一种PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法技术方案

本发明专利技术公开了一种PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，基于串并联拓扑结构，采用功率跟随控制策略。该控制器以负载功率和蓄电池的SOC为衡量标准，将整个系统的工作模式划分为五种，通过变换器控制工作模式的切换。本发明专利技术根据负载需求功率和动力源的状态来确定系统的运行状态，分配动力源的输出功率，覆盖动力源所有可能输出，PEMFC输出功率不是恒定值，而是在一个工作区间内变化，在此区间内PEMFC输出效率较高，因此提高了燃料的利用率，且降低了系统的控制成本。

【技术实现步骤摘要】
一种PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法
本专利技术属于新能源领域，特别是涉及一种PEMFC(质子交换膜燃料电池)混合供电系统能量管理控制器的建立方法。
技术介绍
能量管理策略是混合供电系统的核心部分，决定各个动力源的运行状态，对提高系统能量利用效率、改善燃料经济性具有重要意义。目前能量管理策略主要有基于规则和基于优化两种。基于优化的控制策略需要预先采集特定工况或者循环工况的负载需求，只可实现系统的瞬时优化控制，且很多优化算法仅停留在仿真阶段，无法应用于实际。而基于规则的控制策略能够对功率进行合理分配，易于实现且有广泛应用，但依赖于设计者的工程经验，难以优化系统能量效率。TorreglosaJP作者在《PEMfuelcellmodelingusingsystemidentificationmethodsforurbantransportationapplications》一文中，制定了状态机控制策略规则表，该策略硬件要求低，但是未考虑不同动力源的放电特性，无法解决动力源之间功率分配。HarmonFG作者在《ConceptualDesignandSimulationofaSmallHybrid-ElectricUnmannedAerialVehicle》一文中，采用逻辑门限控制策略对混合供电系统能量管理，仿真和实验结果表明该控制策略能够满足无人机飞行需求并有效减少了燃料的消耗，但反复启动开关会导致电池寿命减小。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，负载变化并不是特定工况或者循环工况，从基于规则的控制策略出发，改善传统状态机控制策略无法解决动力源之间功率分配的问题。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，包括以下步骤：步骤1、根据负载需求功率，确定PEMFC混合供电系统；步骤2、根据PEMFC混合供电系统，确定串并联拓扑结构；步骤3、根据串并联拓扑结构的能量流动情况，将PEMFC混合供电系统分为五种工作模式；步骤4、在每种工作模式下分别建立变换器动态模型即四开关Buck/Boost变换器开关网络等效模型；步骤5、建立小信号数学模型，反馈变换器的运作状态，从而获得PEMFC混合供电系统能量管理控制器。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)根据负载需求功率和动力源的状态来确定系统的运行状态，分配动力源的输出功率，覆盖动力源所有可能输出，PEMFC输出功率不是恒定值，而是在一个工作区间内变化，在此区间内PEMFC输出效率较高。(2)将串联和并联拓扑结合，在任何负载情况下串并联拓扑效率最高，其高效性不依赖于负载功率分布，具有很高的实用价值。(3)提高了系统的稳定性和快速性以及燃料的利用率，降低了系统的控制成本。附图说明图1是本专利技术PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法流程图。图2是本专利技术PEMFC混合供电系统控制框图。图3是本专利技术串并联拓扑图。图4是本专利技术串并联拓扑能量流动图，其中，图(a)是工作模式1的能量流动图，图(b)是工作模式2的能量流动图，图(c)是工作模式3的能量流动图，图(d)是工作模式4的能量流动图，图(e)是工作模式5的能量流动图。图5是本专利技术四开关Buck/Boost变换器开关网络等效模型图。图6是本专利技术系统小信号数学模型图，其中，图(a)是第一变换器稳压工作图，图(b)是第一变换器限流工作图，图(c)是第二变换器限流工作图，图(d)是第三变换器稳压工作图。图7是本专利技术HighSOC-负载变化时相关波形图，其中，图(a)是HighSOC-负载变化时PEMFC、蓄电池和负载电压相关波形，图(b)是HighSOC-负载变化时PEMFC、蓄电池和负载电流相关波形，图(c)是HighSOC-负载变化时蓄电池SOC相关波形。图8是本专利技术NormalSOC-负载变化时相关波形图，其中，图(a)是NormalSOC-负载变化时PEMFC、蓄电池和负载电压相关波形，图(b)是NormalSOC-负载变化时PEMFC、蓄电池和负载电流相关波形，图(c)是NormalSOC-负载变化时蓄电池SOC相关波形。图9是本专利技术LowSOC-负载变化时相关波形图，其中，图(a)是LowSOC-负载变化时PEMFC、蓄电池和负载电压相关波形，图(b)是LowSOC-负载变化时PEMFC、蓄电池和负载电流相关波形，图(c)是LowSOC-负载变化时蓄电池SOC相关波形。图10是本专利技术负载空载时相关波形图，其中，图(a)是负载空载时PEMFC、蓄电池和负载电压相关波形，图(b)是负载空载时PEMFC、蓄电池和负载电流相关波形，图(c)是负载空载时蓄电池SOC相关波形。图11是本专利技术PEMFC失效时相关波形图，其中，图(a)是PEMFC失效时PEMFC、蓄电池和负载电压相关波形，图(b)是PEMFC失效时PEMFC、蓄电池和负载电流相关波形，图(c)是PEMFC失效时蓄电池SOC相关波形。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步说明本专利技术方案。如图1所示，本专利技术是一种PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，用于实现基于串并联拓扑结构的功率跟随控制策略，包括以下步骤：步骤1、根据负载需求功率，确定PEMFC混合供电系统。如图2所示，所述PEMFC混合供电系统包括输入电流调节器、输出电流调节器、EMS、四个PWM控制器、三个变换器和两个输出电压调节器。第一PWM控制器分别连接第一输出电压调节器、第一变换器和EMS；第二PWM控制器分别连接输入电流调节器、第一变换器和EMS；第三PWM控制器分别连接输出电流调节器、第二变换器和EMS；第四PWM控制器分别连接第二输出电压调节器、第三变换器和EMS。PEMFC混合供电系统输出电压的实际值和参考值通过第一输出电压调节器和第一PWM控制器发送给第一变换器；燃料电池输入电流的实际值和参考值通过输入电流调节器和第二PWM控制器发送给第一变换器；辅助电源输出电流的实际值和参考值通过输出电流调节器和第三PWM控制器发送给第二变换器；PEMFC混合供电系统输出电压的实际值和参考值通过第二输出电压调节器和第四PWM控制器发送给第三变换器；负载需求功率、辅助电源SOC和燃料电池功率通过EMS控制四个PWM控制器运行。步骤2、根据PEMFC混合供电系统，确定串并联拓扑结构。如图3所示，所述的串并联拓扑结构包括燃料电池、辅助电源、负载和三个变换器，燃料电池通过第一变换器向负载供电；燃料电池通过第二变换器向辅助电源供电；辅助电源通过第三变换器向负载供电。步骤3、根据串并联拓扑结构的能量流动情况，将PEMFC混合供电系统分为五种工作模式(如图4所示)，具体包括：工作模式1：燃料电池单独为负载供电，第一变换器维持负载电压稳定，第二变换器、第三变换器和辅助电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、根据负载需求功率，确定PEMFC混合供电系统；/n步骤2、根据PEMFC混合供电系统，确定串并联拓扑结构；/n步骤3、根据串并联拓扑结构的能量流动情况，将PEMFC混合供电系统分为五种工作模式；/n步骤4、在每种工作模式下分别建立变换器动态模型即四开关Buck/Boost变换器开关网络等效模型；/n步骤5、建立小信号数学模型，反馈变换器的运作状态，从而获得PEMFC混合供电系统能量管理控制器。/n

【技术特征摘要】
1.一种PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据负载需求功率，确定PEMFC混合供电系统；
步骤2、根据PEMFC混合供电系统，确定串并联拓扑结构；
步骤3、根据串并联拓扑结构的能量流动情况，将PEMFC混合供电系统分为五种工作模式；
步骤4、在每种工作模式下分别建立变换器动态模型即四开关Buck/Boost变换器开关网络等效模型；
步骤5、建立小信号数学模型，反馈变换器的运作状态，从而获得PEMFC混合供电系统能量管理控制器。


2.根据权利要求1所述的PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，其特征在于：步骤1中，根据负载需求功率，确定PEMFC混合供电系统，所述PEMFC混合供电系统包括输入电流调节器、输出电流调节器、EMS、四个PWM控制器、三个变换器和两个输出电压调节器；第一PWM控制器分别连接第一输出电压调节器、第一变换器和EMS；第二PWM控制器分别连接输入电流调节器、第一变换器和EMS；第三PWM控制器分别连接输出电流调节器、第二变换器和EMS；第四PWM控制器分别连接第二输出电压调节器、第三变换器和EMS；
PEMFC混合供电系统输出电压的实际值和参考值通过第一输出电压调节器和第一PWM控制器发送给第一变换器；燃料电池输入电流的实际值和参考值通过输入电流调节器和第二PWM控制器发送给第一变换器；辅助电源输出电流的实际值和参考值通过输出电流调节器和第三PWM控制器发送给第二变换器；PEMFC混合供电系统输出电压的实际值和参考值通过第二输出电压调节器和第四PWM控制器发送给第三变换器；负载需求功率、辅助电源SOC和燃料电池功率通过EMS控制四个PWM控制器运行。


3.根据权利要求2所述的PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，其特征在于：上述三个变换器均采用四开关Buck/Boost变换器。


4.根据权利要求1所述的PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，其特征在于：步骤2中，所述的串并联拓扑结构包括燃料电池、辅助电源、负载和三个变换器，燃料电池通过第一变换器向负载供电；燃料电池通过第二变换器向辅助电源供电；辅助电源通过第三变换器向负载供电。


5.根据权利要求1所述的PEMFC混合供电系统能量管理控制器的建立方法，其特征在于：步骤3中，根据串并联拓扑结构的能量流动情况，将PEMFC混合供电系统分为五种工作模式，具体包括：
工作模式1：燃料电池单独为负载供电，第一变换器维持负载电压稳定，第二变换器、第三变换器和辅助电源不工作；
工作模式2：燃料电池为辅助电源充电，第二变换器给辅助电源恒流充电，第一变换器、第三变换器和负载不工作；
工作模式3：辅助电源单独为负载供...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁莉，陈豹，戚志东，徐胜元，单梁，田家欣，赵曹辉，唐钧涛，叶伟琴，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32