CN110843558A - 一种优化燃料电池电-电混合电源系统综合效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种优化燃料电池电‑电混合电源系统综合效率的方法，该电源系统以燃料电池与蓄电池为电源，并经直流/交流逆变器与负载电机相连。所述蓄电池电源由若干蓄电池单体组成，各单体间通过可控开关连接。该混合电源通过测量燃料电池特定工作点的电流、电压与实际氢气消耗流量等数据，获取燃料电池输出功率转化效率与燃料电池电压、功率之间的函数关系，同时结合蓄电池与燃料电池的效率和负载工况，实时计算该混合电源系统的最小等效输出功率消耗与燃料电池电源、蓄电池电源的最优功率分配，并进一步通过最优功率分配计算蓄电池电源的串并联单体数量，切换内部可控开关，改变蓄电池内部连接结构，实现燃料电池与蓄电池实时综合效率最大化。

Description

一种优化燃料电池电-电混合电源系统综合效率的方法

技术领域

本发明涉及燃料电池混合动力电源领域，特别是一种优化燃料电池电-电混合电源系统综合效率的方法。

背景技术

以蓄电池为主的纯电动汽车已经实现了商业化，而燃料电池作为一种无排放、无污染，能量密度大的发电系统，目前仍处于商业化的初级阶段。燃料电池在工作过程中，受化学反应环境和自身工作状态的影响十分剧烈，以至于燃料电池在不同工作点的特性差异大，为保证燃料电池在合理的范围内工作，目前对于燃料电池动力汽车的研究多停留在燃料电池+辅助电源的结构，并借助直流/直流变换器进行功率变换，实现能量传递。在燃料电池+辅助电源的结构中，一般采取燃料电池作为主电源，提供大的负载需求功率，蓄电池或超级电容作为辅助电源，可用于提供瞬态功率响应。通过这种结构能够很好地实现负载功率的稳定供给和动态响应。但是由于燃料电池在工作过程中，能量转换效率总是随着工作点的电流和功率的变化而变化，如果不能合理控制燃料电池工作点，会大幅降低燃料的能量转化效率，同时会对能量的利用率产生影响。再者，燃料电池电-电混合动力系统一般都会有直流/直流变换器作为能量转换器，用来准确控制燃料电池与辅助电源的功率分配，导致系统计算量增大，且在保证功率供给的同时也不可避免的导致其自身的能量消耗。

为实现燃料电池与辅助电源的综合效益最大化，必须对燃料电池的效率和辅助电源的效率进行全局综合考虑。进一步的，如果能够在考虑综合效益的同时，合理优化混合动力的结构，对于提高汽车整车系统效率与经济性具有十分重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种优化燃料电池电-电混合电源系统综合效率的方法，通过计算蓄电池电源内部的串并联单体数量改变蓄电池内部的串并联结构，使蓄电池与燃料电池的实时综合效率最大化。

本发明采用以下方案实现：一种优化燃料电池电-电混合电源系统综合效率的方法，所述燃料电池电-电混合电源系统包括燃料电池、蓄电池、直流/交流逆变器和负载电机；所述燃料电池和所述蓄电池并联接入直流母线并经所述直流/交流逆变器与所述负载电机连接；所述蓄电池电源由若干蓄电池单体组成，各个单体间通过可控开关连接；

按以下步骤实现：

步骤S1：通过离线实验测量特定工作点的燃料电池电源放电与蓄电池电源充放电的相关参数，计算混合电源等效输出功率的函数关系，并进一步计算等效最小输出功率消耗；

步骤S2：根据混合电源等效最小功率消耗设计计算蓄电池电源内部所需串并联的蓄电池单体数量，用以对所述蓄电池电源内部单体进行定量设计串并联连接并进行供电，以实现混合电源系统等效功率消耗最小化的最优功率分配。

进一步地，步骤S1中所述相关参数包括燃料电池电源的电流、电压、实际氢气消耗流量和蓄电池的充放电效率。

进一步地，步骤S1中所述特定工作点为燃料电池工作过程中具有代表性的工作点包括具有代表性的功率工作点或电流工作点。

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：测量各个特定工作点的燃料电池电源的电流、电压与实际氢气消耗流量，并通过式(1)(2)计算燃料电池电源的输出功率转化效率；

P_FC＝U_FC·I_FC (1)

其中：P_FC为燃料电池电源在特定工作点的功率，U_FC为燃料电池电源在特定功率点的电压，M_H2为氢气的摩尔质量，Q(H₂)为特定工作点测量的实际氢气消耗流量，ΔH为燃料电池中氢气反应的焓变，η_FC为燃料电池电源的输出功率转化效率；

步骤S12：通过对各工作点的燃料电池电源的输出功率与输出功率转化效率进行函数拟合，获取燃料电池电源的输出功率与输出功率转化效率之间的拟合函数关系，如式(3)所示，

其中，F为函数拟合关系，a₀，a₁，a₂，a₃为拟合函数中的对应系数；

步骤S13：采用充放电测试仪测量蓄电池的充放电效率，并计算燃料电池电源与蓄电池电源联合供电的等效输出功率消耗，如式(4)(5)所示，

其中：P_equ为燃料电池电源与蓄电池电源联合供电的等效输出功率消耗，P_battery为蓄电池输出功率，P_FC为燃料电池输出功率，η_battery为蓄电池的充放电效率；

步骤S14：计算负载电机运行过程中需求功率的最小等效输出功率消耗，如式(6)-(7)：

其中：Pe为负载需求功率，u为蓄电池输出功率所占百分比，P_e,equ为实际工况下负载电机需求功率的等效输出功率消耗；G为函数映射关系；G^-1为函数逆运算。P_optimal，u_optimal分别为等效输出功率消耗最小值与此时蓄电池输出功率所占百分比。

进一步地，步骤S2中所述计算蓄电池电源内部所需串并联的蓄电池单体数量的具体计算过程为：

根据公式(7)计算在需求功率P_e下的等效功率消耗最小值时的功率P_e,equ值与蓄电池输出功率所占百分比u值(记此时的P_e,equ为P_optimal，u为u_optimal)，从而根据公式(6)计算对应需求功率P_e下燃料电池电源的最佳输出功率，再根据燃料电池电源的在最佳输出功率和燃料电池电压-功率曲线计算该功率点燃料电池电源的最佳输出电压U_optimal(具体是根据燃料电池电压-功率曲线计算)，并进一步计算所需串并联的蓄电池数量L_s与L_p，如式(8)(9)；

其中：L_s为蓄电池的串联个数，L_p为蓄电池的并联支路数，U_battery为蓄电池单体的端电压，I_battery,lit为蓄电池的最大放电电流，[]为取整函数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过最优功率分配进一步设计计算蓄电池电源的串并联单体数量，切换蓄电池电源的可控开关，改变蓄电池的串并联分组结构，从而实现燃料电池与蓄电池实时综合效率最大化，提高经济性并满足负载功率需求。

附图说明

图1为本发明实施例的电-电混合电源系统结构框图。

图2为本发明实施例的蓄电池电源的总体逻辑图。

图3为本发明实施例的蓄电池串并联分组匹配图。

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。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供一种优化燃料电池电-电混合电源系统综合效率的方法，所述燃料电池电-电混合电源系统包括燃料电池电源、蓄电池电源、直流/交流逆变器和负载电机；所述燃料电池和所述蓄电池并联接入直流母线并经所述直流/交流逆变器与所述负载电机连接；所述蓄电池电源由若干蓄电池单体组成，各个单体间通过可控开关连接；

对所述燃料电池电-电混合电源系统进行综合效率优化包括以下步骤：

步骤S1：通过离线实验测量特定工作点的燃料电池电源放电与蓄电池电源充放电的相关参数，计算混合电源等效输出功率的函数关系，并进一步计算等效最小输出功率消耗；(所述可控开关是由两个反向IGBT串联连接而成，高控制电位导通，低控制电位截止)；

步骤S2：根据混合电源等效最小功率消耗设计计算蓄电池电源内部所需串并联的蓄电池单体数量，用以对所述蓄电池电源内部单体进行定量设计串并联连接并进行供电，以实现混合电源系统等效功率消耗最小化的最优功率分配。

在本实施例中，步骤S1中所述相关参数包括燃料电池电源的电流、电压与实际氢气消耗流量和蓄电池的充放电效率。

在本实施例中，步骤S1中所述特定工作点为燃料电池工作过程中具有代表性的工作点包括具有代表性的功率工作点和电流工作点。(例如：燃料电池功率工作点，例如0.1P_FC,max、0.2P_FC,max、0.3P_FC,max…0.9P_FC，,max、P_FC,max；P_FC,max为燃料电池的最大输出功率；电流工作点，例如0.1I_max，0.2I_max，0.3I_max……I_max，I_max为最大输出电流)。

在本实施例中，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：测量各个特定工作点的燃料电池电源的电流、电压与实际氢气消耗流量，并通过式(1)(2)燃料电池电源的输出功率转化效率；

P_FC＝U_FC·I_FC (1)

其中：P_FC为燃料电池电源在特定工作点的功率，U_FC为燃料电池电源在特定功率点的电压，M_H2为氢气的摩尔质量，Q(H₂)为特定工作点测量的实际氢气消耗流量，ΔH为燃料电池中氢气反应的焓变，η_FC为燃料电池电源的输出功率转化效率；

步骤S12：通过对各工作点的燃料电池电源的输出功率与输出功率转化效率进行函数拟合，获取燃料电池电源的输出功率与输出功率转化效率之间的拟合函数关系，如式(3)所示，

其中，F为函数拟合关系，a₀，a₁，a₂，a₃为拟合函数中的对应系数；

步骤S13：采用充放电测试仪测量蓄电池的充放电效率，并计算燃料电池电源与蓄电池电源联合供电的等效输出功率消耗，如式(4)(5)所示，

其中：P_equ为燃料电池电源与蓄电池电源联合供电的等效输出功率消耗，P_battery为蓄电池输出功率，P_FC为燃料电池输出功率，η_battery为蓄电池的充放电效率；

步骤S14：计算负载电机运行过程中需求功率的最小等效输出功率消耗P_optimal：如式(6)-(7)：

其中：P_e为负载需求功率，u为蓄电池输出功率所占百分比，P_e,equ为实际工况下负载电机需求功率的等效输出功率消耗；G为函数映射关系；G^-1为函数逆运算。P_optimal，u_optimal分别为等效输出功率消耗最小值与此时蓄电池输出功率所占百分比。

在本实施例中，步骤S2中所述计算蓄电池电源内部所需串并联的蓄电池单体数量的具体计算过程为：

根据公式(7)计算在需求功率P_e下的等效功率消耗最小值时的功率P_e,equ值与蓄电池输出功率所占百分比u值(记此时的P_e,equ为P_optimal，u为u_optimal)，从而根据公式(6)计算对应需求功率P_e下燃料电池电源的最佳输出功率，再燃料电池电源的最佳输出功率和燃料电池电压-功率曲线计算在该功率点燃料电池电源的最佳输出电压U_optimal，并进一步计算所需串并联的蓄电池数量L_s与L_p，如式(8)(9)；

其中：L_s为蓄电池的串联个数，L_p为蓄电池的并联支路数，U_battery为蓄电池单体的端电压，I_battery,lit为蓄电池的最大放电电流，[]为取整函数。

较佳的，本实施例混合传动系统以燃料电池与蓄电池作为动力源，将两者直接并联接入直流母线并经直流/交流逆变器与负载电机相连。该混合电源系统的蓄电池电源由若干蓄电池单体组成，各个单体间通过可控开关连接。通过离线实验测量燃料电池电源放电与蓄电池电源充放电的相关参数，计算混合电源等效输出功率的函数关系，并进一步计算等效最小输出功率消耗，根据等效最小功率消耗并对混合电源进行结构设计，实现最优的功率分配且满足汽车行驶的负载需求。

总体概括为：该电源通过测量燃料电池特定工作点的电流、电压与实际氢气消耗流量等数据，获取燃料电池能量转化效率与电压、功率之间的函数关系，根据负载工况变化，结合蓄电池与燃料电池的效率，通过实时计算该电-电混合电源系统的最小等效输出功率消耗与燃料电池电源、蓄电池电源的最优功率分配，并通过最优功率分配进一步计算蓄电池电源的串并联单体数量，切换蓄电池电源可控开关，改变蓄电池的串并联分组结构，从而实现燃料电池与蓄电池实时综合效率最大化，提高经济性并满足负载功率需求。

所述通过离线实验测量燃料电池放电与蓄电池充放电的相关参数计算能量转化效率与输出功率之间的关系是指，通过测量燃料电池在不同工作点的电流、电压及实际氢气消耗流量，并通过电流、电压等参数计算出理想氢气消耗量，从而进一步根据实际氢气消耗流量与理想氢气消耗量获取燃料电池在不同工作点的能量转化效率。同时，对燃料电池在特定工作点的功率转化效率与功率进行函数拟合，得到燃料电池的转化效率与输出功率之间的函数关系。与此同时，测量并计算蓄电池的充电效率与放电效率。

计算等效最小输出功率消耗是指在考虑燃料电池的放电效率以及蓄电池充放电效率下，计算综合效率最大的功率消耗。

所述对混合电源进行结构设计，是指根据综合效率最大时的功率分配，确定蓄电池的功率与燃料电池的功率分配以及燃料电池在该需求功率下的电压。利用燃料电池在该等效最小输出功率消耗下的电压计算蓄电池每个支路所需要串联的蓄电池单体数，进一步利用蓄电池电源所分配的功率计算蓄电池电源的并联支路数。

所述利用燃料电池在该等效最小输出功率消耗下的电压计算蓄电池每个支路所需要串联的蓄电池单体数，是指通过实时测量获取蓄电池单体的电压，将燃料电池在该综合效率最大时的电压除以蓄电池单体电压，从而获取每个支路所需串联的蓄电池单体数。

所述利用所分配给蓄电池的功率计算蓄电池的并联支路数，是指在不超过蓄电池单体的安全放电电流的条件下，设定蓄电池单体的放电功率上限，计算每条支路的放电功率上限，将蓄电池所分配的功率除以每条支路的放电功率上限，获取所需并联的支路数。

在本实施例中，该混合电源通过将燃料电池与蓄电池直接并联并经直流/交流逆变器连接到负载电机的传动方式，如图1所示。图2为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，如图2所示(例如：闭合开关SA1,SA2,SP1,SP2可实现蓄电池单体1与单体2并联；闭合开关SD1,SD3,SA2,SP2,SP4可实现蓄电池单体1,2与蓄电池单体3,4并联)，使混合电源在供电过程中，通过在线计算实时等效最小输出功率消耗，并在无直流/直流变换器的隔离下，通过改变蓄电池的串并联结构，使蓄电池与燃料电池的等效输出功消耗最小，综合效率最大。

为实现上述目的，本实施例以燃料电池电-电混合电源汽车为实例进行设计。

(a)、根据汽车的行驶工况，通过汽车动力学模型，计算汽车的需求功率，如公式(1)所示。

其中：M为汽车的质量，f为摩擦系数，v为汽车的行驶速度，C_D为汽车的空气阻力系数，A为迎风面积，η为汽车的传动效率，α为坡道倾斜角；

(b)、测量各个特定工作点的燃料电池电源的电流、电压与实际氢气消耗流量，并通过式(2)(3)燃料电池电源的输出功率转化效率；

P_FC＝U_FC·I_FC

(2)

其中：P_FC为燃料电池电源在特定工作点的功率，U_FC为燃料电池电源在特定功率点的电压，M_H2为氢气的摩尔质量，Q(H₂)为特定工作点测量的实际氢气消耗流量，ΔH为燃料电池中氢气反应的焓变，η_FC为燃料电池电源的输出功率转化效率；

(c)、通过对各工作点的燃料电池电源的输出功率与输出功率转化效率进行函数拟合，获取燃料电池电源的输出功率与输出功率转化效率之间的拟合函数关系，如式(4)所示，

其中，F为函数拟合关系，a₀，a₁，a₂，a₃为拟合函数中的对应系数；

(d)、采用充放电测试仪测量蓄电池的充放电效率，并计算燃料电池电源与蓄电池电源联合供电的等效输出功率消耗，如式(6)(7)所示，

其中：P_equ为燃料电池电源与蓄电池电源联合供电的等效输出功率消耗，P_battery为蓄电池输出功率，P_FC为燃料电池输出功率，η_battery为蓄电池的充放电效率。

(e)、计算汽车运行过程中的需求功率所需要的功率消耗：

其中：u为蓄电池输出功率所占百分比，P_e,equ为实际工况下汽车驱动功率的等效消耗，G为函数映射关系；G^-1为函数逆运算。P_optimal，u_optimal分别为等效输出功率消耗最小值与此时蓄电池输出功率所占百分比。

(f)、根据公式(9)计算等效功率消耗最小值时的功率P_optimal与u_optimal值，从而根据公式(8)计算对应工作点燃料电池电源的最佳输出功率，再根据公式(2)可计算燃料电池电源的在该功率点的最佳电压U_optimal。并计算所需串并联的蓄电池数量L_s与L_p，如式(10)(11)。

其中：L_s为蓄电池的串联个数，L_p为蓄电池的并联支路数，U_battery为蓄电池单体的端电压，I_battery,lit为蓄电池的最大放电电流，[]为取整函数。

(g)、通过(f)中计算的蓄电池串并联数，切换图2的可控开关，使蓄电池模组的每条支路的蓄电池单体数为L_s,并联支路数为L_p,即在图3中闭合开关S1,S2,S3…S(n)(n＝L_P)。

通过(a)-(g)设计,实现了燃料电池与蓄电池混合电源联合供电，并且可实现实时能量利用效率最高，且保证每个蓄电池单体在合理的电流与功率区间工作，维持稳定功率供给，并满足负载需求。

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 (5)

1.一种优化燃料电池电-电混合电源系统综合效率的方法，其特征在于：所述燃料电池电-电混合电源系统包括燃料电池电源、蓄电池电源、直流/交流逆变器和负载电机；所述燃料电池电源和所述蓄电池电源并联接入直流母线并经所述直流/交流逆变器与所述负载电机连接；所述蓄电池电源由若干蓄电池单体组成，各个单体间通过可控开关连接；

按以下步骤实现：

步骤S1：通过离线实验测量特定工作点的燃料电池电源放电与蓄电池电源充放电的相关参数，计算混合电源等效输出功率的函数关系表达式，并进一步计算等效最小输出功率消耗；

步骤S2：根据混合电源等效最小功率消耗设计计算蓄电池电源内部所需串并联的蓄电池单体数量，用以对所述蓄电池电源内部单体进行定量设计串并联连接并进行供电，以实现混合电源系统等效功率消耗最小化的最优功率分配。

2.根据权利要求1所述的一种优化燃料电池电-电混合电源系统综合效率的方法，其特征在于：步骤S1中所述相关参数包括燃料电池电源的电流、电压与实际氢气消耗流量和蓄电池的充放电效率。

3.根据权利要求1所述的一种优化燃料电池电-电混合电源系统综合效率的方法，其特征在于：步骤S1中所述特定工作点为燃料电池工作过程中具有代表性的工作点包括具有代表性的功率工作点或电流工作点。

4.根据权利要求1所述的一种优化燃料电池电-电混合电源系统综合效率的方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：测量各个特定工作点的燃料电池电源的电流、电压与实际氢气消耗流量，并通过式(1)(2)计算燃料电池电源的输出功率转化效率；

P_FC＝U_FC·I_FC

(1)

其中：P_FC为燃料电池电源在特定工作点的功率，U_FC为燃料电池电源在特定功率点的电压，M_H2为氢气的摩尔质量，Q(H₂)为特定工作点测量的实际氢气消耗流量，ΔH为燃料电池中氢气反应的焓变，η_FC为燃料电池电源的输出功率转化效率；

步骤S12：通过对各工作点的燃料电池电源的输出功率与输出功率转化效率进行函数拟合，获取燃料电池电源的输出功率与输出功率转化效率之间的拟合函数关系，如式(3)所示，

其中，F为函数拟合关系，a₀，a₁，a₂，a₃为拟合函数中的对应系数；

步骤S13：采用充放电测试仪测量蓄电池的充放电效率，并计算燃料电池电源与蓄电池电源联合供电的等效输出功率消耗，如式(4)(5)所示，

其中：P_equ为燃料电池电源与蓄电池电源联合供电的等效输出功率消耗，P_battery为蓄电池输出功率，P_FC为燃料电池输出功率，η_battery为蓄电池的充放电效率；

步骤S14：计算负载电机运行过程中需求功率的最小等效输出功率消耗，如式(6)-(7)：

其中：P_e为负载需求功率，u为蓄电池输出功率所占百分比，P_e,equ为实际工况下负载电机需求功率的等效输出功率消耗；G为函数映射关系；G^-1为函数逆运算；P_optimal，u_optimal分别为等效输出功率消耗最小值与蓄电池输出功率所占百分比。

5.根据权利要求4所述的一种优化燃料电池电-电混合电源系统综合效率的方法，其特征在于：步骤S2中所述计算蓄电池电源内部所需串并联的蓄电池单体数量的具体计算过程为：根据公式(7)计算在需求功率P_e下的等效输出功率消耗最小值时的功率P_e,equ值与蓄电池输出功率所占百分比u值，即令此时的P_e,equ为P_optimal，u为u_optimal，从而根据公式(6)计算对应需求功率P_e下燃料电池电源的最佳输出功率，再根据燃料电池电源的最佳输出功率和燃料电池电压-功率曲线计算在该功率点燃料电池电源的最佳输出电压U_optimal，并进一步计算所需串并联的蓄电池数量L_s与L_p，如式(8)(9)；

其中：L_s为蓄电池的串联个数，L_p为蓄电池的并联支路数，U_battery为蓄电池单体的端电压，I_battery,lit为蓄电池的最大放电电流，[]为取整函数。

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