摘 要

固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell，SOFC）作为一种高效的新能源，被誉为21世纪最具前景的绿色发电方式之一，其普及应用对改善环境、缓解能源危机具有重要意义。SOFC的输出电压波动较大，电特性偏软，需要引入辅助储能装置来跟踪负载功率变化，由此构成的SOFC-辅助电源系统的能量管理显得尤为重要。

首先本文简要介绍了SOFC的发电原理、系统结构和MATLAB模型，测试了锂电池的充放电特性，由此确定了锂电池的稳定工作范围。其次采用安时积分法结合开路电压法（OCV-Ah）来在线估计锂电池SOC，开路电压法用于检测锂电池的初始SOC值，安时积分法用于检测锂电池的实时SOC值。然后设计了SOFC发电系统的能量管理单元，该单元的硬件主要包括电压电流检测、继电器、供电电源和主控制器等模块，软件提出了一种有效的能量管理策略。最后搭建了dSPACE半实物仿真平台，在此平台上验证了所设计能量管理单元的可行性。

关键词：固体氧化物燃料电池；能量管理；荷电状态；OCV-Ah法；dSPACE

Abstract

Solid oxide fuel cell (SOFC) is an efficient new energy, known as one of the most promising way of green power in the 21st century, which is of great significance to improve the environment and alleviate the energy crisis if widely used. SOFC output voltage need to introduce an auxiliary energy storage device to track load power changes because of its voltage fluctuations and soft electrical properties, thus energy management is particularly important to the constituting SOFC – auxiliary hybrid power system.

The paper first briefly introduces the electric-generation principle, system structure and MATLAB model of SOFC, and tests the lithium battery charge and discharge characteristics, which determines the stable work scope of the lithium battery. Secondly using a new scheme, which combining the ampere-hour integral method with the open circuit voltage method, to estimate the SOC of the lithium battery online, the open circuit voltage method is used to detect the initial SOC value, when the ampere-hour integral method is used for real-time detection of SOC value.Then designed a energy management unit for the SOFC power systems, and the hardware mainly includes a voltage-current detection, a relay, a power supply and a main controller module, while the software put forward a kind of effective energy management strategy. Finally set up a dSPACE semi-physical simulation platform, on which the feasibility of the designed energy management unit is verified.

Keywords: Solid oxide fuel cell；Energy management；State of charge；OCV-Ah method; dSPACE

目 录

摘 要 I

Abstract II

1 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 3

2 SOFC与锂电池简介 4

2.1 SOFC简介 4

2.1.1 SOFC发电原理 4

2.1.2 SOFC发电系统 5

2.1.3 SOFC发电系统MATLAB模型 6

2.2 聚合物锂电池简介 7

3 锂电池SOC在线检测 9

3.1 SOC的定义 9

3.2 SOC的常用检测方法 9

3.3 SOC检测方案 11

3.4 SOC检测结果 13

3.5 本章小结 14

4 SOFC发电系统能量管理单元 15

4.1 能量管理单元的组成 15

4.2 硬件设计 18

4.2.1 电压检测模块 18

4.2.2 电流检测模块 19

4.2.3 锂电池继电器开关 20

4.2.4 供电电源模块 21

4.2.5 主控制器 21

4.3 能量管理策略 22

4.4 本章小结 24

5 能量管理单元实验验证 25

5.1 半实物仿真平台简介 25

5.1.1 dSPACE简介 26

5.1.2 DC/DC变换器简介 26

5.1.3 可调直流电源简介 27

5.2 实验结果 28

5.2.1 电特性 28

5.2.2 热特性 28

5.3 本章小结 29

6 总结与展望 30

6.1 全文总结 30

6.2 研究展望 30

参考文献 32

附录A 能量管理单元硬件原理图及PCB 33

致 谢 35

绪论

研究背景与意义

近20年来，中国经济腾飞，随之而来的是工业生产需要消耗大量的不可再生能源。一方面，在工业化进程中，我们消耗了地球上大量的自然资源，特别是煤、石油、天然气等非可再生资源越来越匮乏，如果不发展新的能源供应方式，地球上的化石燃料将在未来几十年内消耗殆尽，届时将严重影响我国的可持续发展和人民生活水平的提高；另一方面，以化石燃料为主的传统能源的广泛使用，产生了大量的有毒污染物，造成了环境的严重破坏，对人们的身体健康产生了极大的威胁。因此，为了改善能源结构，保护生态环境，燃料电池作为一种高效率、无污染的清洁能源得到了各国政府的高度重视，成为全球新一代能源技术的研究热点^[1]。

根据不同的电解质材料，燃料电池主要可以分为5种类型，如表1.1所示。