CN114976323A - 一种氢燃料电池与锂电池混合供电系统控制方法 - Google Patents

一种氢燃料电池与锂电池混合供电系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氢燃料电池与锂电池混合供电系统控制方法，包括氢燃料电池供电单元、锂电池放电单元和控制单元，氢燃料电池供电单元和锂电池放电单元电性连接且分别与控制单元连接，控制单元通过监测锂电池SOC状态来决定氢燃料电池供电单元是否向锂电池放电单元供电和系统是否向负载输出能量。该发明结合氢燃料电池和锂电池各自的优点以功率为标准，科学组合两种电池，并以锂电池SOC状态为依据来控制系统的充放电时机，保证整个供电系统时刻处于最佳供电模式下，提高系统中锂电池供电单元的是使用寿，同时该发明也促进了氢燃料电池和锂电池的广泛应用。

Description

一种氢燃料电池与锂电池混合供电系统控制方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池领域，具体涉及一种氢燃料电池与锂电池混合供电系统控制方法。
背景技术
氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换为电能的发电装置，其依靠无污染、无噪声、高效率的优点跻身于新能源之列，氢燃料电池在作为供电系统时，可以保证恒定功率向负载进行功率输送，在针对需要额定功率长时间稳定运行的负载时，不失为一种极佳的供电方式，但是针对一些功率经常变化的负载时，该种供电方式将会产生一些不足，例如当氢燃料电池输出功率大于负载需要的功率时，其效率将会降低，当氢燃料电池输出功率小于负载需要的功率时，负载将不能正常工作，影响设备运行，因此，氢燃料电池在负载功率经常发生变化的情况下，具有一定的局限性。
锂电池是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池，其具有高储存能量密度，使用寿命长。锂电池作为供电系统时，可以适用于短时间内功率频繁变化的负载，可以短时间内超功率输出，来满足负载的功率变化，并且可以重复使用，即充电放电过程。虽然锂电池在适用范围上有着显著的优点，但其在使用过程中需要频繁充电，对一些设备的持续变功率运行做出了一定的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种氢燃料电池供电系统控制方法，以解决氢燃料电池不能持续变功率输出和锂电池频繁充电的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种氢燃料电池与锂电池混合供电系统控制方法，包括以下步骤：
S1：当锂电池放电单元SOC小于30％时，系统不向负载输出能量，同时，氢燃料电池供电单元向锂电池放电单元供电；当锂电池放电单元SOC大于等于30％时，直接进入步骤S2；
S2：当锂电池放电单元SOC大于等于30％时，系统向负载输出能量，同时，氢燃料电池供电单元继续向锂电池放电单元供电；
S3:当锂电池放电单元SOC达到90％时，氢燃料电池供电单元停止向锂电池放电单元供电，也即氢燃料电池关闭，系统继续向负载输出能量；
S4:当锂电池放电单元SOC小于30％时，回到步骤S1。
进一步优选，当负载停止运行时，若锂电池放电单元SOC小于90％，氢燃料电池供电单元向锂电池放电单元供电，直至锂电池供电单元SOC等于90％，再将氢燃料电池供电单元关闭。
进一步优选，所述氢燃料电池供电单元向锂电池放电单元供电时，当锂电池供电单元SOC接近90％时，控制单元会预先关闭氢气供给，以将供氢管道内残留氢气消耗完。
进一步优选，负载功率为a时，锂电池放电单元额定功率预设为a/60％，氢燃料电池供电单元额定功率预设为ab，且1.1≤b≤1.3。
本发明的有益效果：
以功率为标准，计算适配、科学组合氢燃料电池供电单元和锂电池放电单元，提高能量的利用率；氢燃料电池并非直接对接负载，在保证氢燃料电池供电单元持续供电的同时，又能适用负载变功率的工作方式，摆脱了变功率负载对其供电特性的限制，同时也避开了传统锂电池工作中需要频繁充电的问题；氢燃料电池供电单元中设有充电模块，可以满足不同负载下锂电池放电单元的能量消耗，也可以通过改变电压的方式来降低氢燃料电池供电单元的重量和体积却仍能保证锂电池放电单元的持续能量输出；该控制方法根据氢燃料电池和锂电池各自的性能特性，以锂电池SOC为依据，来控制系统的充放电时机，保证整个供电系统时刻处于安全、最佳供电模式下，提高系统中锂电池供电单元的使用寿命。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明的实施例：
本发明提供一种氢燃料电池与锂电池混合供电系统控制方法，该系统包括氢燃料电池供电单元、锂电池放电单元和控制单元。
控制单元分别与氢燃料电池供电单元和锂电池放电单元电性连接，在氢燃料电池供电单元中的通氢管道上，设有电磁阀，电磁阀与控制单元相连，控制单元可以通过控制电磁阀通断来控制氢气的通断。氢燃料电池供电单元和锂电池放电单元电性连接。
氢燃料电池在不断通入氢气和氧气(空气)的时候，其可以源源不断地提供能量；锂电池具有高能量储存密度，该发明将结合两者自身优点，通过功率适配，将两者融合到一起作为一种供电系统并提供一种适用于该系统的控制方法。
锂电池中，用SOC来表征剩余电量，理论上SOC可以为0％-100％，实际情况中，由于要考虑到锂电池中化学反应的特性，如阀值边界、静态、动态差异或倍率差异等，SOC通常需要留出缓冲区间，来保证锂电池工作中时刻处于安全区域内。锂电池SOC处于较高和较低的状态时，锂电池的电池参数(如存储衰减)会存在非常高的偏差，当SOC处于中间某一范围内的时候，锂电池的电池参数(如存储衰减)偏差较低，通常取范围30％-90％内的某一数值，既能保证锂电池的输出效率，又能保证其工作过程时刻处于安全工作区域，提高锂电池的使用寿命。
在锂电池放电过程中，会存在一个电压平台，需要注意的是，该电压平台为相对的电压平台，是较之整个放电过程中电压较为平缓的一个阶段。放电的初期，电压下降较快；放电的中期，电压下降较为平缓，电压平台出现在此阶段；放电末期，电压下降更快，有直线下降的趋势，在电压平台内，锂电池电量依旧很充足，并且电压浮动趋于平缓，放电效率最高。
综合锂电池SOC特性和锂电池放电过程电压平台的特性，下文以60％作为标准，来具体阐述该系统的实现。
假设一种负载的平均功率为a，为保证锂电池放电过程中SOC保持在60％附近，锂电池额定功率预设为：a/60％。
氢燃料电池作为供电单元，通过向其提供氢气和氧气(空气)的方式来向锂电池放电单元供电，为避免氢燃料电池启动和停止过程中功率的变化和供电过程能量损失的影响，氢燃料电池的额定功率预设为：ab，1.1≤b≤1.3，此处取b为1.2，即氢燃料电池的额定功率预设为1.2a。
氢燃料电池供电单元包括充电模块，氢燃料电池供电单元通过充电模块向锂电池放电单元充电，以满足不同负载下锂电池放电单元的能量消耗，也可以通过改变电压的方式来降低氢燃料电池供电单元的重量和体积却仍能保证锂电池放电单元的持续能量输出。
该控制方法具体步骤为：
S1：当锂电池放电单元SOC小于30％时，系统不向负载输出能量，同时，氢燃料电池供电单元向锂电池放电单元供电；当锂电池放电单元SOC大于等于30％时，直接进入步骤S2；
S2：锂电池放电单元SOC大于等于30％，系统向负载输出能量，同时，氢燃料电池供电单元继续向锂电池放电单元供电；
S3:锂电池放电单元SOC达到90％，氢燃料电池供电单元停止向锂电池放电单元供电，也即氢燃料电池关闭，系统继续向负载输出能量；
S4:当锂电池放电单元SOC小于30％时，回到步骤S1。
针对该系统控制方法的补充：
如果负载持续运行，则按上述S1-S4方法正常工作；当负载停止运行时，若锂电池放电单元SOC小于90％，氢燃料电池供电单元向锂电池放电单元供电，直至锂电池放电单元SOC等于90％，再将氢燃料电池供电单元关闭，使得下次使用时，锂电池放电单元可以直接向负载供电，并且为了将供氢管道内残留氢气消耗完，降低供电系统安全隐患，在向锂电池放电单元供电过程中，其SOC接近90％时，控制单元会预先关闭供氢管道电磁阀。
S1-S5中，各个单元状态的监测和控制均由控制单元实现。
S1中，在系统内决定向负载供能时，控制单元会先检测锂电池放电单元SOC状态，以此判断系统是否该向负载供能。
S3中，控制单元检测到锂电池放电单元SOC到达90％时，控制单元会立即关闭氢燃料电池供电单元氢气供应，停止氢燃料电池供电单元向锂电池供电单元供电，确保锂电池SOC处于最佳输出状态。
S3到S4的过程中，由于整个系统不存在能量输入，但仍向负载输出能量，会逐渐使得锂电放电单元SOC小于30％，当控制单元检测到SOC小于30％时，将会重复S1。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出锂电池放电单元他各种形式的产品，但不论在锂电池放电单元形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种氢燃料电池与锂电池混合供电系统控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：当锂电池放电单元SOC小于30％时，系统不向负载输出能量，同时，氢燃料电池供电单元向锂电池放电单元供电；当锂电池放电单元SOC大于等于30％时，直接进入步骤S2；
S2：当锂电池放电单元SOC大于等于30％时，系统向负载输出能量，同时，氢燃料电池供电单元继续向锂电池放电单元供电；
S3:当锂电池放电单元SOC达到90％时，氢燃料电池供电单元停止向锂电池放电单元供电，也即氢燃料电池关闭，系统继续向负载输出能量；
S4:当锂电池放电单元SOC小于30％时，回到步骤S1。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池与锂电池混合供电系统控制方法，其特征在于：当负载停止运行时，若锂电池放电单元SOC小于90％，氢燃料电池供电单元向锂电池放电单元供电，直至锂电池供电单元SOC等于90％，再将氢燃料电池供电单元关闭。
3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池与锂电池混合供电系统控制方法，其特征在于：所述氢燃料电池供电单元向锂电池放电单元供电时，当锂电池供电单元SOC接近90％时，控制单元会预先关闭氢气供给，以将供氢管道内残留氢气消耗完。
4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池与锂电池混合供电系统控制方法，其特征在于：负载功率为a时，锂电池放电单元额定功率预设为a/60％，氢燃料电池供电单元额定功率预设为ab，且1.1≤b≤1.3。
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