摘 要

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种把燃料的化学能直接转化为电能的新型全固态发电装置。凭借着发电效率高、环境友好、燃料适应性广、无漏液腐蚀、制造维护成本低、工作寿命长等优势，在能源紧缺、环境恶化的当今世界里它日益受到人们的重视，并作为辅助动力来源被逐渐运用到电动汽车上。因此对固体氧化物燃料电池的研究具有重要意义。

本文首先阐述了课题的研究背景和意义，介绍了国内外的发展现状，简要地说明课题的研究内容。随后对乙醇燃料电池和锂离子电池的工作原理和特点、最新进展等进行概述。第三部分着重设计了乙醇燃料电池的监控系统和控制策略。首先确定了燃料电池的基本参数和电堆结构，根据需求分析确定了监控系统的总体方案。接着对系统硬件进行选型，设计出硬件电路和程序，包括主控制硬件模块和数据采集硬件模块。针对电堆入口温度和电堆温度开发了相应的控制策略，写出控制流程。第四部分则围绕锂离子电池的SOC估算和均衡控制展开，同样地对监控系统的硬件和软件进行设计，设计了SOC估算的流程，开发出锂离子电池均衡控制策略，满足乙醇燃料电池汽车电池监控的需求。

本文的特色：本文针对乙醇燃料电池汽车设计出两套监控系统，分别对SOFC和锂离子电池进行监控，提出了温度控制、SOC估算和均衡控制三种控制策略，对保障汽车电池安全运行具有重要意义。

关键词：乙醇固体氧化物燃料电池；温度监控；锂离子电池；均衡控制

Abstract

Solid oxide fuel cell (SOFC) is a new all-solid-state power generation device that directly transforms the chemical energy of fuel into electrical energy. The world is now facing the problem of energy shortage and environmental degradation. With the advantages of high power generation efficiency, environmental friendly, fuel adaptability, no leakage corrosion, low production and maintenance cost, long service life and so on, SOFC catch more and more attention, and as an auxiliary power source it is gradually applied to electric vehicles. Therefore, the research of solid oxide fuel cells is of great significance.

This paper first describes the research background and significance of the subject, introduces the development of domestic and foreign, and briefly describes the content of the subject. Subsequently, the working principle and characteristics of ethanol fuel cells and lithium ion batteries are reviewed. The third part of the paper focuses on the monitoring system and control strategy of ethanol fuel cells. Firstly, the basic parameters and stack structure of the fuel cell are determined, and the overall scheme of the monitoring system is determined according to the requirement analysis. Then, the system hardware is selected, and the hardware circuit and program are designed, including the main control hardware module and the data acquisition hardware module. According to the stack inlet temperature and stack temperature, the corresponding control strategy is developed, and the control flow is written out. The fourth part focus on the SOC estimation and equalization control of the lithium ion battery. We designed the monitoring system hardware and software and finished the design of the SOC estimation process. Lithium ion battery equalization control strategy was developed to meet the demand of battery monitoring in the ethanol fuel cell vehicle.

The characteristics of this paper: in this paper, based on the ethanol fuel cell vehicles we designed two sets of monitoring system, respectively, to monitor SOFC and lithium ion battery. What’s more, we propose temperature control, SOC estimation and equalization control, which has important significance to guarantee the safe operation of the car battery.

Key Words：Ethanol-fueled solid oxide fuel cell；Temperature monitoring；Lithium ion battery；Power balance control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 国内外的发展现状 1

1.2.1 国外发展现状 1

1.2.2 国内发展现状 2

1.3 课题的研究内容 2

1.4 本章小结 3

第2章 乙醇燃料电池与锂离子电池的概述 4

2.1 SOFC的基本原理 4

2.2 SOFC的特点 4

2.3 SOFC的类型和系统组成 5

2.4 乙醇重整制氢 5

2.5 乙醇燃料电池的最新进展 6

2.6 锂离子电池的工作原理 7

2.7 锂离子电池的特点 8

2.8 本章小结 8

第3章 乙醇燃料电池的监控和控制策略 9

3.1 乙醇燃料电池监控系统概述 9

3.1.1 乙醇燃料电池的选型和发电系统的结构 9

3.1.2 燃料电池性能的影响因素 10

3.1.3 监控系统需求分析 11

3.2 SOFC监控系统总体设计 12

3.2.1 系统整体设计方案 12

3.2.2 SOFC监控系统设备组成方案 13

3.2.3 设备选型 15

3.3 监控系统的硬件设计 16

3.3.1 主控制模块设计目标 16

3.3.2 主控制模块总体设计方案 16

3.3.3 主控制器的选型 17

3.3.4 主控制模块核心电路 19

3.3.5 数据采集模块设计 24

3.3.6 故障诊断模块 30

3.3.7 信号采集通道设计 30

3.4 监控系统的软件设计 31

3.4.1 系统主程序设计 31

3.4.2 数据采集设计 33

3.4.3 状态指示模块设计 33

3.4.4 数据管理模块设计 34

3.5 控制策略开发 35

3.5.1 预热阶段 36

3.5.2 发电阶段 37

3.6 本章小结 41

第4章 锂电池组监控与控制策略 43

4.1 锂电池监控系统概述 43

4.1.1 锂电池组选型和结构 43

4.1.2 电池组监控需求分析 43

4.2 电池组监控系统设计 44

4.2.1 系统整体设计方案 44

4.2.2 主控制器的选型 45

4.2.3 主控制器的最小系统 45

4.2.4 电源电路 46

4.2.5 数据采集与处理 47

4.2.6 通信电路 49

4.2.7 数据存储 49

4.2.8 状态指示 49

4.3 控制策略开发 50

4.3.1 SOC估算 50

4.3.2 均衡控制 53

4.4 本章小结 56

第5章 电路和电源结构 57

5.1 燃料电池电路结构 57

5.1.1 串联结构 57

5.1.2 并联结构 57

5.1.3 混联结构 57

5.2 电电混合电源结构 58

5.2.1 直联结构 58

5.2.2 燃料电池侧DC/DC结构 59

5.2.3 锂离子电池侧DC/DC结构 59

5.2.4 双DC/DC结构 60

5.3 本章小结 60

第6章 总结和展望 61

6.1 总结 61

6.2 展望 61

参考文献 63

附录A 65

致 谢 67

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

如今汽车已经走进千家万户，极大地改变了人们的生产和生活方式。而随着现代科技的进步，围绕汽车所展开的研究越来越深入，汽车技术的发展水平也在不断提高。燃料电池发电技术就是其中一门备受关注的先进技术^[1]。燃料电池能够把燃料和氧化物中含有的化学能通过电极之间的反应转化为我们日常使用的电能 ^[2]。相比于传统的发电方式而言, 燃料电池的能量转换非常直接,它不需要经过热能转换这一个环节,因此不被卡诺循环所限制,这导致了它的发电效率较高^[3-5]。按照不同的电解质，燃料电池有几种分类，包括碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池（SOFC）、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池以及熔融碳酸燃料电池 ^[4、6]。其中，固体氧化物燃料电池备受各国学者所重视，因为它是一种新型电化学发电装置，具有许多优点，例如高效清洁、能量利用率高、燃料灵活性高、应用范围广等 ^[7-11]。此外，它是全固态的结构，并不需要价格较高的铂铑金属，这导致了它具有较低的制造成本。凭借无电极毒化，无漏液腐蚀以及工作寿命长等诸多特点，它被称作当今世纪最具有发展潜力的环保发电装置^{[8、12、13、14]}。在当代，我们面临着能源紧缺、环境恶化、气候变暖等难以解决的问题，传统的由化学燃料提供动力的内燃机已经不能够满足人们的经济需求了^[15-16]。发展可替代的动力装置逐渐被提上日程 ^[17]。而针对燃料问题，以氢气作为燃料的燃料电池由于具有绿色环保，运行噪声小，接近于零污染排放，发电效率较高，应用领域十分广泛等优势，受到了汽车业界的高度重视^[18-23]。如何成功制备氢气是决定氢能燃料电池未来发展的关键点^[4]。到目前为止生产氢气的方法有很多，常见的制氢生物质原料有甲醇、乙醇、甘油、乙二醇等。其中，甲醇带有一定的毒性，它的能量密度较低；而乙二醇和甘油的重整制氢化学机理比较复杂，成本高；与前三者相比而言，乙醇的能量密度高、毒性较小、氢含量较高、储存和运输方便、燃料电池的电极中毒风险性较低^[21、23-24]，这些优势都使得乙醇成为当前制造氢气的最好原料^[25]。因此利用水蒸汽重整法把乙醇转化为氢气来为固体氧化物燃料电池提供燃料的乙醇燃料电池具有广阔的研究前景。影响乙醇燃料电池的因素有很多，包括电堆温度、电压电流、气体流速、空气压力等，这些因素都必须密切监控以保证电池安全运行，并设计出相应的控制策略使电池性能达到最优化^[26-28]。因此在此背景之下我进行了本次课题的研究——乙醇燃料电池汽车电池监控和控制策略开发。

1.2 国内外的研究现状

1.2.1 国外研究现状

SOFC技术是一种新型绿色的发电方式，近些年来它慢慢受到了世界各发达国家的重视。许多国家和地区,例如美国、欧洲、澳大利亚、日本以及韩国等都陆续制定了针对SOFC的中长期研究发展规划,它们希望在未来的一段时期里尽快达成 SOFC 技术商业化的目标^[12]。美国早在上个世纪九十年代就已经成立了固态能量转换联盟，把具备较高科研实力的专业公司作为主要承担者，负责SOFC整体系统的研发工作,并且与著名大学和国家实验室互相合作，共同深入展开SOFC系统的基础研究工作,力求促进 SOFC 技术的商业化发展^[8、12]。在欧洲地区，欧盟和它的成员国也陆续启动了诸多计划，例如“先进燃料电池计划”、“SOFC600 计划”、“新能源和可再生能源计划”、“Real SOFC 计划”以及“欧洲十年计划，燃料电池研究发展和演示规划”等，专注于 SOFC 技术的基础研究与发展^[29]。日本很早就开始了有关SOFC 的研究了, 这些研究都受惠于日本政府和科技企业之间的友好合作。在关于燃料电池的经费预算方面日本已经成为世界第一,而且日本有关SOFC技术的投资政策和科研经费持续稳定^[12]。据新闻报道，日产公司近期还推出了世界上首款固体氧化物燃料电池汽车，该电动汽车采用纯生物乙醇作为发电原料，续驶里程可以达到600km。尽管如今世界对乙醇燃料电池的研究还尚未成熟，但固体氧化物燃料电池技术在国外已有了多年的技术积累，发展前景可观。