[发明专利]一种高温SOFC电动汽车能量管理智能控制系统及方法

权利要求书

1.一种高温SOFC电动汽车能量管理智能控制系统，其特征在于，该系统包括高温固体氧化物燃料电池堆(1)、保温层(2)、电加热器(3)、充电DC/DC变换器(4)、双向DC/DC变换器(5)、超级电容器(6)、控制器(7)、双向DC/AC变换器(8)、加热DC/DC变换器(9)、驱动电机(10)、空气压缩泵(11)、氢气储存罐(12)、电控阀门(13)，电力二极管(14)；

所述高温固体氧化物燃料电池堆的正极与双向DC/AC变换器的正极连接，中间串联电力二极管，高温固体氧化物燃料电池堆的负极与双向DC/AC变换器的负极连接，双向DC/AC变换器的正极、负极与超级电容器的正极、负极并联，中间串联双向DC/DC变换器，充电DC/DC变换器的输入端分别连接在高温固体氧化物燃料电池堆的正极与负极，充电DC/DC变换器的输出分别连接在超级电容器的正极与负极，加热DC/DC变换器输入端并联在超级电容器的正极与负极，加热DC/DC变换器的输出连接在电加热器的电源接口，双向DC/AC变换器输出端与驱动电机的电源端口连接；

所述控制器的输入分别连接高温固体氧化物燃料电池堆的温度信号、高温固体氧化物燃料电池堆的电压信号、高温固体氧化物燃料电池堆的电流信号、超级电容器的电压信号、超级电容器的电流信号以及驱动电机的功率需求信号，控制器输出分别与电控阀门的控制端口、空气压缩泵的控制端口、充电DC/DC变换器的控制端口、双向DC/DC变换器的控制端口、双向DC/AC变换器的控制端口、加热DC/DC变换器的控制端口连接；氢气储存罐通过电控阀门与高温固体氧化物燃料电池堆的燃料进口连接；高温固体氧化物燃料电池堆的氧化剂进口和氧化剂出口与空气压缩泵连接；

所述高温固体氧化物燃料电池堆外部安装电加热器，电加热器的外部安装保温层；

该系统由启动过程能量管理控制子系统、正常行驶过程能量管理控制子系统、加速行驶过程能量管理控制子系统、制动过程能量管理控制子系统构成；

所述启动过程能量管理控制子系统的能量由超级电容器提供，超级电容器输出电能为：

P0＝P1+P2 (1)；

其中，P0为超级电容器的输出电能，P1为驱动电机的需求电功率，P2为电加热器所需要的电功率；

启动过程高温固体氧化物燃料电池堆在常温状态，无法运行，需要电加热器将其加热到运行温度700℃，在启动过程各变换器和电控阀门的工作状态由控制器的输出信号控制；当高温固体氧化物燃料电池堆的温度达到700℃时，能量转换执行正常行驶过程能量管理控制子系统；

所述正常行驶过程能量管理控制子系统的能量由高温固体氧化物燃料电池堆提供电能，具体值为：

P3＝P01+P1+P2 (2)；

其中，P01为超级电容器的充电功率，P1为驱动电机的需求电功率，P2为电加热器所需要的电功率，P3为高温固体氧化物燃料电池堆的输出电功率，正常行驶过程中，高温固体氧化物燃料电池堆同时给超级电容器充电，充电功率为P01；

正常行驶过程高温固体氧化物燃料电池堆温度已加热到700℃，在正常行驶过程各变换器和电控阀门的工作状态由控制器的输出信号控制；

所述加速行驶过程能量管理控制子系统的能量由高温固体氧化物燃料电池堆和超级电容器共同提供电能，具体值为：

P3+P0＝P1+P2 (3)；

其中，P0为超级电容器的输出电能，P1为驱动电机的需求电功率，P2为电加热器所需要的电功率，P3为高温固体氧化物燃料电池堆的输出电功率；

加速行驶过程高温固体氧化物燃料电池堆温度已加热到700℃，在加速行驶过程各变换器和电控阀门的工作状态由控制器的输出信号控制；

所述制动过程能量管理控制子系统制动时驱动电机工作在发电状态，能量控制为：

P11＝P01 (4)；

其中，P01为超级电容器的充电电功率，P11为驱动电机的发电功率；

在制动过程各变换器和电控阀门的工作状态由控制器的输出信号控制。

2.一种权利要求1所述高温SOFC电动汽车能量管理智能控制系统的控制方法，其特征在于，高温固体氧化物燃料电池堆的运行温度采用模糊控制，具体为：高温固体氧化物燃料电池堆运行温度由电加热器加热，超级电容器通过加热DC/DC变换器对电加热器进行加热，得到电加热器的加热功率，加热的电功率由控制器控制加热DC/DC变换器的占空比，从而控制加热所需要的电功率；

所述模糊控制的模糊控制器设计步骤为：

S1、确定输入输出变量

模糊控制器的输入一为高温固体氧化物燃料电池堆给定温度与实际温度的误差e；

模糊控制器的输入二为误差e的变化率de/dt；

模糊控制器的输出为加热DC/DC变换器占空比控制信号u；

S2、输入输出变量论域和量化因子

误差e的基本论域设计为(-60kW，+60kW)，经过归一化处理：

其中，a_e为误差e的基本论域的左边，b_e为误差e的基本论域的右边，x_e为误差e的基本论域中的变量，x′_e是误差e的基本论域归一化后的标准论域；

将(-60Kw,+60kW)的连续变量转化为(-6，+6)之间的连续变化量，然后将这个变化量分为7个语言变量E，即正大、正中、正小、零、负小、负中、负大；

进一步选定语言变量E的论域为：

则得到误差e的量化因子Ke＝6/60＝0.1；

设计再论域X上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数，即：

其中，σ₁为论域X的隶属度函数的宽度，c₁为论域X的隶属度函数的中心，μ₁(x)表示论域X的隶属度函数；

进一步建立语言变量E的赋值表；

误差e的变化率de/dt的基本论域为(-20kW/s，+20Kw/s)，

经过归一化处理：

其中，a_ec为误差e的变化率de/dt的基本论域的左边，b_ec为误差e的变化率de/dt的基本论域的右边，x_ec为误差e的变化率de/dt的基本论域中的变量，x′_ec是误差e的变化率de/dt的基本论域归一化后的标准论域；

将(-20kW/s，+20Kw/s)的连续变量转化为(-6，+6)之间的连续变化量，然后将这个变化量分为7个语言变量EC，即正大、正中、正小、零、负小、负中、负大；

进一步选定语言变量EC的论域为：

则得到误差e的量化因子Kec＝6/20＝0.3；

设计再论域Y上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数，即：

其中，σ₂为论域Y的隶属度函数的宽度，c₂为论域Y的隶属度函数的中心，μ₂(x)表示论域Y的隶属度函数；

进一步建立语言变量EC的赋值表；

输出变量u基本论域为(-100kW，+100kW)；

经过归一化处理：

其中，a_u为误差u的基本论域的左边，b_u为误差u的基本论域的右边，x_u为误差u的基本论域中的变量，x′_u是误差u的基本论域归一化后的标准论域；

将(-100kW，+100kW)的连续变量转化为(-6，+6)之间的连续变化量，然后将这个变化量分为7个语言变量U，即正大、正中、正小、零、负小、负中、负大；

进一步选定语言变量U的论域为：

则得到输出变量U的量化因子Ku＝6/100＝0.06；

设计在论域Z上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数，即：

其中，σ₃为论域Z的隶属度函数的宽度，c₃为论域Z的隶属度函数的中心，μ₃(x)表示论域Z的隶属度函数；

进一步建立语言变量U的赋值表；

S3、模糊控制规则的设计

设计模糊控制规则的原则是当误差大或者较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或者较小时，选择控制量要控制超调量；

S4、解模糊

解模糊采用最大隶属度方法进行解模糊。