系统，采用燃料电池与变结构蓄电池作为电源，将燃料电池与变结构蓄电池直接并联接入母线并经直流/交流逆变器与负载电机相连；其效率优化方法包括以下步骤：
在本实施例中，如图2所示为变结构蓄电池电源的结构图，其中通过闭合相应的开关可以实现蓄电池电源内部的串并联分组，例如：闭合开关Spu1，Spu2,Sdu1，Sdu2可实现蓄电池单体1，单体2并联；闭合开关Ss1，Ss3，Spu2,Spd2，Spd4可实现蓄电池单体1,2与蓄电池单体3,4并联；
本实施例以汽车为例，根据汽车动力学模型，对汽车行驶工况进行计算，获取汽车的需求功率，如式(1)所示：
Figure BDA0002292685920000061
步骤S1:通过离线测量和计算获取燃料电池电源的各工作点的相关参数，并通过多项式拟合的形式获取燃料电池电源的电压、电流、功率与效率之间的函数关系；
所述步骤S1具体为：
步骤S11:通过离线测量,获取燃料电池电堆在各个特定工作点的电流,电压与实际氢气消耗流量；
步骤S12:通过式(1)计算燃料电池在各个工作点的功率
p＝U·I    (1)
其中：P为燃料电池的功率；U为燃料电池的电压；I为流过燃料电池的电流；
步骤S13:计算燃料电池在各个特定工作点的效率：
Figure BDA0002292685920000062
其中：Q(H2)为燃料电池电源的实际氢气消耗流量(g/s)；MH2为氢气的摩尔质量(g/mol)；ΔH为燃料电池中氢气反应的焓变(kJ/mol)；η为燃料电池电源的效率；
步骤S14：根据计算得到的燃料电池电源的效率与该工作点的燃料电池的电压值与功率值，通过多项式拟合燃料电池电压-效率，功率-效率曲线，如式(3)(4)所示：
η＝G(U)＝a1+a2·U1+a3·U2+……aN·UN   (3)
η＝F(P)＝b1+b2·P1+b3·P2+……bN·PN   (4)
其中：a，a2，a3，...aN为燃料电池电源电压--效率多项式的拟合系数，b1，b2，b3...bN为燃料电池电源功率--效率多项式的拟合系数，G、F分别为电压-效率和功率-效率的函数映射关系。
步骤S2：根据燃料电池电源的电压、电流、功率与效率之间的函数关系，通过函数逆运算获取燃料电池电源最大效率点的电压与功率；
所述燃料电池的最高效率点对应的燃料电池的工作电压Um，工作功率Pm：
Um＝G-1(max(η))   (5)
Pm＝F-1(max(η))   (6)
其中：max(η)为取η的最大值函数，Um为燃料电池最高效率点电压，Pm为燃料电池最高效率点对应的功率。
步骤S3：根据实时测量获取的蓄电池单体电压与燃料的最大效率点功率，匹配蓄电池电源的串并联分组结构；
步骤S4:根据燃料电池最大效率点的输出电压与实时测量获取的蓄电池单体电压，计算蓄电池所需串联单体数LS,同时，根据负载功率的大小计算并联支路数LP，实时增加或减少变结构蓄电池电源并联支路的数量，保证每条支路蓄电池的电流在不超过电流放电限制的条件下，使变结构蓄电池电源安全稳定供电。步骤S41:预设串联连接LS个蓄电池单体作为一个蓄电池支路，如图3所示，使变结构蓄电池电源端电压与燃料电池电源最大效率点电压趋于一致，当LS为小数时取比LS大的最小整数：
Figure BDA0002292685920000081
其中：LS为蓄电池电源每个支路蓄电池模组所需串联蓄电池单体个数，Us为蓄电池单体实时电压。
步骤S42:计算变结构蓄电池电源所需并联支路数Lp,即在图3闭合Lp条并联支路，当Lp为小数时，取比Lp大的最小整数，如式(8)所示：
Figure BDA0002292685920000082
其中：Lp为变结构蓄电池电源所需并联支路数，Ps为蓄电池单体电压为Us时且电流为蓄电池限定放电电流时的功率。
当汽车处于制动能量回收或是变结构蓄电池电源处于充电时，变结构蓄电池电源单独工作。其中，当能量回收或是低压充电时，增加变结构蓄电池电源的并联电池个数，减少串联电池个数；当变结构蓄电池电源处于高压充电时，适当增加变结构蓄电池电源的串联数，维持相对安全的充电电流。
根据以上设计，切换变结构蓄电池电源的串并联结构，维持燃料电池电源在最大效率点的工作电压，实现燃料电池始终稳定在最大效率点工作，变结构蓄电池电源合理的维持负载功率的变化需求且高效安全的充放电。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种电-电混合电源系统的燃料电池效率优化方法，其特征在于，提供一种电-电混合电源系统，采用燃料电池与变结构蓄电池作为电源，将燃料电池与变结构蓄电池直接并联接入母线并经直流/交流逆变器与负载电机相连，具体方法包括以下步骤：
步骤S1:通过离线测量和计算获取燃料电池电源的特定工作点的相关参数，并通过多项式拟合的形式获取燃料电池电源的电压、电流、功率与效率之间的函数关系；
步骤S2:根据燃料电池电源的电压、电流、功率与效率之间的函数关系，通过函数逆运算获取燃料电池电源最大效率点的电压与功率；
步骤S3:根据实时测量获取的蓄电池单体电压与燃料的最大效率点功率，匹配蓄电池电源的串并联分组结构；
步骤S4:根据燃料电池最大效率点的输出电压与实时测量获取的蓄电池单体电压，计算变结构蓄电池每个支路所需串联单体数LS,同时，根据负载功率的大小计算并联支路数LP，实时增加或减少变结构蓄电池并联支路的数量，保证每条支路蓄电池的电流在不超过电流放电限制的条件下，使变结构蓄电池电源安全稳定供电；
所述步骤S1具体为：
步骤S11:通过离线测量,获取燃料电池电堆在各个特定工作点的电流,电压与实际氢气消耗流量；
步骤S12:通过式(1)计算燃料电池在各个工作点的功率
P＝U·I         (1)
其中：P为燃料电池的功率；U为燃料电池的电压；I为流过燃料电池的电流；
步骤S13:计算燃料电池在各个特定工作点的效率：
其中：Q(H2)为燃料电池电源的实际氢气消耗流量(g/s)；MH2为氢气的摩尔质量(g/mol)；ΔH为燃料电池中氢气反应的焓变(kJ/mol)；η为燃料电池电源的效率；
步骤S14:根据计算得到的燃料电池电源的效率与该工作点的燃料电池的电压值与功率值，通过多项式拟合燃料电池电压—效率，功率—效率曲线，如式(3)(4)所示：
η＝G(U)＝a1+a2·U1+a3·U2+……aN·UN    (3)
η＝F(P)＝b1+b2·P1+b3·P2+……bN·PN    (4)
其中：a1,a2,a3,…aN为燃料电池电源电压--效率多项式的拟合系数,b1,b2,b3…bN为燃料电池电源功率--效率多项式的拟合系数,G、F分别为电压—效率和功率—效率的函数映射关系。
2.根据权利要求1所述的一种电-电混合电源系统的燃料电池效率优化方法，其特征在于，所述燃料电池的最高效率点对应的燃料电池的工作电压Um，工作功率Pm：
Um＝G-1(max(η))    (5)
Pm＝F-1(max(η))    (6)
其中：max(η)为取η的最大值函数，Um为燃料电池最高效率点电压,Pm为燃料电池最高效率点对应的功率。
3.根据权利要求2所述的一种电-电混合电源系统的燃料电池效率优化方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
步骤S41:预设串联连接LS个蓄电池单体作为一个蓄电池支路，使变结构蓄电池电源端电压与燃料电池电源最大效率点电压趋于一致，当LS为小数时取比LS大的最小整数：
其中：LS为变结构蓄电池电源每个支路蓄电池模组所需串联蓄电池单体个数，Us为蓄电池单体实时电压；
步骤S42:计算变结构蓄电池电源所需并联支路数Lp，即闭合Lp条并联支路，当Lp为小数时，取比Lp大的最小整数，如式(8)所示：
其中：Lp为变结构蓄电池电源所需并联支路数，Ps为蓄电池单体电压为Us时且电流为蓄电池达到放电限定电流时的功率，Pe为总需求功率。
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