[发明专利]一种燃料电池联合供电系统及能量管理方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池设计技术领域，尤其涉及一种燃料电池联合供电系统及能量管理方法。

背景技术

燃料电池是一种清洁高效的分布式电源，在催化剂作用下它能将含氢燃料的化学能直接转化为电能而无需燃烧过程。质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel Cell,简称PEMFC)作为最可能商业化的燃料电池，具有工作温度低、电流密度大、响应速度快等优点，具有广泛的应用前景；但PEMFC是一个复杂的电化学系统，它根据负载功率要求实时调节反应气体的流量和压力，存在时间响应常数相对较慢特点，而且电化学反应容易受到湿度、温度和压力等外界参数干扰，导致输出电压更易波动，特别当负载频繁变动时，需要与外部的储能装置配合工作。为提高燃料电池系统的能量密度和动态响应能力，将燃料电池与锂电池或超级电容等能源存储装置联合构成供电系统，通过应用合适的能量管理策略，使得燃料利用率和带负载能力均能大幅提升，同时能减少负载频繁波动时燃料电池气路的往复调整，延长燃料电池的使用寿命。对燃料电池联合供电系统的能量管理主要有状态机控制方法、基于经验规则的模糊逻的能量管理技术、模型预测控制或神经网络等方法，但都具有一定的使用缺陷。状态机控制方法虽然简明，但其管理策略取决于系统以往经验规则，在两种状态边缘间存在的抖动，不利于平滑稳定控制；基于经验规则的模糊逻辑能量管理技术利用隶属度函数和If-Then规则，但需要规则设计者非常熟悉联合供电系统各部分元件组成情况，并且需要以往的专家经验辅助设计；其它一些基于模型预测控制、神经网络等能量方法虽然通过精巧的设计和繁琐的数学计算能达到较好燃料利用率或效率，但整个推导计算过程十分复杂，对硬件设备实时计算处理能力要求较高，不利于实际工程应用推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池联合供电系统及能量管理方法，以便提高对供电系统的管理和对电池的合理利用。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种燃料电池联合供电系统，包括燃料电池模块、锂电池模块、超级电容模块、直流母线、负载模块、直流母线电压控制环、超级电容电压控制环、锂电池电压控制环、锂电池充电控制环、仿真软件、能量管理系统；

燃料电池模块包括：燃料电池、单向DCDC变换器、流量控制器、测量滤波器、脉宽调制器、电流控制器、负反馈输入端，单向DCDC变换器一端与直流母线的正负极相连，另一端与燃料电池相连接，测量滤波器设于燃料电池与单向DCDC变换器的正极之间，测量滤波器输出到电流控制器，电流控制器输出到脉宽调制器，脉宽调制器与单向DCDC相连接，流量控制器用于控制燃料电池的氢氧离子的含量，流量控制器的输入端连接负反馈输入端；

锂电池模块包括：锂电池、双向DCDC变换器、测量滤波器、电流控制器、脉宽调制器，双向DCDC变换器一端与直流母线的正负极相连，另一端与锂电池相连接，测量滤波器设于锂电池与双向DCDC变换器的正极之间，测量滤波器输出到电流控制器，电流控制器输出到脉宽调制器，脉宽调制器与双向DCDC变换器相连接；

超级电容模块包括：超级电容、DCDC变换器、测量滤波器、电流控制器、脉宽调制器，DCDC变换器一端与直流母线的正负极相连，另一端与超级电容相连接，测量滤波器设于锂电池与DCDC变换器的正极之间，测量滤波器输出到电流控制器，电流控制器输出到脉宽调制器，脉宽调制器与DCDC变换器相连接；

负载模块包括：三相负载和DCDC逆变器，DCDC逆变器一端与直流母线相连，另一端与三相负载连接；

能量管理系统需要将燃料电池、锂电池和超级电容能量合理分配给负载，并在制动时需将反馈的能量回收以提高电能利用率。

所述单向DCDC变换器作为燃料电池电力变换器，它将燃料电池额定时的较低电压转化为较高的直流母线电压，升压变换器由高频电感L1、输出滤波电容C1、二极管D1和主开关S1组成，开关S2是备用的关断设备用于保护因S1损坏或调节器故障导致地燃料电池短路，升压变换器基于电流环控制，通过适当控制变换器开关S1的导通占空比系数；

双向DCDC变换器用于将直流母线与锂电池互联，使得蓄电池能充电放电，由高频电感L2、输出滤波电容C2、开关器件S3和S4组成，锂电池充电模式下，S3开关和S4的二极管作为单向降压变换器将直流母线电能输送给电池，电池放电模式下，S4开关和S3的二极管作为单向变换器将锂电池能量输送给直流母线，使用两象限斩波模型建模，通过占空比控制使得能量能双向流动；

所述燃料电池为质子交换膜燃料电池；