一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统技术方案

本发明专利技术公开了一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，包括固体氧化物燃料电池、升压DC/DC、双向DC/DC变换器、锂电池、微控制器和海洋浮标。采集固体氧化物燃料电池的输出电流、升压DC/DC的输出电流、双向DC/DC变化器的输入端电流和海洋浮标的电流；微控制器通过AD采样模块接收以上电流信号，进行相应运算处理，精确控制锂电池的输入或输出电流，间接控制固体氧化物燃料电池的输出电流；整体实现负载功率突变下既补偿固体氧化物燃料电池功率输出动态响应的不足以及保证固体氧化物燃料电池安全稳定运行，又满足海洋浮标的功率需求。

A hybrid energy management system for solid oxide fuel cells for marine buoys

The invention discloses a solid oxide fuel cell hybrid energy management system for marine buoys, including solid oxide fuel cell, boost DC/DC, bidirectional DC/DC converter, lithium battery, micro controller and ocean buoy. Collection of solid oxide fuel cell output current, step-up DC/DC output current, the input end of the bidirectional DC/DC converter and current ocean buoy current; micro controller through the AD sampling module receives the above current signal, the corresponding processing, input or output current control of lithium batteries, indirect output current control of solid oxide fuel cell the overall implementation of the power load; both mutation compensation for solid oxide fuel cell power output dynamic response problems and ensure the safe and stable operation of the fuel cell and solid oxide, and meet the power demand of ocean buoy.

【技术实现步骤摘要】
一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统
本专利技术属于分布式电源发电领域，更具体地，涉及一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统。
技术介绍
当前海洋浮标的供电方式基本是通过定期更换内部蓄电池来实现，这种供电方式存在供电时间短，成本高，补给困难等问题，直接制约着海洋浮标在海洋观测上的发展和应用。虽然部分海洋浮标以蓄电池和太阳能、风能等混合供电，减少了更换电池次数，但风能和太阳能存在不稳定的问题，使海洋浮标的能量供给受到限制。总之，海洋浮标在海洋监测中的应用、发展必须突破能源供给受限的挑战，解决远洋海洋浮标的能量供给问题对海洋浮标的发展和应用有着重要的意义。海洋浮标供能需要长期稳定、安全可靠的能量来源，而固体氧化物燃料电池符合这一要求，使得其在海洋浮标供能应用上相对其他供能方式优势明显。但固体氧化物燃料电池存在电能输出低动态响应的缺点，负载功率频繁变化会降低固体氧化燃料电池的电能转化效率同时也会增加固体氧化物燃料电池的控制难度，严重时则会影响固体氧化物燃料电池的安全运行。由此可见，现有技术存在负载功率变化对固体氧化物燃料电池的影响较大，固体氧化物燃料电池的工作寿命较短，无法为海洋浮标提供安全稳定的电能的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，由此解决现有技术存在负载功率变化对固体氧化物燃料电池的影响较大，固体氧化物燃料电池的工作寿命较短，无法为海洋浮标提供安全稳定的电能的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，包括：固体氧化物燃料电池、升压DC/DC、双向DC/DC变换器、锂电池、微控制器和海洋浮标，所述微控制器包括AD采样单元、PWM输出单元、数据处理单元和锂电池SOC估计单元，AD采样单元接收固体氧化物燃料电池的输出电流、升压DC/DC的输出电压和输出电流、海洋浮标的电流、双向DC/DC变换器的输入端电流、锂电池的电压和电流；锂电池SOC估计单元根据输入的锂电池的电压和电流得到锂电池的SOC值，并将结果传入数据处理单元；数据处理单元接收AD采样单元传入的固体氧化物燃料电池的输出电流、升压DC/DC的输出电压和输出电流、海洋浮标的电流和锂电池SOC估计单元传入的锂电池SOC值，得到双向DC/DC变换器所需PWM值，并将PWM值传入PWM输出单元；PWM输出单元接收PWM值，输出PWM控制信号，控制双向DC/DC变换器向直流母线输出或者输入电流，间接控制固体氧化物燃料电池输出电流。进一步的，系统还包括：电流传感器A0，用于采集固体氧化物燃料电池的输出电流；电流传感器A1，用于采集升压DC/DC的输出电流；电流传感器A2，用于采集双向DC/DC变换器的输入端电流；电流传感器A3，用于采集海洋浮标的电流；电流传感器A4，用于采集锂电池的电流；电压传感器V1，用于采集升压DC/DC的输出电压；电压传感器V2，用于采集锂电池的电压。进一步的，双向DC/DC变换器，一方面通过电流传感器A4与锂电池连接，另一方面通过电流传感器A2与直流母线5连接。进一步的，锂电池SOC估计单元对输入的锂电池的电压和电流采用开路电压法和卡尔曼滤波法处理，得到锂电池的初始SOC值，然后采用安时积分法估计锂电池的实时SOC值，为了防止电流采样误差积分带来的估计误差，不定时地采用卡尔曼滤波法进行SOC估计值的校正。进一步的，PWM输出模块还用于输出占空比控制双向DC/DC变换器内部开关管导通关断，实现直流母线向锂电池输出或者输入电流。进一步的，PWM控制信号为脉宽调制信号PWM。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)传统的固体氧化物燃料电池混合能量管理系统一般采用直接将锂电池连接到直流母线的方案，该方案中锂电池易受到大电流的冲击，影响其使用寿命，甚至存在爆炸的风险，且直流母线电压由锂电池电压决定，随着锂电池电压的下降，会影响海洋浮标的工作状态。本专利技术采用锂电池经双向DC/DC变换器连接到直流母线的方案，双向DC/DC变换器用于接收微控制器的PWM控制信号，控制锂电池向直流母线吸收或者释放的电流，本专利技术不仅能控制锂电池的充放电电流的大小，防止异常大电流的冲击，延长锂电池的使用寿命，而且能够使直流母线的电压稳定在海洋浮标所需的工作电压，从而保证负载安全可靠的运行。(2)锂电池SOC估计单元一般采用开路电压法结合安时积分法估计锂电池的SOC值，使用这种传统的方案，SOC估计误差会随时间逐渐累加，导致误差越来越大，数据可靠性降低。本专利技术中采用开路电压法结合卡尔曼滤波法估计锂电池的初始SOC值，采用安时积分法估计锂电池的实时SOC值，并不定时采用卡尔曼滤波法进行SOC估计值的校正，卡尔曼滤波法的引入使SOC估计误差始终在1％以内，极大地提高了SOC估计精度，为系统的稳定运行提供了可靠的保障。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统的结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，包括：粗线为电流线，细线为信号线。在电流线部分，固体氧化物燃料电池1输出的电能经升压DC/DC3升压后，一方面，向海洋浮标18供电，另一方面，经双向DC/DC8控压控流后，使锂电池11充电或放电。在信号线部分，AD采样单元12与5个电流传感器和2个电压传感器相连，5个电流采样模块分别是电流传感器A0、电流传感器A1、电流传感器A2、电流传感器A3和电流传感器A4，2个电压传感器分别是电压传感器V1和电压传感器V2，AD采样单元12接收并转换5个电流传感器的电流信号和2个电压传感器的电压信号，其中电流信号A4和电压信号V2传入锂电池SOC估计单元15，其余信号直接传入数据处理单元14；锂电池SOC估计单元15根据输入的电流信号A4和电压信号V2计算出锂电池的SOC值，并将结果传入数据处理单元14；数据处理单元14接收A/D转换单元12传入的电流信号、电压信号和锂电池SOC估计单元15传入的锂电池SOC值，经运算处理得出数字控制双向DC/DC变换器8所需PWM值，并将PWM值传入PWM输出单元13；PWM输出单元13与双向DCDC变换器相连，由其控制双向DC/DC变换器向直流母线5输出电流或者输入电流。在使用时，固体氧化物燃料电池1用于产生系统所需电能；升压DC/DC用于将固体氧化物燃料电池1输出的电能升压到海洋浮标18所需工作电压；数字控制双向DC/DC变换器8用于接收微控制器16的PWM控制信号，控制锂电池11向直流母线5输出或输入的电流；锂电池11用于从直流母线输入多余的电能或向直流母线输出缺少的电能，保障海洋浮标18的稳定运行；AD采样单元12用于检测固体氧化物燃料电池输出电流、升压DCDC的输出电压和电流、海洋浮标电流、双向DC/DC输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，其特征在于，包括：固体氧化物燃料电池(1)、升压DC/DC(3)、双向DC/DC变换器(8)、锂电池(11)、微控制器(16)和海洋浮标(18)，所述微控制器(16)包括AD采样单元(12)、PWM输出单元(13)、数据处理单元(14)和锂电池SOC估计单元(15)，AD采样单元(12)接收固体氧化物燃料电池(1)的输出电流、升压DC/DC(3)的输出电压和输出电流、海洋浮标(18)的电流、双向DC/DC变换器(8)的输入端电流、锂电池(11)的电压和电流；锂电池SOC估计单元(15)根据输入的锂电池(11)的电压和电流得到锂电池的SOC值，并将结果传入数据处理单元(14)；数据处理单元(14)接收AD采样单元(12)传入的固体氧化物燃料电池(1)的输出电流、升压DC/DC(3)的输出电压和输出电流、海洋浮标(18)的电流和锂电池SOC估计单元(15)传入的锂电池SOC值，计算得到双向DC/DC变换器(8)所需PWM值，并将PWM值传入PWM输出单元(13)；PWM输出单元(13)接收PWM值，输出PWM控制信号，控制双向DC/DC变换器(8)向直流母线(5)输出或者输入电流，间接控制固体氧化物燃料电池输出电流。...

【技术特征摘要】
1.一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，其特征在于，包括：固体氧化物燃料电池(1)、升压DC/DC(3)、双向DC/DC变换器(8)、锂电池(11)、微控制器(16)和海洋浮标(18)，所述微控制器(16)包括AD采样单元(12)、PWM输出单元(13)、数据处理单元(14)和锂电池SOC估计单元(15)，AD采样单元(12)接收固体氧化物燃料电池(1)的输出电流、升压DC/DC(3)的输出电压和输出电流、海洋浮标(18)的电流、双向DC/DC变换器(8)的输入端电流、锂电池(11)的电压和电流；锂电池SOC估计单元(15)根据输入的锂电池(11)的电压和电流得到锂电池的SOC值，并将结果传入数据处理单元(14)；数据处理单元(14)接收AD采样单元(12)传入的固体氧化物燃料电池(1)的输出电流、升压DC/DC(3)的输出电压和输出电流、海洋浮标(18)的电流和锂电池SOC估计单元(15)传入的锂电池SOC值，计算得到双向DC/DC变换器(8)所需PWM值，并将PWM值传入PWM输出单元(13)；PWM输出单元(13)接收PWM值，输出PWM控制信号，控制双向DC/DC变换器(8)向直流母线(5)输出或者输入电流，间接控制固体氧化物燃料电池输出电流。2.如权利要求1所述的一种海洋浮标用固体氧化物燃料电池混合能量管理系统，其特征在于，所述系统还包括：电流传感器A0(2)，用于采集固体氧化物燃料电池(1)的输出电流；电流传感器A1(4)，用...

【专利技术属性】
技术研发人员：李曦，徐阳，牛保群，蒋建华，王飘飘，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42