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申请/专利权人：浙江大学

摘要：本发明公开了一种阴极开放式PEMFC混合能源系统及控制方法。系统通过混合能源单元驱动负载运行并监测运行数据，实时控制单元控制信号采集电路采集混合能源单元的运行数据，同时控制驱动控制电路进一步控制混合能源单元，顶层计算单元通过实时控制单元获取运行数据并控制运行状态。方法包括：通过温度控制调节电堆温度，通过能源分配控制动态调整电堆输出电流和锂电池SOC状态。本发明能够实时监控系统运行状态，调节电堆运行于高效率工作点，弥补电堆响应速度不足的缺点，并减少对电堆的高频响应需求，延长电堆寿命，保护电堆工作在合理安全的区间内，防止其因过热、过流和欠压等原因造成电堆不可逆的损伤；增加顶层计算单元，便于进行二次开发。

主权项：1.一种阴极开放式PEMFC混合能源系统的控制方法，阴极开放式PEMFC混合能源系统包括：PEMFC混合能源单元，用于驱动负载运行并监测自身的运行数据；信号采集电路，用于采集PEMFC混合能源单元的运行数据；驱动控制电路，用于控制PEMFC混合能源单元；实时控制单元，用于控制信号采集电路和驱动控制电路；顶层计算单元，用于从实时控制单元获取PEMFC混合能源单元的运行数据并进行PEMFC混合能源单元的运行状态的控制，其特征在于，包括：S1、顶层计算单元发送启动指令至实时控制单元，实时控制单元控制信号采集电路进行数据采集，实时控制单元通过PEMFC混合能源单元的氢气压力计（1）采集氢气瓶（8）的氢气出口端的氢气压力，通过氢气浓度传感器（17）采集PEMFC混合能源单元的环境氢气浓度，根据采集的氢气压力和环境氢气浓度监测PEMFC混合能源单元是否满足启动条件，若不满足则控制PEMFC混合能源单元关机，若满足则继续进行步骤S2；S2、通过驱动控制电路使能锂电池（8）的放电电路，进而获取锂电池（8）的开路电压Voc，从而计算获得锂电池（8）的初始荷电状态SOC0，然后依次打开第一个继电器（6）和第二个继电器（6），使能充电DCDC模块（14）和输出DCDC模块（15），然后将PEMFC混合能源单元连接负载；S3、通过驱动控制电路打开常闭开关电磁阀（3），通过氢气瓶（8）通入氢气，每隔预设时间段打开常开开关电磁阀（9），排出阴极开放式PEMFC电堆（10）的废气，此时阴极开放式PEMFC电堆（10）开始运行；S4、通过实时控制单元控制信号采集电路进行数据采集，信号采集电路通过氢气压力计（1）采集氢气压力，通过两个分压分流器（7）采集阴极开放式PEMFC电堆（10）输出的电压电流和PEMFC混合能源单元的总输出电压电流，通过第一NTC测温电阻（11）和第二NTC测温电阻（16）分别采集阴极开放式PEMFC电堆（10）的内部温度和环境温度，通过氢气浓度传感器（17）采集环境氢气浓度；S5、将步骤S2中获得的锂电池（8）的初始荷电状态SOC0以及步骤S4中信号采集电路采集的各个数据传输至顶层计算单元并对PEMFC混合能源单元进行温度控制和能量分配控制；S6、在PEMFC混合能源单元的控制过程中，根据信号采集电路采集的各个数据循环监测PEMFC混合能源单元是否满足正常运行条件，若满足则返回步骤S3继续进行控制，若不满足则控制PEMFC混合能源单元进行停机流程直至关机，实现阴极开放式PEMFC混合能源系统的控制；所述的步骤S5中，对PEMFC混合能源单元进行温度控制如下：S5.1a、实时控制单元采集k时刻阴极开放式PEMFC电堆（10）的内部温度Tstk、输出电压Vstk和输出电流Istk，同时从顶层计算单元中获取预先存储的最优参考温度Tref；S5.2a、根据步骤S5.1a中获取的最优参考温度Tref、k时刻阴极开放式PEMFC电堆（10）的内部温度Tstk、输出电压Vstk和输出电流Istk，利用离散PID控制算法获得散热风扇（4）的控制占空比uduty来控制散热风扇（4），进而调整散热风扇（4）的转速，使得阴极开放式PEMFC电堆（10）的内部温度控制在最优参考温度Tref；S5.3a、当阴极开放式PEMFC电堆（10）的内部温度超过预设最大电堆温度时，通过驱动控制电路控制各个散热风扇（4）至最大转速，在各个散热风扇（4）的最大转速下，若阴极开放式PEMFC电堆（10）的内部温度始终超过预设最大电堆温度，则控制PEMFC混合能源单元进行停机流程；所述的步骤S5中，对PEMFC混合能源单元进行能量分配控制如下：S5.1b、实时控制单元采集k时刻阴极开放式PEMFC电堆（10）的输出电压Vstk和输出电流Istk以及PEMFC混合能源单元的总输出电压Vok和总输出电流Iok，计算获得k时刻锂电池（8）的输出电流Ibatk；根据k时刻锂电池（8）的输出电流Ibatk和锂电池（8）的初始荷电状态SOC0估计k时刻锂电池（8）的荷电状态SOCk，具体如下： 其中，Ibati表示i时刻锂电池（8）的输出电流，Ts表示电流采样时间；S5.2b、每隔1s采集一次PEMFC混合能源单元的总输出电压和总输出电流，从而获得PEMFC混合能源单元的总输出功率，将PEMFC混合能源单元当前k时刻1s前的总输出功率作为当前k时刻PEMFC混合能源单元的需求功率Pok，同时从顶层计算单元中获取预先存储的阴极开放式PEMFC电堆（10）的最大效率功率Psteff，根据k时刻锂电池（8）的荷电状态SOCk、PEMFC混合能源单元的需求功率Pok以及阴极开放式PEMFC电堆（10）的最大效率功率Psteff，按照控制策略进行能量分配控制，具体如下：当Pok＜Psteff，SOCk＜SOCbatmax，使能锂电池（8）充电，设置锂电池（8）的充电功率为Pbatcharge=Psteff-Pok，输出DCDC模块（15）不受限；当Pok＜Psteff，SOCk≥SOCbatmax，使能锂电池（8）放电，输出DCDC模块（15）不受限；当Psteff＜Pok＜Pstmax，SOCk＞SOCbatmax，使能锂电池（8）放电，输出DCDC模块（15）不受限；当Psteff＜Pok＜Pstmax，SOCbatmin＜SOCk＜SOCbatmax，使能锂电池（8）放电，输出DCDC模块（15）不受限；当Psteff＜Pok＜Pstmax，SOCk＜SOCbatmin，使能锂电池（8）充电，设置锂电池（8）的充电功率为Pbatcharge=Pstmax-Pok，输出DCDC模块（15）不受限；当Pstmax＜Pok＜Pstmax+Pbatmax，SOCk＞SOCbatmax，使能锂电池（8）放电，输出DCDC模块（15）不受限；当Pstmax＜Pok＜Pstmax+Pbatmax，SOCbatmin＜SOCk＜SOCbatmax，使能锂电池（8）充电，设置锂电池（8）的充电功率为0，输出DCDC模块（15）的输出功率限制在最大输出功率为Pstmax内；其中，SOCbatmax和SOCbatmin分别表示锂电池（8）的最大和最小安全荷电状态；Pstmax表示阴极开放式PEMFC电堆（10）的输出功率，Pbatmax表示锂电池（8）的最大输出功率。

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