一种燃料电池/锂电池混合动力系统瞬时功率匹配及综合热管理方法

本发明涉及燃料电池和锂电池能量管理与热管理技术，更具体地说，是一种燃料电池/锂电池混合动力系统瞬时功率匹配及综合热管理方法。

背景技术：

1、开发高效、低污染的能源技术已成世界各国的重大课题之一。燃料电池作为一种高效、清洁的能源转换装置，受到了汽车界普遍重视。其中质子交换膜燃料电池(pemfc)具有工作温度低、启动速度快、发电效率高、技术成熟等优点，越来越受到广泛的关注。如果给定的需求负载功率变化剧烈，而燃料电池响应速度较慢，则无法满足功率剧烈变化的需求，所以燃料电池单一动力不满足负载需求。相比之下，锂电池(li-battery)可以满足功率变化快的工况，同时具有能量储存密度高、重量轻、绿色环保等优点，所以将锂电池与燃料电池并联作为混合动力，二者共同发电满足负载需求。燃料电池/锂电池(pemfc/li-battery)混合动力与传统化石燃料燃烧相比，具有功率密度高、污染小的优点，满足低碳环保、绿色动力的要求，所以燃料电池/锂电池混合动力是一种极具前景的方案。

2、燃料电池具有功率密度高、污染小等优点，但是无法快速响应来满足功率变化剧烈的情况；而锂电池可以满足功率变化快的工况，同时具有能量储存密度高、重量轻、绿色环保等优点，所以将燃料电池与锂电池并联作为混合动力，这种方案具有较好的前景。混合动力系统中的能量管理问题实质上是指系统中各电源的功率分配问题，首先负载功率需要满足，在此基础上改变某些参数使得系统整体效率与燃料利用率得到提高，这样既能满足负载需求，又能延长各部件寿命，使燃料电池与锂电池的输出功率在最佳工作范围内高效运行。

3、燃料电池的氢气来源于甲醇重整制氢，而甲醇重整是吸热反应，同时甲醇重整的最佳反应温度为523-573k，所以这里引入燃烧室就是为甲醇重整提供高温环境以及重整所需要的热量，而燃烧室得到的高温气体在满足重整需求的前提下，还有大量的热未利用。另一方面，甲醇重整器得到的氢气出口温度约为523k，而进入质子交换膜燃料电池阳极的氢气需要保持在60-80℃，即333-353k，从重整器出来的高温氢气需要经过换热器冷却后才能进入电堆，所以这一部分的高温氢气同样有不少热量未利用。所以，需要对于甲醇重整制氢的燃料电池/锂电池混合动力系统提出一种热管理方法，通过加入燃烧室、换热器等部件对高温气体进行余热回收再利用，以提高系统整体热效率。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种燃料电池/锂电池混合动力系统瞬时功率匹配及综合热管理方法，实现对燃料电池/锂电池混合动力系统的能量管理与热管理。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种燃料电池/锂电池混合动力系统瞬时功率匹配及综合热管理方法，包括以下步骤：

4、步骤1，根据质子交换膜燃料电池和锂电池混合动力系统中各部件的物理特性，搭建燃料电池和锂电池的动态模型，得到输出电压、输出功率等参数；

5、步骤2，以燃料电池作为主动力源，锂电池作为辅助动力，以燃料电池输出功率在最佳运行范围内为目标，将燃料电池额定输出功率pfc_cmd和锂电池参考荷电状态socref作为设计变量，根据负载功率与锂电池soc设计模糊-pid控制器，构建燃料电池/锂电池混合动力系统功率匹配模型；

6、步骤3，以给定的负载功率曲线为输入，通过模糊-pid控制模块的能量匹配，实现燃料电池/锂电池的最佳功率分配；

7、步骤4，在满足功率需求的前提下，通过增加燃烧室、换热器等部件建立混合动力系统热管理架构，主要对燃料电池系统进行拓扑结构变化与热管理研究，以实现混合动力系统整体热效率的提高。

8、进一步，步骤1中，具体如下：

9、单个燃料电池的输出电压定义如下：

10、vcell＝enerst-vact-vohm-vcon (1)

11、式中，vcell为电池电压，enerst为能斯特电势(开路电势)，vact为电池活化极化损失，vohm为电池欧姆极化损失，vcon为电池浓度极化损失；

12、enerst在标准条件(1atm，298k)下的计算公式表示为：

13、

14、其中，tst表示电堆温度，r是气体常数，一般取8.314j/(kg·k)，ph2表示氢气的分压力，po2表示氧气分压力；

15、氢气分压力ph2与阳极压力pan以及氧气分压力po2与阴极压力pca的关系如下：

16、

17、

18、阴极压力pca的计算公式为：

19、

20、式中，ist表示电堆电流；

21、为了简化模型方便计算，假设阳极压力比阴极压力高20kpa，则阳极压力的计算公式为：

22、pan＝pca+20000 (6)

23、vact表示活化极化损耗，它在低电流密度下的电损耗中起主要作用，表示为：

24、vact＝-0.948+ξ×tst+7.6×10-5×tstlnco2-1.93×10-4×tstlnist (7)

25、ξ＝2.86×10-3+2×10-4×lna+4.3×10-5×lnch2 (8)

26、式中，a表示电池有效反应面积，ch2、co2表示溶解的氢气和氧气浓度，其计算公式由亨利定律给出：

27、

28、

29、vohm是由燃料电池中的电子和质子传输过程引起的欧姆极化损耗，表示为：

30、vohm＝irint (11)

31、其中，i表示电流密度，rint表示质子交换膜阻抗。

32、

33、

34、其中，a表示燃料电池有效反应面积，tm表示质子交换膜厚度，λm表示质子交换膜水含量；

35、vcon是由催化剂层中反应气体浓度变化引起的浓度极化损失，表示为

36、vcon＝mexp(ni) (14)

37、其中，m、n是传质系数，分别与电解质的电导率和气体扩散层的孔隙率有关，计算公式为：

38、

39、电池输出功率的计算公式为：

40、pst＝nistvcell (16)

41、其中，n表示电池数量。

42、锂电池工作电流和工作电压表示为：

43、

44、

45、式中，vocv表示锂电池开路电压，ibat表示锂电池电流，表示锂电池内阻，p表示锂电池的输出功率，vbat表示锂电池电压；

46、锂电池开路电压vocv和电阻与电池荷电状态(soc)相关，具体计算公式如下：

47、vocv＝f1(soc) (19)

48、

49、式中，rch表示锂电池充电电阻，rdis表示锂电池放电电阻，soc表示锂电池荷电状态；

50、荷电状态(soc)和锂电池效率η表示为

51、

52、

53、其中，socini表示电池初始荷电状态，即电池初始电量，q表示电池容量，η表示锂电池充放电效率。

54、进一步，步骤2中，选用燃料电池额定输出功率pfc_cmd和实际输出功率pfc的误差e(t)＝pfc_cmd(t)-pfc(t)以及误差变化率作为pid控制器的输入变量，将模糊-pid控制器的参数调整量δkp、δki、δkd作为输出量，其中δkp，δki，δkd分别是比例p、积分i和微分d对应的三个参数kp，ki，kd的变化量。

55、进一步，步骤3中，给定一段需求功率曲线，使用模糊逻辑控制对燃料电池额定输出功率pfc_cmd和锂电池额定输出功率pbat_cmd进行功率分配，具体过程包括以下步骤：

56、步骤3.1：假设系统产生的能量一部分用于满足负载需求，其余部分以热量形式损失，系统的能量平衡表示为：

57、pfc+pbat＝pload+ploss (1)

58、式中，pfc表示燃料电池输出功率，pbat表示锂电池输出功率，pload表示负载功率，ploss表示损失功率；

59、其中pfc和pbat需要满足

60、

61、

62、步骤3.2：燃料电池输出功率pfc由锂电池soc和功率需求pload计算，计算公式如下：

63、

64、pfc_fuzzy＝f(soc,pload) (5)

65、

66、式中，socref表示锂电池参考荷电状态，socmax、socmin分别表示锂电池荷电状态最大值和最小值，这里分别设置为0.2和0.8；pfc_fuzzy表示模糊逻辑控制的燃料电池功率；

67、步骤3.3：为了使得混合动力系统高效运行，根据能量管理流程图运行系统，将电堆输出功率最大值和最小值分别设置为80kw和20kw，对于燃料电池输出功率设置上限和下限如果计算得到的pfc小于则若计算得到的pfc大于则

68、步骤3.4：采用模糊逻辑控制，设计变量为模糊逻辑控制的燃料电池功率pfc_cmd和锂电池参考荷电状态socref，以此来实现功率控制；选取锂电池soc和负载功率需求pload作为模糊控制的输入，燃料电池额定功率pfc_cmd作为输出，构造一个两输入单输出的模糊控制器；将控制器输入变量负载信号pload划分为小(s)、中(m)、大(b)3个模糊合集；锂电池soc划分为低(l)、中(m)、高(h)3个模糊合集；同时将输出变量pfc划分为非常小(vs)、小(s)、中(m)、大(b)4个模糊合集；

69、步骤3.5：根据上述模糊控制方法，实现需求负载曲线的燃料电池与锂电池最佳功率匹配。

70、进一步，步骤4中，对于燃料电池系统的热管理包括以下步骤：

71、1)在燃料电池阳极外部，甲醇罐中储存的是常温高压的甲醇液体，甲醇(黑色实线)经过三通阀分流，一部分进入燃烧室燃烧，燃烧产生的热气(红色实线)为甲醇重整反应进行供热，高温气体首先为重整反应器进行供热，满足供热条件的前提下，重整器的出口热气还具有较高的温度，所以热气首先进入第一换热器1对甲醇进行预热，然后经过第三换热器3对电堆阴极进口空气进行预热。

72、2)另一部分甲醇经过加湿器后形成甲醇与水蒸气的混合反应气，经过第一换热器1进行预热后进入重整器进行催化重整反应。而第二换热器2利用阳极加湿器中的低温水与高温氢气进行换热，氢气温度降低到80℃以下可进入进行电化学反应；

73、3)低温水(浅蓝色实线)吸收热量后温度升高进入阴极空气加湿器再次进行热量利用，为加湿空气进行预热，水的温度降低到接近常温。这样阳极加湿器中的低温水在经过一个循环后重新回到阳极加湿器，同时对热量进行回收利用，不仅为电堆提供了温度合适的氢气和氧气，而且提高了整个系统的热量利用率。

74、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

75、(1)本发明把模糊逻辑控制与pid相结合设计模糊-pid控制器，将燃料电池额定输出功率pfc_cmd和锂电池参考荷电状态socref作为设计变量，充分考虑燃料电池与锂电池的输出功率最佳工作区间，并满足负载功率需求；

76、(2)针对燃料电池系统提出一种热管理方法，通过增加燃烧室、换热器等部件建立混合动力系统热管理架构，提高了系统整体热效率。