>[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明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发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明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。
[0031] 通过上述所设计的抛物线双步电流预控组合的切换方法，使半负载向满负载的切 换时系统快速跟踪至外部需求负载，同时没有燃料亏空。若对任一负载跟踪的功率进行切 换，电堆内电化学反应的剧烈程度以及燃料亏空与电流的切换速率直接相关，在切换阶段 其还与系统延时，初始切换功率/:,1，中间切换功率相关。
[0032] 图2所示，在抛物线双步电流预控组合的切换方法下，根据不同的功率切换工况， 进行实验，寻找特定切换工况下系统不产生燃料亏空的切换时间，系统从上升至At'时 所引入的中间功率取值。从图中可以看出，与切换时间^的取值集合既可以作为 系统控制的查表（l〇〇k-up table，LUT)，又可以作为控制过程中的参数寻找索引（research map) 〇
[0033] 假设切换方法的过程的方程为（假设在t = 50000s时进行功率切换，初始功率 2. 5KW，目标功率 4. 4KW):
[0034] Is(t) = at2+b te [50000s, 50150s]
[0035] 其中t代表时间，a和b为根据切换起始点及不同稳态下所确定的可选优化稳态 操作点所形成拟合切换路径所设定的调节参数。
[0036] 抛物线双步电流预控组合的切换方法，选定系统从2. 5kW到5kW进行功率切换，选 择a = -5. 86e-9, b = 72. 7,经过实验发现如果切换时间高于25s，原则上都不会出现燃料 ^7 5? 〇
[0037] 与上述半负载到满负载的最优切换时间寻找方法相同，实验时确定切换工况下的 最优切换时间的寻优过程可以用以下方程表示：
[0040] 其中j代表单电池片内的节点索引，J代表总结点数目，心;代表氢气的摩尔分 数。
[0041] 为了解决负载快速跟踪问题，给定输出功率在50000s从半负载到满负载进行抛 物线切换，其切换过程中切换时间选择为25s，系统功率在30s左右由2. 5kW快速增大至 4. 4kW左右，然后经过几千秒缓慢增大至5kW，第一个阶段是由电化学特性引起的快速响 应，即电化学响应阶段；第二个阶段是由温度缓慢变化引起的温度响应阶段。
[0042] 所以当外部负载从2. 5kW ( 〇在50000s(t。）到4. 4kW ( /=)进行切换，可以 引入中间功率5kW ( )，首先从2. 5kW切换到5kW，通过电化学响应阶段在30s(tg)便 可达到系统目标功率4. 4kW，此阶段即为切换阶段。若假定目标负载切换区间重新设定为 2. 5KW (圮）在50000s (t。）到4. 4kW ( C )切换，且设定围绕目标负载4. 4KW允许误差为 100W(Max. ep= 0. lkW)时，即设定1KW-2KW均已达到切换目标。本发明拟将以"以切换时间 最短为主要优化指标"的切换方法设计分为两个阶段：
[0043] 快速功率上升阶段（切换阶段）：根据系统的最优切换时间〃，中间功 率= 5/cff，由2. 5KW向5KW(超过目标值4. 4KW)进行（稳态优化操作点）之间抛物线 递增切换；
[0044] 切换稳态维持阶段（保持阶段）：当实际输出功率达到4. 45KW(已处于允许目标 负载范围）时，随后进行由5KW向4. 4KW(稳态优化操作点）进行切换；
[0045] 根据以上步骤，根据所设定的跟踪误差，选用合适的电流抛物线作为切换维持阶 段的操作参数（如，选择a =-8. 79e-9，b = 80.0)，整体的切换时间只需要30s左右，其切 换时间在接受范围以内。
[0046] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种固体氧化物燃料电池系统负载功率切换方法，其特征在于，所述方法包括如下 步骤： 采用抛物线开环双步电流预控功率切换方法，在功率由初始功率it切换到目标功率 :(辕 >礁)时，找到一个中间功率i??(鞭 >攒 > 钱)，使得由初始功率e切换到 中间功率的电化学响应满足目标功率需求，再由中间功率巧f切换到目标功率直S， 在运两个功率切换过程中保持输出电流调节信号为斜率逐渐增大的抛弧线信号，使得功率 缓慢增大。2. 根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统负载功率切换方法，其特征在于， 所述抛物线开环双步电流预控功率切换方法具体为： 设SOFC系统功率在时间t。由功率.填切换至(您(巧>巧1))，则SOFC系统 响应过程中功率输出可W表示为：说=巧+部df+卸，其中巧。f代表系统化学响应阶 段的功率增幅，代表溫度响应阶段的功率增幅. 在抛物线开环双步电流预控功率切换方法下，考虑从巧。切换至巧％其所对应的 最优点分别为（/。。，公P。，/4巧。，R/。）和（/产，公户'"，屈巧7*s)，引进 一个比所需功率点大的中间功率变量巧T(巧f>巧^ >巧。，巧:"所对应的最优点为 ，公户，.4於mrf，尸护""f)，且中间功率变量满足W下条件； 墙"=瑞+靴d￡ +《,巧听，其中SP二Iw峨-釋巧姆+獄版狂)| ; 即有切换过程中的电化学响应^1巧^￡近似的等于最终功率的增加量。3. 根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池系统负载功率切换方法，其特征在于： 功率切换分成两个阶段：第一个阶段叫做切换阶段，第二个阶段叫做保持阶段，所有点 均在最优点之间进行切换，其切换过程如下：切换阶段的本质是保留SOFC系统功率响应过程中的电化学反应响应过程，使得系统 迅速跟踪至外部需求负载不产生燃料亏空；在切换阶段需要重点寻找两个参数，一是使得 系统不产生燃料亏空的抛弧线电流切换时间，另外一个是进行切换的中间功率巧立％假设 在t。时进行切换在tg时完成并进入保持阶段； 保持阶段的主要目的是在保持功率在外部负载所需功率附近的前提下，缓慢切换至稳 态最优工作点Uf"'，)，在保持阶段，选择不同的抛物线切换路径，系统在 tg时刻进行切换，在此阶段过程中，负载跟踪保持在目标功率巧賢值附近，其跟踪状态用功 率响应过程中的最大跟踪误差来衡量：其中，Pk(a,b)表示功率切换路径，对于本发明所述的SkWSOFC系统，规定Max.C，CG[0, 0. 15kW]。4.根据权利要求I至3任一项所述的开环双步电流预控功率切换策略，其特征在于： 中间功率巧和切换时间由实验数据得到。
【专利摘要】本发明公开了一种固体氧化物燃料电池在外部负载功率切换时的一种安全、有效的控制方法。在系统工作于固定负载功率,进行静态分析得到最优操作点(I,BP,AR,FU)的基础上，当负载功率切换时，提出了一种解决燃料亏空和负载功率快速跟踪问题的方法，即抛物线开环双步电流预控功率切换方法。本发明有效地解决了燃料亏空问题和负载功率快速跟踪的问题，实现SOFC系统安全，高效，稳定地进行快速负载跟踪。
【IPC分类】H01M8/04298, H01M8/04089, H01M8/04, H01M8/10
【公开号】CN105375046
【申请号】CN201510789418
【发明人】李曦, 许元武, 荆素文, 蒋建华, 邓忠华, 张琳, 程欢, 王杰, 徐梦雪
【申请人】华中科技大学
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年11月17日