RO131164A0

RO131164A0 - Management energetic pentru o sursă auxiliară de putere cu topologie hibridă, alimentată cu hidrogen

Info

Publication number: RO131164A0
Application number: ROA201501005A
Authority: RO
Inventors: Mircea Răceanu; Mariana Iliescu; Mihail Culcer; Adrian Enache; Mihai Varlam; Ioan Ştefănescu; Vasile Stanciu
Original assignee: Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Tehnologii Criogenice Şi Izotopice - Icsi Râmnicu Vâlcea
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2016-05-30
Also published as: RO131164B1

Abstract

Invenţia se referă la o metodă de management energetic, implementată pentru a permite funcţionarea unei unităţi auxiliare de putere pe o sarcină caracterizată de regimuri tranzitorii rapide. Unitatea auxiliară de putere este bazată pe un ansamblu de pile de combustibil de tip PEM, şi un sistem de stocare a energiei cu un ansamblu de ultracapacitoare. Metoda conform invenţiei include etapele de restrângere a dinamicii puterii generate de ansamblul de pile de combustie al unităţii auxiliare de putere, prin divizarea domeniului puterii generate în subdomenii, cu stabilirea punctului de operare pe fiecare subdomeniu în punctul de eficienţă locală maximă, şi de fixare a limitelor stării de încărcare a ansamblului de ultracapacitoare între valorile 20% şi 100%, astfel încât să existe în orice moment o rezervă de energie stocată.

Description

DESCRIEREA INVENȚIEI

Invenția se refera la procedeul de management energetic implementat pentru a permite funcționarea pe o sarcina caracterizata de regimuri tranzitorii rapide a unei unitati auxiliare de putere (APU - Auxiliary Power Source) de pana la max. 5 kW electric. Aceasta este realizata pe baza unei surse de energie electrica cu pile de combustibil, careia i se adauga un sistem de stocare a energiei cu ultracapacitor. Unitatea auxiliara de putere este destinata sa alimenteze cu energia necesara o aplicație mobila sau staționara.

Sursa principala de energie un ansamblu de pile de combustibil (APC) de tip PEM, alimentat cu hidrogen si aer. Pe langa reacțiile electrochimice care au loc in interiorul celulelor, caracteristicile tensiune- curent ale pilelor de combustibil sunt determinate de echipamentele utilizate pentru controlul presiunii, temperaturii si umidității in celule, toate acestea concurând la Încetinirea răspunsului ansamblului de pile de combustibil la regimurile tranzitorii ale sarcinii. Pentru compensarea capacitatii reduse de răspuns la variații rapide de sarcina este nevoie de un sistem auxiliar de stocare a energiei (ESS- Energy Storage System), capabil sa preia vârfurile de sarcina (peak shaving). Datorita faptului ca au o rezistenta interna foarte scăzută si inmagazineaza electrostatic energia, ultracapacitoarele se caracterizează printro densitate de putere mare, viteza de incarcare/ descărcare foarte mare si pierderi reduse, deci eficienta ridicata, ceea ce le recomanda spre a fi utilizate drept dispozitive de stocare a energiei electrice.

In literatura de specialitate se prezintă sisteme de alimentare hibride cu pile de combustibil de tip PEM si ultracapacitoare,care sunt utilizate cel mai frecvent in aplicații automotive (B. Vural, A.R. Boynuegri, I. Nakir, O. Erdinc, A. Balikci, M. Uzunoglu, H. Gorgun, S. Dusmez - Fuel cell and ultra-capacitor hybridization: A prototype test bench based analysis of different energy management strategies for vehicular applications, in International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010), pag. 11161 -11171; Patent Application US2014/0145500 Al - Power Distribution Device and Method for Fuel Cell - Supercapacitor Hybrid Vehicle; Patent 2015 EP_2O58918_B1 - Hybrid Power Source; Patent 2014 US_008738268_B2 Vehicle Power management and Distribution), si fac referire atat la metode de partajare a puterii intre cele doua dispozitive, activ si de stocare, cu sau fara recuperarea energiei de franare, cat si la mijloacele utilizate pentru implementarea acestor metode. O trăsătură comuna abordării problematicii gestiunii puterii in toate cazurile analizate este aceea a tratării numai din punctul de vedere al asigurării profilului de sarcina, prin actii ’ ¹de pile de combusl

si control exercitate asupra parametrilor funcționali ai ansamblului de alimentare si nivelul de umidificare al reactantilor,

^-2015--01005-

t 5 -o- ans temperatura de funcționare), fara o preocupare asupra regimului de funcționare al acestuia. S-a demonstrat insa ca supunerea ansamblului de pile de combustibil la variații ample si rapide ale sarcinii determina producerea in ansamblurile membrana- electrod, MEA (Membrane- Electrode- Assembly) a unor transformări ireversibile, care pot afecta drastic durata de viata normata a dispozitivului.

Potrivit invenției, obiectivul APU este de a furniza in orice moment puterea necesara pe sarcina in condiții de eficienta cat mai ridicata, asigurând totodată funcționarea APC intrun regim cat mai apropiat de cel staționar, simultan cu menținerea stării de incarcare (SoC-State of Charge) a ultracapacitorului la valori mai mari de 20%. Starea de incarcare se definește ca raportul dintre tensiunea momentana pe ultracapacitor si tensiunea nominala de incarcare, si are valori cuprinse intre 0 (UC complet descărcat) si 100 % (UC incarcat complet).

Strategia avuta in vedere pentru repartiția energiei de alimentare a sarcinii intre cei doi furnizori, APC si UC, este conceputa astfel incat sa asigure îndeplinirea obiectivului menționat.

O problema tehnica pe care o poate rezolva aceasta invenție se refera la asigurarea pentru ansamblul de pile de combustibil a unui regim de funcționare caracterizat de o dinamica redusa a excursiei de putere la ieșire, ceea ce favorizează prelungirea duratei de viata normata a dispozitivului.

A doua problema tehnica pe care o poate rezolva invenția se refera la asigurarea funcționarii ansamblului de pile de combustibil de tip PEM cat mai aproape de punctul de eficienta maxima prin utilizarea unui algoritm de management energetic care urmărește stabilirea punctului de operare al ansamblului de pile de combustibil cat mai aproape de punctul de eficienta maxima.

A treia problema tehnica pe care o poate rezolva invenția se refera la reducerea consumului de hidrogen datorita funcționarii in punctele de eficienta maxima.

In figura 1 se prezintă schema bloc a unitatii auxiliare de putere in configurație hibrida ansamblu de pile de combustibil - ultracapacitor (APC- UC).

Unitatea auxiliara de putere este structurata pe o configurație hibrida cu magistrala unica de curent continuu ( Single DC BUS), care oferă avantajul posibilității facile de interconectare a mai multor surse de energie, astfel incat sa se asigure in modul cel mai eficient satisfacerea profilului de sarcina.

Pe DC BUS se conectează generatorul de energie (1) realizat cu un ansamblu de pile de combustibil de tip PEM si o unitate de stocare a energiei (2) realizata cu un ansamblu de ultracapacitoare (UC).

APC este destinat sa furnizeze energie pe sarcina (3) in mod continuu, si lucrează cel mai bine in regim staționar, iar ansamblul UC (2) este capabil sa susțină variațiile rapide de sarcina si sa asigure concomitent pentru APC un regim de funcționare cat mai apropiat de cel staționar.

*1- 2 ο 1 5 - - 0 1 0 0 5 î 5 -12- 2015

APC (1) se conectează la magistrala DC prin intermediul unui convertor ridicător de tensiune (boost converter) DC/DC uni-directional, Conv_APC (11). UC (2) se conectează la APC (1) prin intermediul unui convertor DC/DC uni-directional pentru încărcare, Conv_UC_inc (21) si la magistrala DC prin intermediul unui convertor DC/DC uni-directional pentru descărcare Conv_UC_desc (22). Convertoarele (21) si (22) pot fi înlocuite cu un singur convertor DC/DC bi-directional, care sa realizeze funcțiile ambelor.

Condițiile de funcționare ale APC(l) sunt asigurate de un ansamblu BoP (Balance of Plant), care trebuie sa realizeze:

Alimentarea cu hidrogen - prin intermediul controlerului de debit (14);

Alimentarea cu aer - prin intermediul controlerului de debit (15);

Umidificarea reactantilor-prin intermediul Umidificatorului (13);

Controlul temperaturii de funcționare - prin intermediul Subsistemului de management termic (12).

Algoritmul de management energetic elaborat in conformitate cu strategia stabilita pentru îndeplinirea obiectivului general al APU menționat anterior, este implementat pe Unitatea electronica de control UEC (4). Aceasta asigura gestionarea funcționarii APU pe baza valorilor parametrilor electrici masurati din sistem (curenti si tensiuni), după cum urmeaza: curentul l|_O3d (31) si tensiunea V|_Oad (32) pe sarcina (3), curentul l_Apc (16) si tensiunea V_APC (18) la ieșirea APC, curentul l_APCi(17) la intrarea convertorului Conv_APC (11) si curentul l_APC2 (34) la ieșirea acestuia, curentul de incarcare la intrarea convertorului Conv_UC_inc (21), l_{uc in}ci (19) si la ieșirea lui, l_UCj_nc2 (24), tensiunea V_uc(23) pe ultracapacitorul (2), curentul de descărcare luc_desci la intrarea convertorului Conv_UC_desc (22) si curentul Iuc_desc2 (25) la ieșirea acestuia.

Strategia de management energetic prevede faptul ca puterea pe sarcina in orice moment, Pi_aad(t), trebuie sa fie furnizata de către ansamblul de pile de combustibil, P_Apc(t), si de către ansamblul de ultracapacitoare, P_uc(t), astfel incat pe magistrala de curent continuu sa fie îndeplinita condiția de echilibru:

PAPc(t)‘flAPC'llFC/B⁺Puc(t) )'1uC'llFC/UCnuC/B ⁼ Pload(t) > Vt (i) in care η_ΑροΠρ<:/β> luc, Hapc/uo Huc/b reprezintă respectiv eficienta ansamblului de pile de combustibil-APC (1), eficienta convertorului Conv_APC (11), eficienta ansamblului de ultracapacitoare UC (2), eficienta convertorului Conv_UC_inc (21) si eficienta convertorului Conv_UC_desc (22).

^2015-- 010051 5 -12- 2015

Controlul fluxului de putere in APU este realizat prin controlul intrărilor analogice (IA_apc, IA_uc_inc si lAuc desc) si al intrărilor digitale (ID_APC, ID_UCjnc si ID_uc__desc) ale celor trei convertoare, respectiv

Conv_APC(ll), Conv_UC_inc(21) si Conv_UC_desc(22).

In vederea stabilirii algoritmului de management energetic se pornește de la caracteristicile tensiunecurrent, debit de alimentare - putere si eficienta - putere ale ansamblului de pile de combustibil APC (1).

In figura 2 se prezintă caracteristica tensiune (putere) - curent a ansamblului de pile de combustibil, iar in figura 3, caracteristica debitului reactanților ( hidrogen - H2 si aer), consumați pentru furnizarea puterii APC pe întreg domeniul de operare.

Eficienta energetica a APU se definește drept raportul dintre energia electrica produsa si cea care s-ar fi putut produce prin arderea hidrogenului consumat de ansamblul de pile de combustibil.

Rezulta pe baza definiției ca operarea cu eficienta mai mare este echivalenta cu operarea cu consum de combustibil mai redus.

In figura 4 se prezintă caracteristica eficienta- putere a APU. Se observa existenta unei zone operaționale in care eficienta este maxima (pentru o putere de cca. 1850 W, eficienta are valoarea η= 0,63), precum si a alteia, corespunzătoare puterilor mici, in care valoarea eficientei este inacceptabil de redusa, datorita faptului ca puterea generata este utilizata pentru compensarea pierderilor sistemului.

Pentru a evita operarea in zona de eficienta redusa, la pornirea sistemului, punctul de operarea al acestuia va fi setat in punctul corespunzător eficientei maxime, prin alimentarea APC cu debitele de hidrogen si aer corespunzătoare.

Algoritmul de management energetic adoptat prevede restangerea dinamicii puterii generate de ansamblul de pile de combustibil (1) si fixarea limitelor stării de incarcare a ansamblului de ultracapacitoare (2) intre valorile 20% si 100%, astfel incat sa existe in orice moment o rezerva de energie stocata. Acest algoritm este implementat intro rutina principala si 5 subrutine.

In figura 5 se prezintă schema logica a rutinei principale.

Pentru a se reduce amplitudinea tranzițiilor puterii generate, domeniul de variație al acesteia se împarte intrun număr de subdomenii aproximativ egale (5 subdomenii in cazul ansamblului de pile de combustibil avand puterea generata maxima de 5 kW), puterea generata pe fiecare subdomeniu fiind setata la valoarea corespunzătoare maximului local al eficientei pe acel subdomeniu. Pe fiecare subdomeniu, daca puterea necesara pe sarcina depășește disponibilul de putere pe APC, diferența va fi furnizata prin descărcarea ansamblului de ultracapacitoare (2), cata vreme starea lor de incarcare nu scade sub valoarea SoC=20%.

( A /1

^2 0 1 5 -- 0 1 0 0 5 1 5 -12- 2015

In tabelul 1 se prezintă in mod sintetic datele referitoare la parametrii de intrare (debitele reactantilor) si de ieșire (curentul, tensiunea si puterea furnizata) ai ansamblului de pile de combustibil corespunzători maximului local al eficientei pe fiecare dintre cele 5 subdomenii ale puterii furnizate.

Tabelul 1. Tabelul parametrilor de intrare si de ieșire ai ansamblului de pile de combustibil corespunzători maximului local al eficientei pe fiecare dintre cele 5 subdomenii ale puterii furnizate

Zona	Maximul local al eficientei [%]	Consum Hidrogen [SLPM]	Consum Aer [SLPM]	Tensiune APC [V]	Curent APC [A]	Putere APC [W]
Zona 1	50	10.2	41.3	34.1	29.5	1005
Zona 2	63	21.5	84.2	30.3	61.1	1850
Zona 3	46	40.4	156.7	27.7	108	3000
Zona 4	42	56.7	217	26.5	151	4000
Zona 5	39	75.3	289	25	200	5000

In figura 6 se prezintă spre exemplificare schema logica a subrutinei 2, cu mențiunea ca toate cele 5 subrutine sunt identice din punct de vedere logic, diferențierea facandu-se doar in ceea ce privește valoarea parametrilor de intrare, care determina poziționarea punctului de funcționare al ansamblului de pile de combustibil (2) pe unul sau altul dintre subdomeniile puterii generate.

La pornire, debitele de alimentare cu reactanti sunt setate la valoarea corespunzătoare punctului de operare cu eficienta maxima. Daca puterea necesara pe sarcina are o valoare mai mica decât puterea generata de ansamblul de pile de combustibil (1), si ansamblul de ultracapacitoare (2) nu este complet incarcat, se comanda incarcarea acestuia la un curenta cărui valoare este data de relația (ii):

luCJncl (19) = I_apc(16) - I_Apci(17) (ii)

Daca ansamblul de ultracapacitoare (2) este complet incarcat, se trece pe subdomeniul de putere inferior.

Starea de încărcare a ansamblului de ultracapacitoare (2) se considera corespunzătoare pentru a declanșa descărcarea acestuia de indata ce atinge valoarea SoC= 50%. Curentul de descărcare este dat de relația (iii):

/~X\. κ r \'W (λ- 2 Ο 1 5 -- D 10 Ο 5 1 5 -12- 2015

Pentru valori ale stării de încărcare 20%<SoC<50%, algoritmul comanda stabilirea punctului de funcționare al ansamblului de pile de combustibil APC (1) pe subdomeniul de putere superior si continuarea încărcării ansamblului de ultracapacitoare UC (2). Daca noul nivel de putere setat depășește necesarul de putere pe sarcina, incarcarea ansamblului UC (2) continua pana la atingerea valorii

SoC=100%.

Algoritmul de management energetic se materializează prin intermediul a trei bucle de control utilizând regulatoare de tip Proporțional- Integral (PI).

Prima bucla de control reglează fluxul de hidrogen si aer (H2_SP si AerSP) astfel incat la ieșirea ansamblului de pile de combustibil sa se obțină curentul necesar l_APC (16) stabilit prin algoritmul de management (Tabel 1).

A doua bucla de control este utilizata când ansamblul de pile de combustibil APC (1) generează o putere mai mare decât cea consumata de sarcina astfel incat UEC activeaza intrarea digitala a Conv_UC_inc. si reglează semnalul analogic IA_{UC inc2} pentru a incarca in ansamblul de ultracapacitoare UC (2) curentul lucjnci (19), conform relației (ii).

A treia bucla de control este utilizata când ansamblul de pile de combustibil APC(l) generează o putere mai mica decât cea consumata de sarcina pentru menținerea unei tensiunii constante pe magistrala DC. Unitatea electronica de control activeaza intrarea digitala a Conv_UC_desc (22), inactiveaza convertorul Conv_UC_inc (21) si reglează semnalul analogic IA_{uc desc} astfel incat UC sa injecteze pe magistrala DC curentul luc_descz(25), conform relației (iii).

/DnAÎ V\\\ / (¢-2015-- 0 1 0 0 5 1 5 -12- 2015

DESENELE EXPLICATIVE

Figura 1. Schema bloc a Unitatii Auxiliare de Putere (APU) in configurație hibrida Ansamblu de Pile de Combustibil - UltraCapacitor (APC- UC)

Figura 2. Caracteristica tensiune (putere) - curent a APC

Figura 3. Debitul reactantilor consumați in funcție de puterea generata

Figura 4. Caracteristica eficienta - putere a APU

Figura 5. Schema logica a rutinei principale

Figura 6. Schema logica a unei subrutine (2)

Claims

REVENDICĂRI

1. Strategia de management energetic aplicata pe o unitate auxiliara de putere (APU) realizata potrivit schemei din figura 1 si care cuprinde:

i) O sursa de energie electrica realizata cu un ansamblu de pile de combustibil de tip PEM (APC) alimentat cu hidrogen si aer, a cărui funcționare este asigurata de un ansamblu (BoP) care realizează funcțiile de :

o Alimentare cu reactanti (hidrogen si aer); o Umidificare a reactanților; o Controlul temperaturii de funcționare.

ii) Un sistem de stocare a energiei realizat cu un ansamblu de ultracapacitoare (UC).

iii) Un convertor de curent continuu unidirecțional care cuplează ansamblul de pile de combustibil de tip PEM la magistrala DC de alimentare a sarcinii.

iv) Doua convertoare de curent continuu unidirecționale sau un convertor de curent continuu bidirecțional, care cuplează ansamblul de ultracapacitoare la ansamblul de pile de combustibil, in vederea încărcării, respectiv la magistrala DC de alimentare a sarcinii.

v) O unitate electronica de control (UEC).
2. Strategia de management energetic din revendicarea 1, prin care se reduce amplitudinea tranzițiilor puterii generate de ansamblul de pile de combustibil si se restricționează starea de incarcare a ansamblului de ultracapacitoare la cel puțin 20%, pentru a se asigura in orice moment o rezerva de energie stocata.
3. Strategia de management energetic din revendicarea 2, elaborata pe baza caracteristicilor din figura 2 - tensiune (putere) funcție de curent, din figura 3 - debit de reactanti consumați funcție de puterea generata de ansamblul de pile de combustibil si din figura 4 - eficienta funcție de puterea generata de unitatea auxiliara de putere, prin care domeniul puterilor de lucru se divide intrun număr de subdomenii avand fiecare latimea de 1 kW;
4. Strategia de management energetic potrivit revendicării 2, prin care punctul de funcționare al ansamblului de pile de combustibil in cadrul fiecărui subdomeniu al puterii generate se seteaza in punctul corespunzător maximului local al eficientei.
5. Strategia de management energetic potrivit revendicării 2, prin care la pornire punctul de funcționare al sistemului APU este setat pe punctul de eficienta maxima al caracteristicii <2015-- 0 1 0 0 5 1 5 -12- 2015
6. Algoritmul de management energetic corespunzător strategiei din revendicarea 2, implementat in unitatea electronica de control, prin intermediul unei rutine principale (figura 5) si a 5 subrutine (figura 6).
7. Algoritmul de management energetic corespunzător strategiei din revendicarea 2, care utilizează pentru controlul puterii furnizate de APU, trei bucle de reglare de tip Proporțional- Integral (PI).
8. Algoritmul de management energetic din revendicarea 6 prin intermediul caruia pe fiecare subdomeniu, daca puterea necesara pe sarcina depășește disponibilul de putere furnizat de ansamblul de pile de combustibil, diferența va fi furnizata prin descărcarea ansamblului de ultracapacitoare, cata vreme starea lor de incarcare nu scade sub valoarea SoC=20%.
9. Algoritmul de management energetic din revendicarea 6 prin intermediul caruia daca puterea necesara pe sarcina are o valoare mai mica decât puterea generata de ansamblul de pile de combustibil, si ansamblul de ultracapacitoare nu este complet incarcat, se comanda incarcarea acestuia, iar daca ansamblul de ultracapacitoare este complet incarcat, se trece pe subdomeniul de putere inferior.
10. Algoritmul de management energetic din revendicarea 6 prin intermediul caruia starea de incarcare a ansamblului de ultracapacitoare se considera corespunzătoare pentru a declanșa descărcarea acestuia de indata ce atinge valoarea SoC= 50%.
11. Algoritmul de management energetic din revendicarea 6 prin intermediul caruia daca starea de incarcare a ansamblului de ultracapacitoare este cuprinsa intre 20% si 50% se comanda stabilirea punctului de funcționare al ansamblului de pile de combustibil pe subdomeniul de putere superior si continuarea încărcării ansamblului de ultracapacitoare, iar daca noul nivel de putere setat depășește necesarul de putere pe sarcina, incarcarea ansamblului de ultracapacitoare continua pana la incarcarea completa.