一种燃料电池联合供电系统及能量管理方法技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池联合供电系统及能量管理方法
本专利技术涉及质子交换膜燃料电池设计
，尤其涉及一种燃料电池联合供电系统及能量管理方法。
技术介绍
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(ProtonexchangemembranefuelCell,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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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；所述能量管理方法：该方法通过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、锂电池充电控制环和能量管理系统计算出各环节时的能量守恒数据，使快速的储能设备完成直流总线电压调节，使得燃料电池平稳工作，而负载回馈能量时为储能设备充电，利用快速的超级电容完成直流总线电压调节，锂电池则将能量供给超级电容，而燃料电池则将能量供给锂电池，超级电容DCDC变换器实现直流母线电压调节，双向DCDC变换器用于维持超级电容充电状态时的剩余电量值，单向DCDC变换器则利用电池电压调节维持锂电池充电状态时的剩余电量值。有益效果：该系统通过该能量管理方法，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，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，进而延长燃料电池的使用寿命。附图说明图1是本专利技术提出的一种燃料电池联合供电系统的结构示意图；图2是该系统中单向DCDC变换器拓扑图；图3是该系统中双向DCDC变化器拓扑图；图4是该系统中直流母线电压控制环示意图；图5是该系统中超级电容电压控制环示意图；图6是该系统中锂电池电压控制环示意图；图7是该系统中锂电池充电控制环示意图；图8是该系统在仿真软件中各模块的实时功率图；图9是该系统在仿真软件中直流母线电压实时功率图；图10是该系统在仿真软件中燃料电池电压、电流和燃料消耗率的实时功率图；图11是该系统在仿真软件中锂电池电流、电压和SOC值的实时功率图；图12是该系统在仿真软件中超级电容电流和电压的实时功率图。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本专利技术。如图1至图12所示，本专利技术提出的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，测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：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。...

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池联合...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡鹏，石瑛，刘军，蒋赢，商雨青，马豫超，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：上海,31