[發(fā)明專利]一種高溫SOFC電動汽車能量管理智能控制系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2017-12-26
• 公開（公告）號: CN108099670B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發(fā)明（設計）人: 陸玉正;顏森林
• 申請（專利權）人: 南京曉莊學院
• 主分類號: B60L58/30
• 分類號: B60L58/30;B60L58/31;B60L58/34;H01M8/04007;H01M8/04225
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李倩

1.一種高溫SOFC電動汽車能量管理智能控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括高溫固體氧化物燃料電池堆(1)、保溫層(2)、電加熱器(3)、充電DC/DC變換器(4)、雙向DC/DC變換器(5)、超級電容器(6)、控制器(7)、雙向DC/AC變換器(8)、加熱DC/DC變換器(9)、驅動電機(10)、空氣壓縮泵(11)、氫氣儲存罐(12)、電控閥門(13)，電力二極管(14)；

所述高溫固體氧化物燃料電池堆的正極與雙向DC/AC變換器的正極連接，中間串聯(lián)電力二極管，高溫固體氧化物燃料電池堆的負極與雙向DC/AC變換器的負極連接，雙向DC/AC變換器的正極、負極與超級電容器的正極、負極并聯(lián)，中間串聯(lián)雙向DC/DC變換器，充電DC/DC變換器的輸入端分別連接在高溫固體氧化物燃料電池堆的正極與負極，充電DC/DC變換器的輸出分別連接在超級電容器的正極與負極，加熱DC/DC變換器輸入端并聯(lián)在超級電容器的正極與負極，加熱DC/DC變換器的輸出連接在電加熱器的電源接口，雙向DC/AC變換器輸出端與驅動電機的電源端口連接；

所述控制器的輸入分別連接高溫固體氧化物燃料電池堆的溫度信號、高溫固體氧化物燃料電池堆的電壓信號、高溫固體氧化物燃料電池堆的電流信號、超級電容器的電壓信號、超級電容器的電流信號以及驅動電機的功率需求信號，控制器輸出分別與電控閥門的控制端口、空氣壓縮泵的控制端口、充電DC/DC變換器的控制端口、雙向DC/DC變換器的控制端口、雙向DC/AC變換器的控制端口、加熱DC/DC變換器的控制端口連接；氫氣儲存罐通過電控閥門與高溫固體氧化物燃料電池堆的燃料進口連接；高溫固體氧化物燃料電池堆的氧化劑進口和氧化劑出口與空氣壓縮泵連接；

所述高溫固體氧化物燃料電池堆外部安裝電加熱器，電加熱器的外部安裝保溫層；

該系統(tǒng)由啟動過程能量管理控制子系統(tǒng)、正常行駛過程能量管理控制子系統(tǒng)、加速行駛過程能量管理控制子系統(tǒng)、制動過程能量管理控制子系統(tǒng)構成；

所述啟動過程能量管理控制子系統(tǒng)的能量由超級電容器提供，超級電容器輸出電能為：

P0＝P1+P2 (1)；

其中，P0為超級電容器的輸出電能，P1為驅動電機的需求電功率，P2為電加熱器所需要的電功率；

啟動過程高溫固體氧化物燃料電池堆在常溫狀態(tài)，無法運行，需要電加熱器將其加熱到運行溫度700℃，在啟動過程各變換器和電控閥門的工作狀態(tài)由控制器的輸出信號控制；當高溫固體氧化物燃料電池堆的溫度達到700℃時，能量轉換執(zhí)行正常行駛過程能量管理控制子系統(tǒng)；

所述正常行駛過程能量管理控制子系統(tǒng)的能量由高溫固體氧化物燃料電池堆提供電能，具體值為：

P3＝P01+P1+P2 (2)；

其中，P01為超級電容器的充電功率，P1為驅動電機的需求電功率，P2為電加熱器所需要的電功率，P3為高溫固體氧化物燃料電池堆的輸出電功率，正常行駛過程中，高溫固體氧化物燃料電池堆同時給超級電容器充電，充電功率為P01；

正常行駛過程高溫固體氧化物燃料電池堆溫度已加熱到700℃，在正常行駛過程各變換器和電控閥門的工作狀態(tài)由控制器的輸出信號控制；

所述加速行駛過程能量管理控制子系統(tǒng)的能量由高溫固體氧化物燃料電池堆和超級電容器共同提供電能，具體值為：

P3+P0＝P1+P2 (3)；

其中，P0為超級電容器的輸出電能，P1為驅動電機的需求電功率，P2為電加熱器所需要的電功率，P3為高溫固體氧化物燃料電池堆的輸出電功率；

加速行駛過程高溫固體氧化物燃料電池堆溫度已加熱到700℃，在加速行駛過程各變換器和電控閥門的工作狀態(tài)由控制器的輸出信號控制；

所述制動過程能量管理控制子系統(tǒng)制動時驅動電機工作在發(fā)電狀態(tài)，能量控制為：

P11＝P01 (4)；

其中，P01為超級電容器的充電電功率，P11為驅動電機的發(fā)電功率；

在制動過程各變換器和電控閥門的工作狀態(tài)由控制器的輸出信號控制。

2.一種權利要求1所述高溫SOFC電動汽車能量管理智能控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，高溫固體氧化物燃料電池堆的運行溫度采用模糊控制，具體為：高溫固體氧化物燃料電池堆運行溫度由電加熱器加熱，超級電容器通過加熱DC/DC變換器對電加熱器進行加熱，得到電加熱器的加熱功率，加熱的電功率由控制器控制加熱DC/DC變換器的占空比，從而控制加熱所需要的電功率；

所述模糊控制的模糊控制器設計步驟為：

S1、確定輸入輸出變量

模糊控制器的輸入一為高溫固體氧化物燃料電池堆給定溫度與實際溫度的誤差e；

模糊控制器的輸入二為誤差e的變化率de/dt；

模糊控制器的輸出為加熱DC/DC變換器占空比控制信號u；

S2、輸入輸出變量論域和量化因子

誤差e的基本論域設計為(-60kW，+60kW)，經過歸一化處理：

其中，a_e為誤差e的基本論域的左邊，b_e為誤差e的基本論域的右邊，x_e為誤差e的基本論域中的變量，x′_e是誤差e的基本論域歸一化后的標準論域；

將(-60Kw,+60kW)的連續(xù)變量轉化為(-6，+6)之間的連續(xù)變化量，然后將這個變化量分為7個語言變量E，即正大、正中、正小、零、負小、負中、負大；

進一步選定語言變量E的論域為：

則得到誤差e的量化因子Ke＝6/60＝0.1；

設計再論域X上用以描述模糊子集的隸屬函數(shù)為正態(tài)函數(shù)，即：

其中，σ₁為論域X的隸屬度函數(shù)的寬度，c₁為論域X的隸屬度函數(shù)的中心，μ₁(x)表示論域X的隸屬度函數(shù)；

進一步建立語言變量E的賦值表；

誤差e的變化率de/dt的基本論域為(-20kW/s，+20Kw/s)，

經過歸一化處理：

其中，a_ec為誤差e的變化率de/dt的基本論域的左邊，b_ec為誤差e的變化率de/dt的基本論域的右邊，x_ec為誤差e的變化率de/dt的基本論域中的變量，x′_ec是誤差e的變化率de/dt的基本論域歸一化后的標準論域；

將(-20kW/s，+20Kw/s)的連續(xù)變量轉化為(-6，+6)之間的連續(xù)變化量，然后將這個變化量分為7個語言變量EC，即正大、正中、正小、零、負小、負中、負大；

進一步選定語言變量EC的論域為：

則得到誤差e的量化因子Kec＝6/20＝0.3；

設計再論域Y上用以描述模糊子集的隸屬函數(shù)為正態(tài)函數(shù)，即：

其中，σ₂為論域Y的隸屬度函數(shù)的寬度，c₂為論域Y的隸屬度函數(shù)的中心，μ₂(x)表示論域Y的隸屬度函數(shù)；

進一步建立語言變量EC的賦值表；

輸出變量u基本論域為(-100kW，+100kW)；

經過歸一化處理：

其中，a_u為誤差u的基本論域的左邊，b_u為誤差u的基本論域的右邊，x_u為誤差u的基本論域中的變量，x′_u是誤差u的基本論域歸一化后的標準論域；

將(-100kW，+100kW)的連續(xù)變量轉化為(-6，+6)之間的連續(xù)變化量，然后將這個變化量分為7個語言變量U，即正大、正中、正小、零、負小、負中、負大；

進一步選定語言變量U的論域為：

則得到輸出變量U的量化因子Ku＝6/100＝0.06；

設計在論域Z上用以描述模糊子集的隸屬函數(shù)為正態(tài)函數(shù)，即：

其中，σ₃為論域Z的隸屬度函數(shù)的寬度，c₃為論域Z的隸屬度函數(shù)的中心，μ₃(x)表示論域Z的隸屬度函數(shù)；

進一步建立語言變量U的賦值表；

S3、模糊控制規(guī)則的設計

設計模糊控制規(guī)則的原則是當誤差大或者較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主，而當誤差小或者較小時，選擇控制量要控制超調量；

S4、解模糊

解模糊采用最大隸屬度方法進行解模糊。