CN113629279B - 一种多源燃料电池的缩比系统工况控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多源燃料电池的缩比系统工况控制方法和系统，方法包括：获取多源燃料电池的缩比系统和对应的完整系统中燃料电池模块的个数和锂电池模块的个数，从而计算燃料电池模块的残缺比和锂电池模块残缺比；根据燃料电池模块的残缺比，分别计算缩比系统工况中燃料电池模块在稳态区的功率需求和在变载荷区的功率需求，然后相加得到缩比系统燃料电池模块的输出功率；根据锂电池模块残缺比，得到缩比系统中锂电池模块的输出功率；并与缩比系统燃料电池模块的输出功率相加，获取缩比系统工况功率曲线，从而进行工况控制。与现有技术相比，本发明提高了多源燃料电池系统测试的灵活性，降低了实验的成本，且提高了系统测试的准确性。

Description

一种多源燃料电池的缩比系统工况控制方法和系统
技术领域
本发明涉及多源燃料电池的缩比系统领域，尤其是涉及一种多源燃料电池的缩比系统工况控制方法和系统。
背景技术
燃料电池是一种将氧化剂与还原剂反应的化学能转换为电能的装置，燃料电池清洁高效，种类繁多，应用场景广泛，被视为下一代交通领域动力源的有力候选者。为了提高燃料电池系统的功率、提高系统的可靠性、动态响应特性以及降低燃料电池动力系统布置的困难度，一套燃料电池系统中往往包含了若干个电堆模块、若干个锂电池模块协同工作，燃料电池模块承担需求功率平稳时的能量输出，锂电池模块在需求功率快速变化时充放电，达到平峰削谷的作用，弥补燃料电池模块的动态响应特性差的问题，也减少了频繁变载对燃料电池模块的耐久性的影响。
在这种多模块燃料电池动力系统的开发与可靠性测试过程中，为了节约成本、减少开发周期与加快实验进度，往往会在进行全比例全模块系统的试验之前，针对性的挑选某几个典型的动力源模块进行缩比实验。然而，对于多模块系统的缩比实验而言，由于工况是针对全系统进行设计的，且缩比系统内的动力源模块的输出特性不同。因此，需要针对缩比系统对实验工况进行合理地解析分配。
假设，全系统由N个电堆组成、M个锂电池模块组成，则缩比系统为n(0≤n＜N)个电堆模块与m(0≤m＜M)个锂电池模块，n和m不同时为0；若让缩比系统直接按照n/N或m/M的系数乘以全工况运行，对于燃料电池模块或者锂电池模块的负荷必然会与它们在全系统中本应承担的负荷不同，从而加重或者减轻燃料电池模块或锂电池模块的负荷，影响实验者对于动力源模块各项性能参数的把握，进而影响实验结果的准确性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种尽可能还原全系统下每个功率源模块所承担的负荷的多源燃料电池的缩比系统工况控制方法和系统。
针对多模块燃料电池动力系统的缩比实验，由于燃料电池模块与锂离子电池模块同属于功率源模块，但是其输出特性不同；对原工况进行解析转换时，需要同时考虑两种功率源的输出特性，保证缩比系统运行的工况分配到各个被考核功率源模块时，被考核功率源模块的承担的负荷与其在完整系统中运行全工况的情况下所承担的负荷相当。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种多源燃料电池的缩比系统工况控制方法，包括以下步骤：
数据获取步骤：获取多源燃料电池的缩比系统中燃料电池模块的个数和锂电池模块的个数，以及对应的完整系统中燃料电池模块的个数和锂电池模块的个数，从而计算燃料电池模块的残缺比和锂电池模块残缺比；
稳态区工况需求获取步骤：将完整系统全工况中稳态区的功率需求乘以燃料电池模块的残缺比，得到缩比系统工况中燃料电池模块在稳态区的功率需求；
变载荷区工况需求获取步骤：将完整系统全工况中变载荷区燃料电池模块的功率需求乘以燃料电池模块的残缺比，得到缩比系统工况中燃料电池模块在变载荷区的功率需求；
缩比系统燃料电池模块的输出功率获取步骤：将所述缩比系统工况中燃料电池模块在稳态区的功率需求和缩比系统工况中燃料电池模块在变载荷区的功率需求相加，得到缩比系统燃料电池模块的输出功率；
缩比系统中锂电池模块的输出功率获取步骤：将完整系统中锂电池模块的总输出功率乘以锂电池模块残缺比，得到缩比系统中锂电池模块的输出功率；
多源燃料电池的缩比系统工况控制步骤：将所述缩比系统燃料电池模块的输出功率和缩比系统中锂电池模块的输出功率相加，获取缩比系统工况功率曲线，从而进行工况控制。
进一步地，所述燃料电池模块的残缺比的计算表达式为：
α1＝n/N
式中，α1为燃料电池模块的残缺比，n为缩比系统中燃料电池模块的个数，N为完整系统中燃料电池模块的个数；
所述锂电池模块残缺比的计算表达式为：
α2＝m/M
式中，α2为锂电池模块残缺比，m为缩比系统中锂电池模块的个数，M为完整系统中锂电池模块的个数。
进一步地，所述缩比系统工况中燃料电池模块在稳态区的功率需求的计算表达式为：
Pconstantfc＝Pconstantfc，0×α1
式中，Pconstantfc为缩比系统工况中燃料电池模块在稳态区的功率需求，Pconstantfc,0为完整系统全工况中稳态区的功率需求；
所述缩比系统工况中燃料电池模块在变载荷区的功率需求的计算表达式为：
Pchangefc＝Pchangefc,0×α1
式中，Pchangefc为缩比系统工况中燃料电池模块在变载荷区的功率需求，Pchangefc,0为完整系统全工况中变载荷区燃料电池模块的功率需求；
所述缩比系统中锂电池模块的输出功率的计算表达式为：
Plib＝Plib,0×α2
式中，Plib为缩比系统中锂电池模块的输出功率，Plib,0为完整系统中锂电池模块的总输出功率。
进一步地，所述数据获取步骤还获取有完整系统中燃料电池模块的加载最大速率与降载最大速率，根据所述燃料电池的加载最大速率与降载最大速率计算所述完整系统全工况中变载荷区燃料电池模块的功率需求。
进一步地，所述变载荷区为当Pt-Pt-1≠0时的功率曲线区间，稳态区为当Pt-Pt-1＝0时的功率曲线区间，式中Pt为t时刻的功率，Pt-1为t-1时刻的功率。
本发明还提供一种基于如上所述的多源燃料电池的缩比系统工况控制方法的多源燃料电池的缩比系统，包括电堆模块、锂电池模块、多输入通道能量流调配执行器、负载、功率电供给回路和能量流调配控制器，所述负载为双向负载，用于向所述功率电供给回路输出和输入电能，所述电堆模块与多输入通道能量流调配执行器的电堆输入接口相连，所述多输入通道能量流调配执行器的输出接口与功率电供给回路相连，所述锂电池模块与功率电供给回路相连，所述负载与功率电供给回路相连，所述能量流调配控制器分别连接所述功率电供给回路、负载和多输入通道能量流调配执行器，
所述多输入通道能量流调配执行器和功率电供给回路分别用于检测接入的电堆模块与锂电池模块的个数，并向所述能量流调配控制器传输反馈信息；
所述能量流调配控制器用于执行如上所述的多源燃料电池的缩比系统工况控制方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明充分考虑了多模块燃料电池动力系统缩比实验时工况设计的准则，针对不同的缩比系统，自适应的由全系统工况、系统模块参数与能量调度管理策略，计算出适用于当前缩比系统的工况。此工况不会减少或增加燃料电池模块承担的功率需求，也不会减少或增加锂电池模块因为功率需求变化而受到的冲击大小，尽可能还原了全系统下每个功率源模块所承担的负荷。缩比系统与缩比工况的搭配提高了多源燃料电池系统测试的灵活性，降低了实验的成本，且提高了系统测试的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种多源燃料电池的缩比系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中针对完整系统设计的一个典型的阶跃变载工况功率曲线示意图；
图3为本发明实施例中针对完整系统的工况的分区示意图；
图4为本发明实施例中燃料电池模块的总输出功率曲线图；
图5为本发明实施例中锂电池模块的总输出功率曲线图；
图6为本发明实施例中所得的缩比系统工况功率曲线图；
图7为本发明实施例中提供的一种多源燃料电池的缩比系统工况控制方法的示意图。
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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1
本实施例提供一种多源燃料电池的缩比系统工况控制方法，包括以下步骤：
数据获取步骤：获取多源燃料电池的缩比系统中燃料电池模块的个数和锂电池模块的个数，以及对应的完整系统中燃料电池模块的个数和锂电池模块的个数，从而计算燃料电池模块的残缺比和锂电池模块残缺比；
稳态区工况需求获取步骤：将完整系统全工况中稳态区的功率需求乘以燃料电池模块的残缺比，得到缩比系统工况中燃料电池模块在稳态区的功率需求；
变载荷区工况需求获取步骤：将完整系统全工况中变载荷区燃料电池模块的功率需求乘以燃料电池模块的残缺比，得到缩比系统工况中燃料电池模块在变载荷区的功率需求；
缩比系统燃料电池模块的输出功率获取步骤：将缩比系统工况中燃料电池模块在稳态区的功率需求和缩比系统工况中燃料电池模块在变载荷区的功率需求相加，得到缩比系统燃料电池模块的输出功率；
缩比系统中锂电池模块的输出功率获取步骤：将完整系统中锂电池模块的总输出功率乘以锂电池模块残缺比，得到缩比系统中锂电池模块的输出功率；
多源燃料电池的缩比系统工况控制步骤：将缩比系统燃料电池模块的输出功率和缩比系统中锂电池模块的输出功率相加，获取缩比系统工况功率曲线，从而进行工况控制。
本实施例还提供一种基于如上的多源燃料电池的缩比系统工况控制方法的多源燃料电池的缩比系统，包括电堆模块、锂电池模块、多输入通道能量流调配执行器、负载、功率电供给回路和能量流调配控制器，负载为双向负载，用于向功率电供给回路输出和输入电能，电堆模块与多输入通道能量流调配执行器的电堆输入接口相连，多输入通道能量流调配执行器的输出接口与功率电供给回路相连，锂电池模块与功率电供给回路相连，负载与功率电供给回路相连，能量流调配控制器分别连接功率电供给回路、负载和多输入通道能量流调配执行器，
多输入通道能量流调配执行器3和功率电供给回路5分别用于检测接入的电堆模块与锂电池模块的个数，并向能量流调配控制器传输反馈信息；
能量流调配控制器用于执行如上的多源燃料电池的缩比系统工况控制方法。
下面以一个含有四个燃料电池模块与两个锂电池模块的燃料电池动力系统以及一段针对于全系统而设计的工况为例，描述了多源缩比系统工况的控制方法。
如图1所示，一种多源燃料电池系统，包括电堆模块1，锂电池模块2，多输入通道能量流调配执行器3，负载4，功率电供给回路5，能量流调配控制器6。
燃料电池系统中，氧化剂、还原剂供给支路以及冷却回路各组件并非本申请阐述内容的关键部件，已做省略。
负载4为双向负载，可以向功率电供给回路5输出或输入电能。
电堆模块1与多输入通道能量流调配执行器3的电堆输入接口相连，多输入通道能量流调配执行器3的输出接口与功率电供给回路5相连，锂电池模块2与功率电供给回路5相连，负载4与功率电供给回路5相连，能量流调配控制器6与功率电供给回路5、负载4、多输入通道能量流调配执行器3的控制信息交换端口相连。
本实施例中，完整系统包括4个燃料电池电堆模块，其额定输出功率为60kW，加载降载速率为1.5kW/s；以及2个容量为50kWh的锂电池模块，充放电电流最大为1C。图2是针对这个全系统设计的一个典型的阶跃变载工况，包含了一个阶跃升载和一个阶跃降载。
如图7所示，本实施例提供的多源燃料电池的缩比系统工况控制方法，包括以下步骤：
S1、将全系统架构参数、完整考核工况、燃料电池模块与锂电池模块的性能参数输入控制器；
具体为，输入系统参数至控制器中：1.全系统架构信息，包含N个燃料电池模块，M个锂电池模块(N、M为正整数且不同时为1)；2.输入完整系统的考核工况，为一段功率随时间变化的曲线；3.输入燃料电池模块与锂电池模块的性能参数，性能参数包括燃料电池的极化曲线，加载最大速率ΔPFCU、降载最大速率ΔPFCD等信息；锂电池模块的最大充放电倍率等信息。
S2、控制器检测缩比系统中燃料电池模块与锂电池模块的数量，检测现有接入的燃料电池模块n与锂电池模块的个数m，与设定的完整系统的模块个数N、M相比较，计算出燃料电池模块的残缺比α1以及锂电池模块残缺比α2。本实施例中，实物燃料电池模块的个数为1，完整系统中共有4个燃料电池模块；实物锂电池模块的个数为1，完整系统中共有2个锂电池模块，因此燃料电池模块的残缺比α1＝0.25，而锂电池模块的残缺比α2＝0.5。
S3、能量流调配控制器6对全工况进行分析，将完整系统的全工况分为稳态区和变载荷区，变载荷区为当Pt-Pt-1≠0时的功率曲线区间，如图2和3所示。
S4、Pconstantfc,0为全工况中稳态区的功率需求，而Pconstantfc为缩比系统工况中稳态区的功率需求，能量流调配控制器6根据公式Pconstantfc＝Pconstantfc,0×α1计算缩比系统工况中稳态区的功率需求，在稳态下，只有燃料电池模块对功率电供给回路5输出功率，锂电池模块没有对功率电供给回路5输出功率。本实施例中，Pconstantfc＝Pconstantfc,0×0.25。
S5、能量流调配控制器6根据燃料电池的加载最大速率与降载最大速率，计算变载荷区中燃料电池模块的输出功率曲线Pchangefc,0，根据公式Pchangefc＝Pchangefc,0×α1计算出缩比系统工况中燃料电池模块在变载荷区的功率需求。本实施例中，Pchangefc＝Pchangefc,0×0.25。
S6，能量流调配控制器6将稳态区与变载荷区的缩比系统下的燃料电池模块的输出功率曲线拼接，得到Pfc，如图4所示。
S7、能量流调配控制器6计算锂电池模块的总输出功率Plib,0，其中Psys为全系统的总功率，计算公式为：Plib,0＝Psys-Pfc。而缩比系统工况中锂电池模块的功率需求为Plib＝Plib,0×α2，本实施例中，Plib＝Plib,0×0.5，如图5所示。
S8、控制器计算缩比系统工况，即为燃料电池模块输出功率与锂电池模块输出功率之和Psys＝Pfc+Plib，如图6所示。
S9、针对缩比系统的缩比工况计算完成后，能量流调配控制器6通过控制信息交换端口与功率电供给回路5、负载4、多输入通道能量流调配执行器3通信，并开始执行测试的缩比工况。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多源燃料电池的缩比系统工况控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
数据获取步骤：获取多源燃料电池的缩比系统中燃料电池模块的个数和锂电池模块的个数，以及对应的完整系统中燃料电池模块的个数和锂电池模块的个数，从而计算燃料电池模块的残缺比和锂电池模块残缺比；
稳态区工况需求获取步骤：将完整系统全工况中稳态区的功率需求乘以燃料电池模块的残缺比，得到缩比系统工况中燃料电池模块在稳态区的功率需求；
变载荷区工况需求获取步骤：将完整系统全工况中变载荷区燃料电池模块的功率需求乘以燃料电池模块的残缺比，得到缩比系统工况中燃料电池模块在变载荷区的功率需求；
缩比系统燃料电池模块的输出功率获取步骤：将所述缩比系统工况中燃料电池模块在稳态区的功率需求和缩比系统工况中燃料电池模块在变载荷区的功率需求相加，得到缩比系统燃料电池模块的输出功率；
缩比系统中锂电池模块的输出功率获取步骤：将完整系统中锂电池模块的总输出功率乘以锂电池模块残缺比，得到缩比系统中锂电池模块的输出功率；
多源燃料电池的缩比系统工况控制步骤：将所述缩比系统燃料电池模块的输出功率和缩比系统中锂电池模块的输出功率相加，获取缩比系统工况功率曲线，从而进行工况控制。
2.根据权利要求1所述的一种多源燃料电池的缩比系统工况控制方法，其特征在于，所述燃料电池模块的残缺比的计算表达式为：
α1＝n/N
式中，α1为燃料电池模块的残缺比，n为缩比系统中燃料电池模块的个数，N为完整系统中燃料电池模块的个数；
所述锂电池模块残缺比的计算表达式为：
α2＝m/M
式中，α2为锂电池模块残缺比，m为缩比系统中锂电池模块的个数，M为完整系统中锂电池模块的个数。
3.根据权利要求2所述的一种多源燃料电池的缩比系统工况控制方法，其特征在于，所述缩比系统工况中燃料电池模块在稳态区的功率需求的计算表达式为：
Pconstantfc＝Pconstantfc，0×α1
式中，Pconstantfc为缩比系统工况中燃料电池模块在稳态区的功率需求，Pconstantfc，0为完整系统全工况中稳态区的功率需求；
所述缩比系统工况中燃料电池模块在变载荷区的功率需求的计算表达式为：
Pchangefc＝Pchangefc，0×α1
式中，Pchangefc为缩比系统工况中燃料电池模块在变载荷区的功率需求，Pchangefc，0为完整系统全工况中变载荷区燃料电池模块的功率需求；
所述缩比系统中锂电池模块的输出功率的计算表达式为：
Plib＝Plib，0×α2
式中，Plib为缩比系统中锂电池模块的输出功率，Plib，0为完整系统中锂电池模块的总输出功率。
4.根据权利要求1所述的一种多源燃料电池的缩比系统工况控制方法，其特征在于，所述数据获取步骤还获取有完整系统中燃料电池模块的加载最大速率与降载最大速率，根据所述燃料电池的加载最大速率与降载最大速率计算所述完整系统全工况中变载荷区燃料电池模块的功率需求。
5.根据权利要求1所述的一种多源燃料电池的缩比系统工况控制方法，其特征在于，所述变载荷区为当Pt-Pt-1≠0时的功率曲线区间，稳态区为当Pt-Pt-1＝0时的功率曲线区间，式中Pt为t时刻的功率，Pt-1为t-1时刻的功率。
6.一种基于如权利要求1所述的多源燃料电池的缩比系统工况控制方法的多源燃料电池的缩比系统，其特征在于，包括电堆模块、锂电池模块、多输入通道能量流调配执行器、负载、功率电供给回路和能量流调配控制器，所述负载为双向负载，用于向所述功率电供给回路输出和输入电能，所述电堆模块与多输入通道能量流调配执行器的电堆输入接口相连，所述多输入通道能量流调配执行器的输出接口与功率电供给回路相连，所述锂电池模块与功率电供给回路相连，所述负载与功率电供给回路相连，所述能量流调配控制器分别连接所述功率电供给回路、负载和多输入通道能量流调配执行器，
所述多输入通道能量流调配执行器和功率电供给回路分别用于检测接入的电堆模块与锂电池模块的个数，并向所述能量流调配控制器传输反馈信息；
所述能量流调配控制器用于执行如权利要求1所述的多源燃料电池的缩比系统工况控制方法。
7.根据权利要求6所述的多源燃料电池的缩比系统，其特征在于，所述燃料电池模块的残缺比的计算表达式为：
α1＝n/N
式中，α1为燃料电池模块的残缺比，n为缩比系统中燃料电池模块的个数，N为完整系统中燃料电池模块的个数；
所述锂电池模块残缺比的计算表达式为：
α2＝m/M
式中，α2为锂电池模块残缺比，m为缩比系统中锂电池模块的个数，M为完整系统中锂电池模块的个数。
8.根据权利要求7所述的多源燃料电池的缩比系统，其特征在于，所述缩比系统工况中燃料电池模块在稳态区的功率需求的计算表达式为：
Pconstantfc＝Pconstantfc，0×α1
式中，Pconstantfc为缩比系统工况中燃料电池模块在稳态区的功率需求，Pconstantfc，0为完整系统全工况中稳态区的功率需求；
所述缩比系统工况中燃料电池模块在变载荷区的功率需求的计算表达式为：
Pchangefc＝Pchangefc，0×α1
式中，Pchangefc为缩比系统工况中燃料电池模块在变载荷区的功率需求，Pchangefc，0为完整系统全工况中变载荷区燃料电池模块的功率需求；
所述缩比系统中锂电池模块的输出功率的计算表达式为：
Plib＝Plib，0×α2
式中，Plib为缩比系统中锂电池模块的输出功率，Plib，0为完整系统中锂电池模块的总输出功率。
9.根据权利要求6所述的多源燃料电池的缩比系统，其特征在于，所述数据获取步骤还获取有完整系统中燃料电池模块的加载最大速率与降载最大速率，根据所述燃料电池的加载最大速率与降载最大速率计算所述完整系统全工况中变载荷区燃料电池模块的功率需求。
10.根据权利要求6所述的多源燃料电池的缩比系统，其特征在于，所述变载荷区为当Pt-Pt-1≠0时的功率曲线区间，稳态区为当Pt-Pt-1＝0时的功率曲线区间，式中Pt为t时刻的功率，Pt-1为t-1时刻的功率。
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