CN114188575A - 一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法 - Google Patents

一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法，根据多堆燃料电池系统功率控制方法得到需要运行的电堆个数以及每个需要运行的电堆的目标功率；将目标功率分配给所在功率区间运行时间最短的电堆。本发明将现有控制策略最终输出的电堆运行个数及输出功率分配给具体的电堆，避免电堆之间的投运时间、功率不均衡，保证整体多堆燃料电池系统的服役寿命和性能。

Description

一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法。
背景技术
多堆PEMFC发电系统相比于单堆燃料电池系统可以提供更高的输出功率，且更加可靠，在大功率应用场景有着明显的优势。多堆PEMFC系统功率分配方法中两种传统的策略是平均分配策略和逐级分配策略。平均分配策略是指投运的电堆数量恒定，需求功率平均分配到每套PEMFC电堆中，每个电堆的实时输出功率保持一致；逐级分配策略是指每套电堆逐级投运，前一级的电堆工作至其最大输出功率后再启动下一级电堆，依此类推。平均分配策略在低功率区间系统的效率较低，功率较低时启动全部电堆系统成本较高，该策略的最低输出功率为所有电堆最低输出功率之和，其针对低功率区间有明显缺陷；逐级分配策略可以实现系统更宽功率范围输出，在低功率输出时可明显提高系统效率，但仅仅在第一个PEMFC单体处达到最大效率，随着功率等级的增加，整体系统效率急剧降低。现有技术中提出了一种基于功率自适应分配的多堆燃料电池系统效率协调优化控制方法，结合了平均分配策略和逐级分配策略两种策略的特点并考虑系统效率进行了优化。但是，若燃料电池长时间工作在低功率状态，燃料电池性能发挥不出来，寿命衰减快。
上述现有控制策略的最终输出是目标功率，即电堆运行个数及目标功率，并未将输出功率分配到具体的电堆。因此在多堆系统长时间服役后，可能存在电堆之间投运时间、功率不均衡的情况，比如有的电堆经常投运而有的电堆经常闲置，或者有的电堆经常投运在高功率输出状态而有的电堆经常投运在低功率输出状态，长期如此可能会影响整个系统的服役寿命和性能，导致成本增加。对于逐级分配策略以及相似形式的策略，该分配问题值得重视。对于平均分配策略，当目标功率大于系统最小输出功率之和时，每套的功率分配均相同，不存在上述分配问题，但由于燃料电池运行时有最小功率限制，因此在目标功率小于系统最小输出功率之和时，需投运部分电堆，因此也存在上述功率分配问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法，将现有控制策略最终输出的电堆运行个数及输出功率分配给具体的电堆，避免电堆之间的投运时间、功率不均衡，保证整体多堆燃料电池系统的服役寿命和性能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法，包括步骤：
根据多堆燃料电池系统功率控制方法得到需要运行的电堆个数以及每个需要运行的电堆的目标功率；
将目标功率分配给所在功率区间运行时间最短的电堆。
进一步的是，目标功率分配包括步骤：
将单套电堆的功率输出范围分为若干个功率区间；以此获得各个电堆的功率区间，并获取各电堆在各个功率区间的运行时间；
先判断目标功率所在的功率区间，得到各个电堆在该功率区间的运行时间Ti，将这些运行时间进行排序，将目标功率分配给在该功率区间运行时间最短的电堆。
进一步的是，在运行时记录功率数据，以某一采样周期记录各套电堆的运行功率，从而得到各电堆在各个功率区间的运行时间。
进一步的是，具有多个目标功率时，优先选取运行时间最大差值最大的功率区间的目标功率；
若各个电堆在某个目标功率所在功率区间的运行时间之间的差距最大，则该目标功率需要被优先选取进行分配。
进一步的是，多个目标功率时，优先选取运行时间最大差值最大的功率区间的目标功率，包括步骤：
先判断各个目标功率所在的功率区间，得到各个电堆在相应功率区间的运行时间Tji；
计算各功率区间的运行时间最大差值：ΔTjmax＝Tjmax-Tjmin，并将这些各功率区间的运行时间最大差值进行排序；
选取各功率区间的运行时间最大差值中的最大值所在功率区间的目标功率优先进行分配；若有多个目标功率在该功率区间，则在该功率区间的多个目标功率中随机选取一个目标功率优先进行分配；
将选取的最优目标功率分配给所在功率区间运行时间最短的电堆；
随后在余下的目标功率中再按照上述步骤选取一个最优目标功率，将其分配给余下的电堆中该功率所在功率区间运行时间最短的电堆，依此类推。
进一步的是，将目标功率分配给所在功率区间运行时间最短的电堆，包括步骤：
将单套电堆的功率输出范围分为若干个功率区间；以此获得各个电堆的功率区间，并获取各电堆在各个功率区间的运行时间；
先判断目标功率所在的功率区间，得到各个电堆在该功率区间的运行时间Ti，将这些运行时间进行排序，将目标功率分配给在该功率区间运行时间最短的电堆。
进一步的是，所述多堆燃料电池系统包括：多个燃料电池电堆，每个电堆配置一个燃料电池控制器；中央控制器；和数据存储设备；
燃料电池控制器负责各电堆的输出控制和辅助部件的控制以及传感器的信息采集；
中央控制器负责与用户、各燃料电池控制器以及数据存储设备之间的信息交互并负责整个多堆系统的功率控制；
数据存储设备负责记录需要的数据；
中央控制器在接受到用户的需求功率信息后，读取数据存储设备存储的数据并根据所提出的功率控制方法进行，将计算得出的结果发送至相应燃料电池控制器，从而对用户的功率需求进行响应，多堆燃料电池系统功率调控方法，实现考虑寿命和性能的多堆系统功率控制，在运行过程中同时将需要记录的数据发送至数据存储设备进行存储。
采用本技术方案的有益效果：
本发明采用的技术方案可避免这种电堆之间投运时间、功率不均衡的情况，使得各个电堆的投运工况更加平均，避免因某个或部分电堆性能衰减过快而导致的整个系统的输出能力降低甚至停运检修，有利于多堆燃料电池系统的模块化技术发展，且能够延长系统服役寿命，有效降低系统运营维护成本。
本发明所建立的方法简单明了易于实现，且由于计算结果比较明确，因此程序的调试和维护简便。
附图说明
图1为本发明的一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法流程示意图；
图2为本发明实施例中多堆燃料电池系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法，包括步骤：
根据多堆燃料电池系统功率控制方法得到需要运行的电堆个数以及每个需要运行的电堆的目标功率；
将目标功率分配给所在功率区间运行时间最短的电堆。
作为上述实施例的优化方案1：
设多堆燃料电池系统有n个额定功率为Pe的电堆，编号为FC1,FC2,...,FCn(n≥2)，m个目标功率为P1,P2,...,Pm(m≤n)。
目标功率分配包括步骤：
将单套电堆的功率输出范围分为若干个功率区间，例如Pmin～20％Pe，20％Pe～40％Pe，40％Pe～60％Pe，60％Pe～80％Pe，80％Pe～100％Pe，并在运行时记录功率数据，以某一采样周期记录各套电堆的运行功率，从而得到各电堆在各个功率区间的运行时间；以此获得各个电堆的功率区间，并获取各电堆在各个功率区间的运行时间。
若将某一目标功率Pj分配给某个电堆，为保证各个电堆之间的投运时间、功率均衡，本发明中目标功率是最需要被分配给在该功率所在区间运行时间最短的电堆的分配方法如下：
先判断目标功率所在的功率区间，得到各个电堆在该功率区间的运行时间Ti(i＝1,2,...n)，将这些运行时间进行排序，将目标功率分配给在该功率区间运行时间最短的电堆。
作为上述实施例的优化方案2：
具有多个目标功率时，优先选取运行时间最大差值最大的功率区间的目标功率；若各个电堆在某个目标功率所在功率区间的运行时间之间的差距最大，则该目标功率需要被优先选取进行分配。
多个目标功率时，优先选取运行时间最大差值最大的功率区间的目标功率，包括步骤：
先判断各个目标功率所在的功率区间，得到各个电堆在相应功率区间的运行时间Tji(j＝1,2,...m，i＝1,2,...n)；
计算各功率区间的运行时间最大差值：ΔTjmax＝Tjmax-Tjmin(j＝1,2,...,m)，并将这些各功率区间的运行时间最大差值进行排序；
选取各功率区间的运行时间最大差值中的最大值所在功率区间的目标功率优先进行分配；若有多个目标功率在该功率区间，则在该功率区间的多个目标功率中随机选取一个目标功率优先进行分配；
将选取的最优目标功率分配给所在功率区间运行时间最短的电堆；
随后在余下的目标功率中再按照上述步骤选取一个最优目标功率，将其分配给余下的电堆中该功率所在功率区间运行时间最短的电堆，依此类推。
其中，将目标功率分配给所在功率区间运行时间最短的电堆，包括步骤：
将单套电堆的功率输出范围分为若干个功率区间；以此获得各个电堆的功率区间，并获取各电堆在各个功率区间的运行时间；
先判断目标功率所在的功率区间，得到各个电堆在该功率区间的运行时间Ti，将这些运行时间进行排序，将目标功率分配给在该功率区间运行时间最短的电堆。
在上述各个实施例中，多堆燃料电池系统可采用如下结构，如图2所示，多堆燃料电池系统包括：多个燃料电池电堆FC，每个电堆配置一个燃料电池控制器FCU；中央控制器ECU；和数据存储设备；
燃料电池控制器负责各电堆的输出控制和辅助部件的控制以及传感器的信息采集；
中央控制器负责与用户、各燃料电池控制器以及数据存储设备之间的信息交互并负责整个多堆系统的功率控制；
数据存储设备负责记录需要的数据；
中央控制器在接受到用户的需求功率信息后，读取数据存储设备存储的数据并根据所提出的功率控制方法进行，将计算得出的结果发送至相应燃料电池控制器，从而对用户的功率需求进行响应，多堆燃料电池系统功率调控方法，实现考虑寿命和性能的多堆系统功率控制，在运行过程中同时将需要记录的数据发送至数据存储设备进行存储。
本发明在现有多堆燃料电池系统功率控制方法得到需要运行的电堆个数以及每个需要运行的电堆的目标功率后，将目标功率分配给所在功率区间运行时间最短的电堆，多个目标功率时优先选取运行时间最大差值最大的功率区间的目标功率。可避免这种电堆之间投运时间、功率不均衡的情况，使得各个电堆的投运工况更加平均，避免因某个或部分电堆性能衰减过快而导致的整个系统的输出能力降低甚至停运检修，有利于多堆燃料电池系统的模块化技术发展，且能够延长系统服役寿命，有效降低系统运营维护成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法，其特征在于，包括步骤：
根据多堆燃料电池系统功率控制方法得到需要运行的电堆个数以及每个需要运行的电堆的目标功率；
将目标功率分配给所在功率区间运行时间最短的电堆。
2.根据权利要求1所述的一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法，其特征在于，目标功率分配包括步骤：
将单套电堆的功率输出范围分为若干个功率区间；以此获得各个电堆的功率区间，并获取各电堆在各个功率区间的运行时间；
先判断目标功率所在的功率区间，得到各个电堆在该功率区间的运行时间Ti，将这些运行时间进行排序，将目标功率分配给在该功率区间运行时间最短的电堆。
3.根据权利要求2所述的一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法，其特征在于，在运行时记录功率数据，以某一采样周期记录各套电堆的运行功率，从而得到各电堆在各个功率区间的运行时间。
4.根据权利要求1所述的一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法，其特征在于，具有多个目标功率时，优先选取运行时间最大差值最大的功率区间的目标功率；
若各个电堆在某个目标功率所在功率区间的运行时间之间的差距最大，则该目标功率需要被优先选取进行分配。
5.根据权利要求4所述的一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法，其特征在于，多个目标功率时，优先选取运行时间最大差值最大的功率区间的目标功率，包括步骤：
先判断各个目标功率所在的功率区间，得到各个电堆在相应功率区间的运行时间Tji；
计算各功率区间的运行时间最大差值：ΔTjmax＝Tjmax-Tjmin，并将这些各功率区间的运行时间最大差值进行排序；
选取各功率区间的运行时间最大差值中的最大值所在功率区间的目标功率优先进行分配；若有多个目标功率在该功率区间，则在该功率区间的多个目标功率中随机选取一个目标功率优先进行分配；
将选取的最优目标功率分配给所在功率区间运行时间最短的电堆；
随后在余下的目标功率中再按照上述步骤选取一个最优目标功率，将其分配给余下的电堆中该功率所在功率区间运行时间最短的电堆，依此类推。
6.根据权利要求5所述的一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法，其特征在于，将目标功率分配给所在功率区间运行时间最短的电堆，包括步骤：
将单套电堆的功率输出范围分为若干个功率区间；以此获得各个电堆的功率区间，并获取各电堆在各个功率区间的运行时间；
先判断目标功率所在的功率区间，得到各个电堆在该功率区间的运行时间Ti，将这些运行时间进行排序，将目标功率分配给在该功率区间运行时间最短的电堆。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种基于功率区间的多堆燃料电池系统功率调控方法，其特征在于，所述多堆燃料电池系统包括：多个燃料电池电堆，每个电堆配置一个燃料电池控制器；中央控制器；和数据存储设备；
燃料电池控制器负责各电堆的输出控制和辅助部件的控制以及传感器的信息采集；
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