面向固体氧化物燃料电池(SOFC)的混合能源能量管理研究

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)是绿色能源的一种，正在吸引越来越多的的关注。燃料电池输出特性偏软，功率无法瞬间跟随负载大幅度变化，因此需要引入辅助电源(蓄电池)来帮助它完成功率跟踪功能，而负载功率跟踪过程要解决热电管控的问题，鉴于 SOFC系统实验人力、物力成本高，本文采用半实物仿真平台的方式进行研究。
　　首先本文在MATLAB上搭建了一套SOFC系统模型。该模型建模采用了有限元思想，将每个部件均分为若干节点搭建，每个节点遵循能量守恒定律，物质守恒定律和摩尔分数守恒定律。将 SOFC系统中每个元件通过上述思想搭建，组合成一个完整的系统。然后为了管控蓄电池荷电状态（SOC），本文在蓄电池SOC估计上采用了卡尔曼滤波方法，但是该方法需要借助蓄电池模型的状态空间方程，因此首先搭建了一个蓄电池二阶模型，并通过充放电实验辨识出模型中的参数。进一步基于dSPACE将所搭建的SOFC系统模型和蓄电池、DC/DC、电源构建一个完整的SOFC混合能源系统。最后根据SOFC混合能源系统的控制量和控制目标，设计出了一套控制策略。该策略采用了前馈控制、PID反馈控制、状态机、滞环控制四种控制手段。经验证，控制结果满足四个温度约束、负载快速跟踪、燃料未亏空、蓄电池SOC能管控等要求。充分证明了本文所建立的模型及设计控制策略的有效性。本文研究成果可以为实物系统设计提供可靠的方法基础与理论依据。

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1 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 SOFC工作原理及特点

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要章节安排

2 SOFC系统模型搭建

2.1 SOFC系统组成

2.2 SOFC系统建模方法

2.3 通用模型方程

2.4 子部件模型

2.5 电堆电特性模型

2.6 SOFC系统模型的集成

2.7 本章小结

3 铅酸蓄电池模型

3.1 铅酸电池常用模型

3.2 电池模型及其参数辨识方法

3.3 模型验证

3.4 本章小结

4 铅酸蓄电池SOC动态估算

4.1 电池荷电状态估计

4.2 卡尔曼滤波

4.3 结果分析

4.4 本章小结

5 SOFC系统能量管理与控制实现

5.1 半实物仿真平台介绍

5.2 控制要素分析

5.3 控制策略提出

5.4 实验结果

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录：SOFC模型参数

攻读硕士学位期间研究成果