[发明专利]一种固体氧化物燃料电池的混合能量控制系统及控制方法

说明书

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池的混合能量控制系统及控制方法，控制系统包括信号采集器、状态估计器、控制器、可控升压DC/DC变换器、双向DC/DC变换器及流量调节器；信号采集器包括用于采集锂电池组的电压、电流及温度，负载电流及可控升压DC/DC变换器电压的采样器，状态估计器根据锂电池组的电压、电流及温度获得锂电池组的SOC；控制器根据负载电流和双向DC/DC变换器输出端电压获得负载功率，控制器根据负载功率及锂电池组的SOC确定锂电池组工作状态和电堆输出功率，输出双向DC/DC变换器和可控升压DC/DC变换器的控制信号，SOFC电堆系统燃料流量、空气流量及流量附加控制信号，流量调节器控制SOFC电堆系统。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池发电领域，更具体地，涉及一种固体氧化物燃料电池的混合能量控制系统及控制方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种在中高温环境下通过电化学反应将化石燃料的化学能直接转换为电能并生成水的发电装置。与传统发电方式相比，SOFC不存在机械运动和燃烧过程，不受卡诺循环的限制，极大地减少了噪声和尾气污染，提高了燃料利用率。与质子交换膜燃料电池(PEMFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)相比，SOFC为全固体结构，无需Pt等贵金属电极材料，具有制造成本低、无漏液腐蚀、无电极毒化、燃料来源广泛等优点。因此，SOFC作为固定电站或移动电源在大型集中供电、中小型分布式供电等领域具有广阔的市场，被誉为本世纪最具前景的绿色能源。

SOFC具有输出电压低、电流变化范围大和动态响应慢的特点。当负载功率突增时，SOFC需立即增大输出电流以跟踪负载功率，由于产生电流的电化学反应可瞬间增快，而燃料供给需数秒响应时间，SOFC电堆可能因燃料供给不及时造成电池片穿孔，产生不可逆转的损坏。因此，SOFC通常采用超级电容、蓄电池或锂电池作为辅助储能装置组成混合电源，以应对负载的功率突变。能量管理系统则是根据混合电源中检测的电信号和温度信号，基于能量管理基本策略和具体控制算法，合理地分配SOFC和锂电池的输出功率，以实现负载功率的快速跟踪和保障SOFC与锂电池的安全稳定。

近年来，以美国、德国、日本为代表的发达国家投入了大量的人力和资金致力于开发SOFC独立发电系统，针对能量管理系统的设计和实现也有较多研究论证，但目前国内外有关SOFC混合能量管理的研究存在以下缺陷：(1)系统输出功率动态响应慢，需百秒级响应时间以跟踪负载功率，尤其是在响应较大的功率突增时，容易产生SOFC电堆内部的燃料亏空现象；(2)系统频繁地进行不同功率模式的切换时，SOFC电堆和燃烧室内部的气体温度容易超出安全约束范围，难以有效解决负载快速跟踪和温度安全约束相协调的问题，同时，整体系统效率显著降低；(3)忽略了对锂电池充放电电流和剩余容量的管控，导致锂电池的工作寿命变短，无法满足远洋、极地等需要长期独立运行的应用场景。

发明内容

针对现有研究的不足，本发明提供一种固体氧化物燃料电池的混合能量控制系统，包括：信号采集器、状态估计器、控制器、可控升压DC/DC变换器、双向DC/DC变换器及流量调节器；其中，信号采集器包括电池温度采样器，负载电流采样器，电池电压采样器，变换器电压采样器及电池电流采样器；

双向DC/DC变换器的输入端用于同锂电池组连接，双向DC/DC变换器的输出端用于同负载连接，可控升压DC/DC变换器的输入端用于同SOFC电堆连接，可控升压DC/DC变换器的输出端用于同负载连接，状态估计器的三个输入端依次同电池电压采样器、电池电流采样器及电池温度采样器连接，流量调节器的输入端与控制器的输出端连接；