CN110758180B - 一种考虑燃料电池启停策略的复合电源系统能量分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种考虑燃料电池启停策略的复合电源系统能量分配方法，属于燃料电池领域，具有减少燃料电池系统启停次数，提高系统效率，延长电源寿命的优点。本发明包括上层控制和下层控制；所述上层控制是对燃料电池的启停控制：采集蓄电池的电量数据以及汽车的负载电流，根据燃料电池当前的开闭状态以及蓄电池的电量数据，确定燃料电池进行启动和关机操作；所述下层控制是对能量分配的控制：根据数据采集模块采集到的蓄电池的电量，超级电容的电量以及负载的电流需求，对燃料电池模块，超级电容模块进行能量的分配。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种考虑燃料电池启停策略的复合电源系统能量分配方法。
背景技术
近几年来，燃料电池凭借其效率高，无污染的优点，在车辆领域有了广泛的应用。考虑到燃料电池动态响应慢的缺点，又将燃料电池与其他储能能源如蓄电池、超级电容等组成复合能源使用。超级电容具有高功率密度的优点，蓄电池具有高能量密度的优点，因而充分发挥这些电源各自的优点，设计出一款效率高、寿命高、可靠性好的燃料电池复合电源系统尤其重要。
目前的燃料复合电源系统一般只是包含两个电源，尤其在能量管理策略上没有考虑到频繁开关对燃料电池系统带来的损害，没有在复合电源能量分配的同时考虑燃料电池的启停控制，进而在能量管理控制器的设计上不能充分满足燃料电池和其他储能能源的特性，因而导致复合电源系统效率低、损害电池系统寿命等缺点。
发明内容
本发明提供了一种考虑燃料电池启停策略的复合电源系统能量分配方法，能够减少燃料电池系统启停次数，提高复合电源系统工作效率，延长电池的使用寿命。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种考虑燃料电池启停策略的复合电源系统能量分配方法，所述复合电源系统包括：燃料电池模块、超级电容模块、蓄电池模块、数据采集模块、复合电源控制器；所述复合电源控制器与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块分别与所述燃料电池模块、蓄电池模块、超级电容模块连接；所述蓄电池模块与负载模块直接连接；所述燃料电池模块连接单向DC-DC控制器，所述单向DC-DC控制器分别与负载以及所述复合电源控制器相连；所述超级电容模块连接双向DC-DC控制器，所述双向DC-DC控制器分别与负载以及所述复合电源控制器相连，复合电源控制器包括上层和下层控制两个部分，上层是燃料电池的启停策略，下层是对能量的分配，根据数据采集模块采集到的蓄电池的电量，超级电容的电量以及负载的电流需求，对燃料电池模块，超级电容模块进行能量的分配；
所述数据采集模块包括负载电流和电压采集模块、燃料电池电流采集模块、超级电容电量采集模块、蓄电池电量采集模块；所述负载电流采集模块与汽车内的负载串联后，与复合电源控制器相连；所述负载电压采集模块与负载并联后，与复合电源控制器相连；所述燃料电池电量采集模块分别与燃料电池模块和复合电源控制器连接；所述超级电容电量采集模块分别与超级电容模块和复合电源控制器连接；所述蓄电池电量采集模块分别与超级电容模块和复合电源控制器连接；
所述能量分配方法包括上层控制和下层控制；所述上层控制是对燃料电池的启停控制，控制方法为采集蓄电池的电量数据以及汽车的负载电流，根据燃料电池当前的开闭状态以及蓄电池的电量数据，确定燃料电池进行启动和关机操作，
具体步骤如下：
(1)根据采集的汽车负载电流的正负，判断汽车当前状态，若电流为负值，汽车处于制动状态，燃料电池参考电流值为0，若电流为正值，汽车处于驱动状态；
(2)根据采集的蓄电池的电量数据以及燃料电池当前的开关状态，对燃料电池进行开启或关机操作；若燃料电池处于关机状态，当蓄电池的电量小于它的下限阈值时，那么不考虑最小关机时间toff的约束，燃料电池立刻开启，并且燃料电池参考电流值为燃料电池最大输出电流I max；若燃料电池处于开启状态，当蓄电池的电量大于它的上限阈值时，燃料电池立刻关机，不考虑最小开机时间ton的约束，此时燃料电池的参考电流为0；若燃料电池处于开启状态，当蓄电池的电量处于它的上下限阈值之间时，燃料电池的输出电流随着负载电流的变化而变化，燃料电池的参考电流为Id；若燃料电池处于关机状态，10秒的时间内负载电流一直大于燃料电池的最大电流，并且燃料电池关机状态的时间大于最小关机时间，则开启燃料电池；若燃料电池处于开机状态，10秒的时间内负载电流一直小于燃料电池的最优电流，所述最优电流是燃料电池系统最大效率点对应的电流值，并且开启时间大于最小开机时间，则关闭燃料电池；若负载电流大于超级电容和蓄电池所能提供的最大电流，燃料电池开启。
所述下层控制包括以下步骤：
步骤a：根据采集到的汽车负载电流，蓄电池的电量数据，结合燃料电池电流高效区间的上下限阈值，确定燃料电池的参考电流；
步骤b：根据采集得到的汽车负载电流以及步骤a所确定的燃料电池的参考电流，二者差值为超级电容和蓄电池所需提供的差值电流，根据差值电流的正负以及超级电容的电量数据，确定超级电容的参考电流；
以上所述下层控制中步骤a包括以下步骤：
根据上层控制判断的燃料电池的启停状态，燃料电池若是关机状态，那么燃料电池的参考电流为0；燃料电池若是处于开启状态，根据采集到的负载电流，将所述负载电流和蓄电池的充电电流相加后得到燃料电池的需求电流，燃料电池的需求电流与燃料电池的上下限阈值电流进行比较后，得到相应的燃料电池的参考电流；燃料电池电流的上下限阈值为燃料电池系统的实测的效率测试数据划定出是燃料电池工作在高效区的电流的上下极限阈值；若燃料电池的需求电流小于燃料电池的电流下限阈值，那么此时燃料电池参考电流为燃料电池的电流下限阈值；若燃料电池的需求电流在燃料电池的电流上下限阈值之间，那么燃料电池的参考电流等于需求电流值；若燃料电池的需求电流大于燃料电池的电流上限阈值，那么燃料电池的参考电流为燃料电池的电流上限阈值。
步骤b包括以下步骤：
根据采集得到的汽车负载电流以及所确定的燃料电池的参考电流，二者差值为超级电容和蓄电池所需提供的差值电流，判断差值电流的正负，若为正值则进入步骤s1，若否则进入步骤s2；
步骤s1包括以下步骤：
如果差值电流为正值，要判断超级电容能否供电，比较差值电流与蓄电池的电流下限阈值，所述下限阈值指的是蓄电池在当前SOC下的最小放电电流，若差值电流小于蓄电池的电流下限阈值，超级电容的参考电流为0，若差值电流大于蓄电池的电流下限阈值，就比较超级电容电量与超级电容电量下限阈值的大小，若超级电容电量大于超级电容电量下限阈值，则输出超级电容参考电流为Iscmax；否则输出超级电容参考电流为0。
步骤s2包括以下步骤：
如果差值电流为负值，要判断超级电容能否充电，比较超级电容的电量与初始的超级电容电量，若超级电容电量小于超级电容初始电量，那么超级电容的充电电流取超级电容的电流下限阈值，否则超级电容的充电电流为0。
有益效果：本发明提供了一种考虑燃料电池启停策略的复合电源系统能量分配方法，本发明采用上层控制和下层控制相结合，上层是燃料电池的启停策略，下层是对能量的分配，根据数据采集模块采集到的蓄电池的电量，超级电容的电量以及负载的电流需求，对燃料电池模块，超级电容模块进行能量的分配；本发明以燃料电池作为该复合电源系统的主能源，通过所选燃料电池系统的实测的效率测试数据规定出燃料电池工作在高效区的电流的上下极限阈值，从而使燃料电池在工作时满足高效区间，进而提高着整个系统的工作效率；在复合电源系统的能量管理中加入对燃料电池系统的启停策略，并且考虑到燃料电池动态响应慢的缺点以及延长其寿命，引入最小开启时间，最小关机时间的限制，从而尽可能减少燃料电池的频繁启动；对于超级电容，保证它保持正常的电量水平，通过以上方法大幅度提高整个系统的寿命水平。
附图说明
图1为本发明的复合电源系统的结构示意图；
图2为本发明中复合电源控制方法的框图；
图3为本发明中蓄电池和超级电容的能量分配方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
如图1所示，复合电源系统包括：燃料电池模块、超级电容模块、蓄电池模块、数据采集模块、复合电源控制器；图中虚线为信号连接线，实线为电气连接线，所述燃料电池模块用于为汽车提供主要动力源，所述超级电容模块用于为汽车提供顶峰功率，所述蓄电池模块用于对剩余汽车需求功率的补充，所述复合电源控制器与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块分别与所述燃料电池模块、蓄电池模块、超级电容模块连接；所述蓄电池模块与负载模块直接连接，实现燃料电池和超级电容供能后剩余汽车功率需求的补充；所述燃料电池模块连接单向DC-DC控制器，所述单向DC-DC控制器分别与负载以及所述复合电源控制器相连，实现燃料电池模块对直流母线的单向供能；所述超级电容模块连接双向DC-DC控制器，所述双向DC-DC控制器分别与负载以及所述复合电源控制器相连，实现超级电容电能的充放，复合电源控制器包括上层和下层控制两个部分，上层是燃料电池的启停策略，下层是对能量的分配，根据数据采集模块采集到的蓄电池的电量，超级电容的电量以及负载的电流需求，对燃料电池模块，超级电容模块进行能量的分配；
所述数据采集模块包括负载电流和电压采集模块、燃料电池电流采集模块、超级电容电量采集模块、蓄电池电量采集模块；所述负载电流采集模块与汽车内的负载串联后，与复合电源控制器相连；所述负载电压采集模块与负载并联后，与复合电源控制器相连；所述燃料电池电量采集模块分别与燃料电池模块和复合电源控制器连接；所述超级电容电量采集模块分别与超级电容模块和复合电源控制器连接；所述蓄电池电量采集模块分别与超级电容模块和复合电源控制器连接。
以德国EK公司的燃料电池为例：
如图2所示，一种考虑燃料电池启停策略的复合电源系统能量分配方法，包括上层控制和下层控制：
上层控制是对燃料电池的启停控制，控制方法为采集蓄电池的电量数据以及汽车的负载电流，根据燃料电池当前的开闭状态以及蓄电池的电量数据，确定燃料电池进行开机和关机操作，上层控制中燃料电池启停控制方法包括：根据采集的汽车的负载电流的正负，判断汽车当前状态。若电流为负值，处于制动状态，燃料电池参考电流值为0。若电流为正值，汽车处于驱动状态，根据采集的蓄电池的电量数据以及燃料电池当前的开关状态，对燃料电池进行开启或关机操作；若燃料电池处于关机状态，当蓄电池的电量小于它的下限阈值时，那么不考虑最小关机时间toff的约束（此处取5s，结合具体系统取值），燃料电池立刻开启，并且燃料电池参考电流值为燃料电池最大电流，所述最大电流通过燃料电池的测试数据可得，此实施例中选用的是德国EK公司峰值功率为35kW的电堆，对应的最大电流为230A左右；若燃料电池处于开启状态，当蓄电池的电量大于它的上限阈值时，燃料电池立刻关机，不考虑最小开机时间ton的约束（此处取值为5s，结合具体系统取值, 具体多少需要调节），此时燃料电池的参考电流为0；若燃料电池处于开启状态，当蓄电池的电量处于它的上下限阈值之间时，燃料电池的输出电流随着负载电流的变化而变化；若燃料电池处于关机状态，10秒的时间内负载电流一直大于燃料电池的最大电流，并且燃料电池关闭状态的时间大于最小关机时间，则开启燃料电池；若燃料电池处于开机状态，10秒的时间内负载电流一直小于燃料电池的最优电流，并且开启时间大于最小开启时间，则关闭燃料电池；若负载电流大于超级电容和蓄电池所能提供的最大电流，燃料电池开启，所述最优电流是燃料电池系统最大效率点对应的电流值，德国EK公司的燃料电池最优电流为82A，上层控制中所述燃料电池的参考电流为整车总需求电流Id。
下层控制的控制内容包括：
步骤a：根据采集到的负载电流，蓄电池的电量数据，结合燃料电池电流高效区间的上下限阈值，确定燃料电池的参考电流Ifcref；首先是上层控制判断的燃料电池的启停状态，燃料电池若是停机状态，那么燃料电池的参考电流为0；燃料电池若是处于启动状态，根据采集到的负载电流Iload，和蓄电池的充电电流相加后得到燃料电池的需求电流，燃料电池的需求电流与燃料电池的上下限阈值电流进行比较后，得到相应的燃料电池的参考电流Ifcref；燃料电池电流的上下极限阈值为燃料电池系统的实测的效率测试数据划定出是燃料电池工作在高效区的电流的上下极限阈值。若燃料电池的需求电流小于燃料电池的电流下限阈值，那么此时输出燃料电池参考电流为燃料电池的电流下限阈值；若燃料电池的需求电流在燃料电池的电流上下限阈值之间，那么燃料电池的参考电流等于需求电流值；若燃料电池的需求电流大于燃料电池的电流上限阈值，那么燃料电池的参考电流为燃料电池的电流上限阈值；对于EK的燃料电池系统，高效区间指的是系统效率在45%以上的区域，电流区间40A-100A左右，此处下限取40A，上限取值100A。
步骤b：根据采集得到的汽车负载电流Iload以及上一步所确定的燃料电池的参考电流Ifcref，二者差值Idi为超级电容和蓄电池所需提供的差值电流，根据差值电流的正负以及超级电容的电量数据，确定超级电容的参考电流。
下层控制中的燃料电池参考电流为燃料电池最终分配的电流Ifcref。
下层控制中，步骤b的能量控制方法的流程图如图3所示，具体包括以下步骤：
根据采集得到的汽车负载电流以及所确定的燃料电池的参考电流，二者差值为超级电容和蓄电池所需提供的差值电流Idi，判断差值电流的正负，若为正值则进入步骤s1，若否则进入s2。
步骤s1的控制方法为：
如果差值电流Idi为正值，那么要判断超级电容能否供电。比较差值电流与蓄电池的电流下限阈值Ibamin，所述下限阈值指的是蓄电池在当前SOC下的最小放电电流，若差值电流小于蓄电池的电流下限阈值Ibamin，输出超级电容的参考电流Isc为0。若差值电流大于蓄电池的电流下限阈值，就比较超级电容电量与超级电容电量下限阈值的大小，若超级电容电量SOCsc大于超级电容电量下限阈值SOCmin，则输出超级电容参考电流为Iscmax；否则输出超级电容参考电流Isc为0。
步骤s2的控制方法为：
差值电流Idi为负值，要判断超级电容能否充电。比较超级电容的电量SOCsc与初始的超级电容电量SOCint，若超级电容电量SOCsc小于超级电容初始电量SOCint，那么超级电容的充电电流Isc取超级电容的电流下限阈值，否则超级电容的充电电流为0。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种考虑燃料电池启停策略的复合电源系统能量分配方法，其特征在于，所述复合电源系统包括燃料电池模块、超级电容模块、蓄电池模块、数据采集模块、复合电源控制器；所述复合电源控制器与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块分别与所述燃料电池模块、蓄电池模块、超级电容模块连接；所述蓄电池模块与负载模块直接连接；所述燃料电池模块连接单向DC-DC控制器，所述单向DC-DC控制器分别与负载以及所述复合电源控制器相连；所述超级电容模块连接双向DC-DC控制器，所述双向DC-DC控制器分别与负载以及所述复合电源控制器相连，复合电源控制器包括上层和下层控制两个部分，上层是燃料电池的启停策略，下层是对能量的分配，根据数据采集模块采集到的蓄电池的电量，超级电容的电量以及负载的电流需求，对燃料电池模块，超级电容模块进行能量的分配；所述数据采集模块包括负载电流采集模块和负载电压采集模块、燃料电池电流采集模块、超级电容电量采集模块、蓄电池电量采集模块；所述负载电流采集模块与汽车内的负载串联后，与复合电源控制器相连；所述负载电压采集模块与负载并联后，与复合电源控制器相连；所述燃料电池电量采集模块分别与燃料电池模块和复合电源控制器连接；所述超级电容电量采集模块分别与超级电容模块和复合电源控制器连接；所述蓄电池电量采集模块分别与超级电容模块和复合电源控制器连接；所述能量分配包括上层控制和下层控制；所述上层控制是对燃料电池的启停控制：采集蓄电池的电量数据以及汽车的负载电流，根据燃料电池当前的开闭状态以及蓄电池的电量数据，确定燃料电池进行启动和关机操作,具体包括以下步骤：(1)根据采集的汽车负载电流的正负，判断汽车当前状态，若电流为负值，汽车处于制动状态，燃料电池参考电流值为0，若电流为正值，汽车处于驱动状态；(2)根据采集的蓄电池的电量数据以及燃料电池当前的开关状态，对燃料电池进行开启或关机操作；若燃料电池处于关机状态，当蓄电池的电量小于其下限阈值时，那么不考虑最小关机时间toff的约束，燃料电池立刻开启，并且燃料电池参考电流值为燃料电池最大电流Imax；若燃料电池处于开启状态，当蓄电池的电量大于它的上限阈值时，不考虑最小开机时间ton的约束，燃料电池立刻关机，此时燃料电池的参考电流为0；若燃料电池处于开启状态，当蓄电池的电量处于它的上下限阈值之间时，燃料电池的输出电流随着所述汽车负载电流的变化而变化，燃料电池的参考电流为Id；若燃料电池处于关机状态，10秒的时间内负载电流一直大于燃料电池的最大电流，并且燃料电池关机状态的时间大于最小关机时间，则开启燃料电池；若燃料电池处于开机状态，10秒的时间内负载电流一直小于燃料电池的最优电流，并且开启时间大于最小开机时间，则关闭燃料电池；若负载电流大于超级电容和蓄电池所能提供的最大电流，燃料电池开启；所述下层控制是对能量分配的控制：根据采集得到的所述汽车负载电流以及燃料电池的参考电流，二者差值为超级电容和蓄电池所需提供的差值电流，根据差值电流的正负以及超级电容的电量数据，确定超级电容的参考电流根据数据采集模块采集到的蓄电池的电量，超级电容的电量以及负载的电流需求，对燃料电池模块，超级电容模块进行能量的分配。
2.根据权利要求1所述的考虑燃料电池启停策略的复合电源系统能量分配方法，其特征在于，所述下层控制中确定燃料电池的参考电流具体包括以下步骤：根据上层控制判断的燃料电池的启停状态，燃料电池若是关机状态，那么燃料电池的参考电流为0；燃料电池若是处于开启状态，根据采集到的所述汽车负载电流，将所述负载电流和蓄电池的充电电流相加后得到燃料电池的需求电流，燃料电池的需求电流与燃料电池电流的上下限阈值电流进行比较后，得到相应的燃料电池的参考电流；若燃料电池的需求电流小于燃料电池的电流下限阈值，那么此时燃料电池参考电流为燃料电池的电流下限阈值；若燃料电池的需求电流在燃料电池的电流上下限阈值之间，那么燃料电池的参考电流等于需求电流值；若燃料电池的需求电流大于燃料电池的电流上限阈值，那么燃料电池的参考电流为燃料电池的电流上限阈值。
3.根据权利要求1或2所述的考虑燃料电池启停策略的复合电源系统能量分配方法，其特征在于，所述燃料电池电流的上下限阈值为燃料电池系统实测的效率测试数据划定出燃料电池工作在高效区的电流的上下极限阈值。
4.根据权利要求1或2所述的考虑燃料电池启停策略的复合电源系统能量分配方法，其特征在于，所述下层控制中确定超级电容的参考电流具体包括以下步骤：根据采集得到的所述汽车负载电流以及所述燃料电池的参考电流，二者差值为超级电容和蓄电池所需提供的差值电流，判断差值电流的正负，若为正值则进入步骤s1，若为负值则进入步骤s2；所述步骤s1包括以下步骤：如果所述超级电容和蓄电池所需提供的差值电流为正值，要判断超级电容能否供电，比较差值电流与蓄电池的电流下限阈值，若差值电流小于蓄电池的电流下限阈值，超级电容的参考电流为0，若差值电流大于蓄电池的电流下限阈值，就比较超级电容电量与超级电容电量下限阈值的大小，若超级电容电量大于超级电容电量下限阈值，则输出超级电容参考电流为Iscmax；否则输出超级电容参考电流为0；所述步骤s2包括以下步骤：如果所述超级电容和蓄电池所需提供的差值电流为负值，要判断超级电容能否充电，比较超级电容的电量与初始的超级电容电量，若超级电容电量小于初始的超级电容电量，那么超级电容的充电电流取超级电容的电流下限阈值，否则超级电容的充电电流为0。
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