本发明涉及可独立发电的固体氧化物燃料电池控制技术领域，具体地说是一种便携式sofc发电装置及其能量管理方法。
背景技术：
固体氧化物燃料电池是一种在中高温下直接将储存在燃料与氧化剂中的化学能直接转换为电能的发电装置，具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装及零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。
燃料电池通常以系统形式存在，由电池堆子系统、气体供给子系统、电力变换子系统、负载子系统、监控子系统及控制子系统组成。
便携式电源设备是其应用领域之一，具有广阔的发展空间及前景。
固体氧化物燃料电池具有启动时间长，动态响应速度慢等缺点，需结合辅助电源构成复合电源发电装置，解决以上问题。发电装置在启动、运行及停止状态，均需要进行能量管理。尤其是运行状态，负载需求功率是变化的，需优化电堆放电功率及锂电池组充放电功率，实现负荷跟踪控制，同时使发电装置具有较高发电效率。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种便携式sofc发电装置及其能量管理方法，解决现有固体氧化物燃料电池具启动时间长，动态响应速度慢的问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种便携式sofc发电装置，包括：
气体供给系统，通过管路连接燃料电池堆系统，将反应所需气体通入燃料电池堆系统，所述气体供给系统的控制端与控制系统的控制输出接口连接；
燃料电池堆系统，含有电能输出引线，其电能输出端连接电力变换系统输入端，向电力变换系统输出电能；
电力变换系统，输出端连接负载，向负载输出电能，所述dcdc变换器控制端与控制系统控制输出端信号连接；
控制系统，包含多路热电偶、多路电压电流传感器、多路可控开关及控制器，所述多路热电偶、多路电压电流传感器与控制系统采集输入接口信号连接；所述多路可控开关与控制系统控制输出接口信号连接；所述控制器包含通信接口，其根据采集负载功率需求，重新设定控制输出；
上位机，包含通信接口，与控制系统通信接口信号连接，用于对控制系统进行远程监控。
所述气体供给系统包括燃料储罐，供给反应所需的气体；所述燃料储罐通过管路经流量调节阀与燃料电池堆系统中电堆阳极入口相连；环境中空气通过气泵与燃料电池堆的阳极入口相连；燃料电池堆的阴极入口通过管路经风机与大气相连。
所述燃料电池堆系统包括：
燃料电池堆，其阳极及阴极入口连接换热器，使阳极的燃料及阴极的空气经换热器预热后通入燃料电池堆的阳极及阴极入口；其阳极出口及阴极出口通入燃烧室；燃料电池堆设置电能输出引线，输出电能；
重整室，其输出端经换热器通入燃料电池堆的阳极入口，使重整后的气体进入燃料电池堆的阳极入口；
燃烧室，其输出端通入换热器，使通入燃烧室的尾气燃烧后经换热器进行热量回收；
换热器，其冷端输出分别通入电堆阳极及阴极入口，使重整后燃料及阴极空气经换热器预热后进入电堆。
所述电力变换系统包括dcdc变换器和锂电池组；所述dcdc变换器的输入端连接燃料电池堆系统中电能输出端，所述锂电池组与dcdc变换器的输出端连接。
所述负载包括内部负载和外部负载。
所述控制系统包括控制器、传感器和流量调节装置，所述传感器通过信号电缆连接控制器，发送采集的数据给控制器；控制器连接流量调节装置，对流量调节装置进行控制。
所述传感器包括：
燃料流量传感器，设置于燃料调节阀出口管路，采集阳极燃料流量；
空气流量传感器，设置于风机出口管路，采集阴极空气流量；
电堆温度传感器，设置于燃料电池堆附近，采集电堆温度；
重整温度传感器，设置于重整室中，采集重整室温度；
尾气温度传感器，设置于换热器出口，采集尾气温度；
电堆电流传感器，设置于电堆电能输出回路，采集电堆输出电流；
电堆电压传感器，设置于电堆电能输出端，采集电堆输出电压；
可燃气体传感器，设置于燃料电池堆系统附近，采集可燃气浓度。
所述燃料电池堆的最大放电功率小于其当前可发电量。
所述锂电池组的电荷状态soc满足：0.2<soc<0.8。
一种基于便携式sofc发电装置的能量管理方法包括：
当装置处于启动状态时，由电力变换系统中的锂电池组为负载提供电能；
当装置处于运行状态时，通过负载反馈的功率需求调节燃料电池堆系统的功率输出；通过电力变换系统中锂电池组反馈的状态信息，向锂电池组输出充放电功率；
当装置处于停止状态时，电力变换系统中锂电池组向控制系统输出电能。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明结构简单、启动时间短，能量管理方法简单有效，发电装置在部分负荷下仍具有较高发电效率，可延长电堆及锂电池组使用寿命。
附图说明
图1是本发明的发电装置结构图；
图2是本发明的控制系统结构图；
图3是本发明的发电装置电气连接图；
图4是本发明的锂电池组充放电曲线示意图；
图5是本发明的dcdc变换器放电曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可能直接在另一个元件上，或也可以存在居中的元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明提出了一种便携式sofc发电装置及其能量管理方法，以下结合附图和实施例对本发明作详细描述：
如图1所示为本发明的发电装置结构图。
发电装置由电池堆系统、气体供给系统、电力变换系统、负载系统、监控系统及控制系统组成；
所述电池堆子系统包括固体氧化物燃料电池电堆、重整室、燃烧室及换热器；
阳极的燃料丙烷(或其它燃料)及空气通入重整室重整，重整室重整后的气体经换热器预热后进入电堆的阳极入口，阴极的空气经换热器预热后通入电堆的阴极入口，电堆的阳极出口和阴极出口尾气通入燃烧室燃烧后经换热器进行热量回收，回收热量用于重整后燃料及阴极的空气预热；经换热后的换热器出口尾气直接排空；
所述气体供给系统包括丙烷储罐，供给反应所需的气体；丙烷储罐通过管路经流量调节阀与电堆的阳极入口相连；环境中空气通过气泵与电堆的阳极入口相连；电堆的阴极入口通过管路经风机与大气相连；
所述电力变换系统包括dcdc变换器及锂电池组，dcdc变换器输入端与电堆电能输出端相连，锂电池组与dcdc变换器输出端并联；
所述负载系统与dcdc变换器输出端并联，包括内部负载及外部负载，其中内部负载主要为控制子系统耗电器件，外部负载为用户耗电设备；
所述监控系统在上位机中实现，用于便携式固体氧化物燃料电池发电装置的远程监控。
如图2所示为本发明的控制系统结构图。
所述控制系统由控制器、传感器及流量调节装置组成，根据传感器采集信号，生成流量控制信号作用于流量调节装置，或生成电量控制信号作用于dcdc变换器，用于便携式固体氧化物燃料电池发电装置的自动控制。
所述传感器包括：
燃料流量传感器，设置于燃料调节阀出口管路，采集阳极燃料流量；
空气流量传感器，设置于风机出口管路，采集阴极空气流量；
电堆温度传感器，设置于燃料电池堆附近，采集电堆温度；
重整温度传感器，设置于重整室中，采集重整室温度；
尾气温度传感器，设置于换热器出口，采集尾气温度；
电堆电流传感器，设置于电堆电能输出回路，采集电堆输出电流；
电堆电压传感器，设置于电堆电能输出端，采集电堆输出电压；
可燃气体传感器，设置于燃料电池堆系统附近，采集可燃气浓度。
所述发电装置控制器，可进行发电装置启动、运行及停止状态能量管理控制；
所述发电装置处于启动状态，由锂电池组提供电能给内部负载及外部负载；
所述发电装置处于运行状态时，控制器根据变化的负载功率需求，当前电堆状态及锂电池组状态，通过控制dcdc变换器输出，优化电堆放电功率及锂电池组充放电功率，实现负荷跟踪控制；
所述发电装置处于停止状态，由锂电池组提供电能给控制子系统。
实施例1：固体氧化物燃料电池发电装置运行状态能量管理方法。
固体氧化物燃料电池发电装置在运行状态，其负载需求功率是变换的，对应电堆输出功率及锂电池组充放电功率也是变化的，通过调节燃料电池堆放电功率及锂电池组充放电功率，使燃料电池堆始终运行在其可放电最大发电效率工作点，保证燃料电池堆安全使用，发电装置具有较高发电效率。具体步骤如下：
1.根据电流电压传感器采集当前电堆放电功率pstack、锂电池组充放电功率pbattery(放电为正值，充电为负值)及负载需求功率pload，满足pstack pbattery＝pload；
2.根据当前气体供给量及时间常数确定当前燃料电池堆最大可发电量pstackavlmax，确定可发电量下不同电堆放电功率对应最大发电效率工作点；
3.根据安时积分法，确定锂电池组荷电状态，确定锂电池组可放电功率上限pbatterydismax及可充电功率上限pbatterychrgmax；
4.负载功率需求改变，根据电流电压传感器采集当前电堆放电功率变为pstack’、锂电池组放电功率变为pbattery’及负载需求功率pload’，满足pstack’ pbattery’＝pload’；
此时重新进行功率分配，pstackset pbatteryset＝pload’，使电堆运行在其最大发电效率点，并满足pstackset<pstackavlmax，pbatterychrgmax<pbatteryset<pbatterydismax，使电堆运行在pstackset对应的最大发电效率工作点，发电装置具有较高发电效率；
5.根据锂电池设定充放电功率及图4所示的锂电池组充放电曲线，确定其端电压；
6.根据dcdc设定放电功率、端电压及图5所示的dcdc变换器放电曲线，确定dcdc输出电压；
7.改变dcdc输出电压，实现发电装置能量管理。
实施例2：固体氧化物燃料电池发电装置操作步骤。
如图3所示为本发明的发电装置电气连接图。
所述dcdc变换器输入端与固体氧化物燃料电池电堆电能输出端相连。所述电堆电能输出正极与dcdc变换器正极输入端间串有开关k1，控制电堆输出电能通断。所述dcdc变换器输出12vdc，其输出端分成三路，分别与控制系统供电输入端、外部负载供电输入端及锂电池组输出端相连。所述外部负载回路串有开关k2。所述锂电池组回路串有开关k3。
所述固体氧化物燃料电池发电装置具体操作步骤及对应能量管理如下：
1.发电装置上电前，对锂电池组进行充电，以保证其具有足够电量；
2.手动闭合锂电池组供电回路开关k3，发电装置处于待机状态，并进行自检。由锂电池组供电给内部负载；
3.手动按下发电装置面板启动按钮，闭合外部负载开关k2，发电装置进入启动状态，锂电池组供电给内部负载及外部负载；
4.电堆温度由室温升高到800度，且电堆参数正常，闭合电堆输出开关k1，发电装置跳转到运行状态，由燃料电池堆及锂电池组共同供电给内部负载及外部负载；
5.不需要发电装置放电时，手动按下发电装置面板停止按钮，发电装置进入停止状态，断开外部负载开关k2，断开电堆输出开关k1，由锂电池组供电给内部负载；
6.发电装置停止状态结束，断开锂电池组供电回路开关k3，发电装置处于关机状态。
1.一种便携式sofc发电装置，其特征在于，包括：
气体供给系统，通过管路连接燃料电池堆系统，将反应所需气体通入燃料电池堆系统，所述气体供给系统的控制端与控制系统的控制输出接口连接；
燃料电池堆系统，含有电能输出引线，其电能输出端连接电力变换系统输入端，向电力变换系统输出电能；
电力变换系统，输出端连接负载，向负载输出电能，所述dcdc变换器控制端与控制系统控制输出端信号连接；
控制系统，包含多路热电偶、多路电压电流传感器、多路可控开关及控制器，所述多路热电偶、多路电压电流传感器与控制系统采集输入接口信号连接；所述多路可控开关与控制系统控制输出接口信号连接；所述控制器包含通信接口，其根据采集负载功率需求，重新设定控制输出；
上位机，包含通信接口，与控制系统通信接口信号连接，用于对控制系统进行远程监控。
2.根据权利要求1所述的便携式sofc发电装置，其特征在于：所述气体供给系统包括燃料储罐，供给反应所需的气体；所述燃料储罐通过管路经流量调节阀与燃料电池堆系统中电堆阳极入口相连；环境中空气通过气泵与燃料电池堆的阳极入口相连；燃料电池堆的阴极入口通过管路经风机与大气相连。
3.根据权利要求1所述的便携式sofc发电装置，其特征在于：所述燃料电池堆系统包括：
燃料电池堆，其阳极及阴极入口连接换热器，使阳极的燃料及阴极的空气经换热器预热后通入燃料电池堆的阳极及阴极入口；其阳极出口及阴极出口通入燃烧室；燃料电池堆设置电能输出引线，输出电能；
重整室，其输出端经换热器通入燃料电池堆的阳极入口，使重整后的气体进入燃料电池堆的阳极入口；
燃烧室，其输出端通入换热器，使通入燃烧室的尾气燃烧后经换热器进行热量回收；
换热器，其冷端输出分别通入电堆阳极及阴极入口，使重整后燃料及阴极空气经换热器预热后进入电堆。
4.根据权利要求1所述的便携式sofc发电装置，其特征在于：所述电力变换系统包括dcdc变换器和锂电池组；所述dcdc变换器的输入端连接燃料电池堆系统中电能输出端，所述锂电池组与dcdc变换器的输出端连接。
5.根据权利要求1所述的便携式sofc发电装置，其特征在于：所述负载包括内部负载和外部负载。
6.根据权利要求1所述的便携式sofc发电装置，其特征在于：所述控制系统包括控制器、传感器和流量调节装置，所述传感器通过信号电缆连接控制器，发送采集的数据给控制器；控制器连接流量调节装置，对流量调节装置进行控制。
7.根据权利要求6所述的便携式sofc发电装置，其特征在于：所述传感器包括：
燃料流量传感器，设置于燃料调节阀出口管路，采集阳极燃料流量；
空气流量传感器，设置于风机出口管路，采集阴极空气流量；
电堆温度传感器，设置于燃料电池堆附近，采集电堆温度；
重整温度传感器，设置于重整室中，采集重整室温度；
尾气温度传感器，设置于换热器出口，采集尾气温度；
电堆电流传感器，设置于电堆电能输出回路，采集电堆输出电流；
电堆电压传感器，设置于电堆电能输出端，采集电堆输出电压；
可燃气体传感器，设置于燃料电池堆系统附近，采集可燃气浓度。
8.根据权利要求1所述的便携式sofc发电装置，其特征在于：所述燃料电池堆的最大放电功率小于其当前可发电量。
9.根据权利要求1所述的便携式sofc发电装置，其特征在于：所述锂电池组的电荷状态soc满足：0.2<soc<0.8。
10.一种基于权利要求1～9任一项所述装置的能量管理方法，其特征在于，包括：
当装置处于启动状态时，由电力变换系统中的锂电池组为负载提供电能；
当装置处于运行状态时，通过负载反馈的功率需求调节燃料电池堆系统的功率输出；通过电力变换系统中锂电池组反馈的状态信息，向锂电池组输出充放电功率；
当装置处于停止状态时，电力变换系统中锂电池组向控制系统输出电能。
技术总结