基于负载功率和电池包状态的空间能量管理系统的制作方法

1.本发明涉及空间燃料电池领域，特别涉及一种基于负载功率和电池包状态的空间能量管理系统。


背景技术：

2.燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。
3.陆地、平流层以内的燃料电池可以采用氢气、空气作为原料产生能量，而应用于航天航空的空间燃料电池，由于空间没有空气，只能采用纯氧气作为氧化剂，因此空间燃料电池特性、控制方式特殊。
4.现有技术中的空间燃料电池动态响应较差、输出特性疲软，其寿命会受到瞬时大电流放电的影响，难以适应复杂多变的负载需求。
5.因此，有必要在空间燃料电池的基础上加以改进，提供一种新型的空间能量供给、管理系统，旨在克服空间燃料电池的弊端，适应复杂多变的负载要求。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种基于负载功率和电池包状态的空间能量管理系统，该系统可以克服空间燃料电池动态响应较差、输出特性疲软，寿命会受到瞬时大电流放电的影响，难以适应复杂多变的负载需求等问题。
7.为实现上述目的和其他相关目的，本发明提供了一种基于负载功率和电池包状态的空间能量管理系统，包括与负载相连的空间能量管理器，以及与所述空间能量管理器分别相连的燃料电池、锂电池组和功率调控器，所述燃料电池通过所述功率调控器分别与所述锂电池组和所述负载相连，所述锂电池组与所述负载相连；
8.当所述负载的供电要求高于所述燃料电池通过所述功率调控器的供电输出时，供电要求高出部分由所述锂电池组放电补充；
9.当所述负载的供电要求低于所述燃料电池通过所述功率调控器的供电输出时，供电输出高出部分输出给所述锂电池组进行充电；
10.所述空间能量管理器接收所述锂电池组的soc信号和所述负载的功率信号，通过所述soc信号和所述功率信号计算所述负载的工作情况信息，并通过所述负载的工作情况信息控制所述燃料电池和所述功率调控器，以控制所述燃料电池通过所述功率调控器的供电输出。
11.优选地，所述空间能量管理器包括cpu模块以及与之相连的模拟开关模块、控制模
块和通讯模块；
12.所述模拟开关模块用于接收所述soc信号和所述功率信号，并输出给所述cpu模块；
13.所述cpu模块先将所述soc信号和所述功率信号转化成数字信号，再识别所述数字信号，并将所述数字信号传输给所述通讯模块；
14.所述cpu模块依据所述数字信号控制所述控制模块调整所述燃料电池和所述功率调控器，以改变所述燃料电池通过所述功率调控器的供电输出，使所述燃料电池通过所述功率调控器的供电输出与所述负载的工作情况信息相匹配；
15.所述通讯模块接收所述数字信号，并将所述数字信号传输给上位机。
16.优选地，所述cpu模块包括模数转换器和cpu，所述模数转换器用于将所述soc信号和所述功率信号转化成数字信号，所述cpu用于控制所述控制模块。
17.优选地，所述模拟开关模块包括多个模拟量通道，所述soc信号和所述功率信号包括多个模拟量，每个模拟量通道一次传输一个模拟量给所述模数转换器，并且传输时其余模拟量通道关闭。
18.优选地，每个模拟量通道传输一个模拟量完成后，切换到下一个模拟量通道进行下一个模拟量的传输。
19.优选地，所述燃料电池为氢氧燃料电池。
20.优选地，所述空间能量管理器控制所述氢氧燃料电池，控制内容至少包括所述氢氧燃料电池的水泵、氢气氧气进气阀以及所述氢氧燃料电池的内部温度。
21.优选地，所述通讯模块采用rs422接口。
22.优选地，所述负载的工作情况信息至少包括变轨、数据传递、加速、减速和姿态调整。
23.综上所述，本发明提供了一种基于负载功率和电池包状态的空间能量管理系统，所述的空间能量管理系统能够根据在线观测锂电池组soc和负载功率，并通过锂电池组soc和负载功率完成所述负载的工况系数辨识并进行工况智能识别，得到所述负载的工作情况信息，例如变轨、数传、加速、姿态调整和减速等，进而调节功率调控器的输入功率，从而控制燃料电堆输出功率，保证燃料电堆的长寿命稳定运行。
附图说明
24.图1为本发明一实施例提供的基于负载功率和电池包状态的空间能量管理系统示意图。
25.图2为本发明一实施例提供的基于负载功率和电池包状态的空间能量管理系统中空间能量管理器示意图；
26.图3为本发明一实施例提供的基于负载功率和电池包状态的空间能量管理系统的能量管理原理示意图；
27.图4为本发明一实施例提供的基于负载功率和电池包状态的空间能量管理系统的二模式工作方式示意图。
具体实施方式
28.以下结合附图1
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4和具体实施方式对本发明提出的基于负载功率和电池包状态的空间能量管理系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
29.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.图1为本发明一实施例提供的基于负载功率和电池包状态的空间能量管理系统示意图，参阅图1，所述空间能量管理系统包括与负载500相连空间能量管理器100，以及与所述空间能量管理器100分别相连的燃料电池200、锂电池组300和功率调控器400，所述燃料电池200通过所述功率调控器400分别与所述锂电池组300和所述负载500相连，所述锂电池组300与所述负载500相连；当所述负载500的供电要求高于所述燃料电池200通过所述功率调控器400的供电输出时，供电要求高出部分由所述锂电池组300放电补充；而当所述负载500的供电要求低于所述燃料电池200通过所述功率调控器400的供电输出时，供电输出高出部分输出给所述锂电池组300进行充电；所述燃料电池200和所述锂电池组300均用于所述负载500的供电，并且所述燃料电池200为主要供电来源，所述锂电池组300起到了能量的“削峰填谷”的作用，在所述空间能量管理系统中相当于一个“能量库”，那么“能量库”的“库存”即可一定程度上反应所述负载500的工作情况，也即所述锂电池组300的soc能够在一定程度上反应所述负载500的工作情况。参阅图3，所述空间能量管理器100接收所述锂电池组300的soc信号和所述负载500的功率信号，以通过所述锂电池组300的soc信号和所述负载500的功率信号计算得出所述负载500的工作情况信息，并通过所述负载500的工作情况信息控制所述燃料电池200和所述功率调控器400，以控制所述燃料电池200通过所述功率调控器400的供电输出，使得供电输出满足所述负载500的工况要求，实现所述燃料电池200和所述锂电池组300混合能源的调度与管理，保证所述燃料电池200长寿命稳定运行。
31.如图4所示，本发明一实施例提供的空间能量管理系统能量循环如图所示，能量管理策略采用二模式工作方式，通过空间能量管理器采集所述锂电池组300的soc信号及所述负载500的功率信号，控制所述功率调控器400输入功率(即所述燃料电池200输出功率)保持在载荷功率10w到50w，并且，所述燃料电池200对所述锂电池组300进行充电，所述锂电池组300进行“削峰填谷”的能量输出，实现能量循环。本发明技术领域内的人员应该明白，载荷功率的范围是可以改变和调控的。
32.在本实施例中，参阅图2，所述空间能量管理器100包括cpu模块102以及与之相连的模拟开关模块101、控制模块104和通讯模块103；所述模拟开关模块101用于接收所述锂
电池组300的soc信号和所述负载500的功率信号，并输出给所述cpu模块102；所述cpu模块102先将所述锂电池组300的soc信号和所述负载500的功率信号转化成数字信号，再识别所述数字信号，从而进行工况系数辩识并进行工况智能识别，确定所述负载500的工作情况信息，并将所述数字信号传输给所述通讯模块103；所述cpu模块102依据所述数字信号控制所述控制模块104调整所述燃料电池200和所述功率调控器400，以改变所述燃料电池200通过所述功率调控器400的供电输出，使所述燃料电池200通过所述功率调控器400的供电输出与所述负载500的工作情况相匹配；所述空间能量管理系统应用于太空时，所述燃料电池200一般采用氢氧燃料电池，所述功率调控器400相当于一能量大小闸门，来控制所述燃料电池200的供电输出，但是也需要控制所述燃料电池200，氢氧燃料电池是一个复杂化学反应堆，需要所述空间能量管理器100控制氢氧燃料电池的水泵、氢气氧气进气阀以及所述氢氧燃料电池的内部温度；所述通讯模块103接收所述数字信号，并将所述数字信号传输给上位机，实现所述负载500的工作状况的实时监控。
33.在本实施例中，所述cpu模块102一般包括模数转换器和cpu，所述模数转换器用于将所述锂电池组300的soc信号和所述负载500的功率信号转化成数字信号，所述cpu用于控制所述控制模块103；由于所述cpu模块102的所述模数转换器一般只要一个，所述模拟开关模块101一般采用分时导通的方式来传递所述锂电池组300的soc信号和所述负载500的功率信号。
34.在本实施例中，为了提升分时导通的效率，所述模拟开关模块101一般包括多个模拟量通道，所述锂电池组300的soc信号和所述负载500的功率信号包括多个模拟量，每个模拟量通道一次传输一个模拟量给所述模数转换器，并且传输时其余模拟量通道关闭。并且，每个模拟量通道传输一个模拟量完成后，切换到下一个模拟量通道进行下一个模拟量的传输。即在一个时刻有一个模拟量通道导通，一个时刻只有一个模拟量在传输并通过所述模数转换器转换成数字信号，转换完成切换到下一个通道，通道切换时间一般为1us，传输和转换时间一般2us。
35.在本实施例中，所述通讯模块103一般采用rs422接口，rs422总线通讯的抗干扰比较强，所述空间能量管理器100要适应太空(空间)恶劣环境，需要抗辐射加固及宽温度范围；并且，在本实施例中，如图3所示，所述负载500的工作状况信息至少包括变轨、数据传递、加速、减速和姿态调整。
36.本发明的优点在于提供了一种基于负载功率和电池包状态的空间能量管理系统，所述的空间能量管理系统能够根据在线观测锂电池组soc和负载功率，并通过锂电池组soc和负载功率完成所述负载的工况系数辨识并进行工况智能识别，得到所述负载的工作情况信息，例如变轨、数传、加速、姿态调整和减速等，进而调节功率调控器的输入功率，从而控制燃料电堆输出功率，保证燃料电堆的长寿命稳定运行。
37.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。