高慧中, 王志杰, 尹韶平, 路 駿, 王俊光

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水下燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略仿真

高慧中, 王志杰, 尹韶平, 路 駿, 王俊光

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

氫氧燃料電池作為一種將燃料化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置, 具有比能量和效率高等特點(diǎn), 非常適于水下應(yīng)用。文中針對(duì)水下環(huán)境中的氫氧燃料電池-蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)特性, 提出了一種功率跟隨式的能量管理策略, 通過建立的動(dòng)力系統(tǒng)simulink模型, 對(duì)能量管理策略的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明, 建立的控制策略能夠充分利用蓄電池補(bǔ)充燃料電池不足, 對(duì)于燃料電池在水下環(huán)境中的應(yīng)用具有一定參考。

水下燃料電池; 氫氧燃料; 混合動(dòng)力; 能量管理

0 引言

隨著我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的制定和實(shí)施, 高性能無人水下航行器的需求日益迫切。氫氧燃料電池是一種將氫和氧的化學(xué)能通過電極反應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置, 其反應(yīng)過程不涉及燃燒, 從而突破了卡諾循環(huán)的限制, 使其效率提高至內(nèi)燃機(jī)的2~3倍, 具備了高比能量、高能量轉(zhuǎn)換效率、零排放、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)[1], 可為發(fā)展遠(yuǎn)航程、大航深、高隱身性的閉式循環(huán)無人水下航行器提供了動(dòng)力保障。

面對(duì)頻繁變化的外部負(fù)載需求時(shí), 僅使用氫氧燃料電池作為輸出能源存在經(jīng)濟(jì)性差、使用壽命短等不足, 采用增加蓄電池配合燃料電池工作的思路已成為眾多研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)[2-3]。這種方式可在彌補(bǔ)系統(tǒng)快速響應(yīng)方面不足的同時(shí), 有效減少燃料電池工況的高頻變化從而延長其使用壽命[4]。在此思路上形成的混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)能量的分配管理提出了新的要求, 迫切需要高效的能量管理策略優(yōu)化系統(tǒng)性能。目前, 國內(nèi)外對(duì)燃料電池混合動(dòng)力汽車的能量管理策略已有較為深入的研究, 建立了基于多種以車用氫空燃料電池堆為對(duì)象的控制策略[5-6], 但可供無人水下航行器借鑒的研究則較為缺乏。無人水下航行器的空間狹小, 為滿足系統(tǒng)比功率和閉式循環(huán)要求, 需使用氫氧作為系統(tǒng)能源, 其工作特性與氫空燃料電池有顯著不同, 對(duì)混合系統(tǒng)的能量管理策略也提出了差異化需求。

文中以無人水下航行器的氫氧燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)為研究對(duì)象, 在確立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建立基于功率跟隨規(guī)則的控制策略, 并融入到Simulink環(huán)境下的燃料電池與蓄電池驅(qū)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型中, 最終通過仿真計(jì)算驗(yàn)證了能量管理策略。

1 水下燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型

1.1 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的熱動(dòng)力無人水下航行器利用燃?xì)馔苿?dòng)活塞, 通過傳動(dòng)軸將機(jī)械功率傳遞至推進(jìn)裝置, 完成對(duì)外做功。燃料電池系統(tǒng)則是與蓄電池并連在系統(tǒng)動(dòng)力電壓母線上, 利用電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。也正是基于這樣的原理, 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)工作中的能量管理本質(zhì)是通過控制母線上的電壓或者電流來實(shí)現(xiàn)的。

目前燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)有多種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7], 但在不同的應(yīng)用環(huán)境中其系統(tǒng)效率和功率承載能力有所不同。文中動(dòng)力模型使用了間接連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 如圖1所示, 利用單向DC/DC變換器調(diào)節(jié)燃料電池輸出后再與蓄電池并聯(lián), 保證了燃料電池工況的穩(wěn)態(tài)變化盡管直接將Buck-Boost變換器與燃料電池相連會(huì)引起輸出電流產(chǎn)生紋波, 但間接連接可使系統(tǒng)持續(xù)工作在最大效率點(diǎn), 以緩解燃料電池的性能惡化[8]。同時(shí), 僅使用一個(gè)DC/DC變換器既有效調(diào)控了系統(tǒng)能量, 又減少了無功功率的消耗, 實(shí)現(xiàn)了可控性、工作效率與經(jīng)濟(jì)性之間的有效平衡。

1.2 系統(tǒng)動(dòng)力組成

1.2.1 燃料電池堆

燃料電池堆(文中特指PEM型燃料電池)作為水下燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件, 是為負(fù)載提供能量的主要能量形式。系統(tǒng)在工作過程,氫氣、氧氣經(jīng)由電堆陽極、陰極進(jìn)入進(jìn)行反應(yīng), 電堆開路電壓

式中:n表示電堆中的電池個(gè)數(shù);v表示單個(gè)電池的平均電壓, 特別在滿足常規(guī)假設(shè)條件下, 燃料電池的單體開路電壓可使用Nernst方程計(jì)算得到

1.2.2 蓄電池

蓄電池快速充、放電的特點(diǎn)能夠與燃料電池較好地互為補(bǔ)充, 有效提高燃料電池壽命的同時(shí), 也為改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能提供了解決方案。根據(jù)理論分析可知, 蓄電池等效電路模型可簡化為電容與內(nèi)阻構(gòu)成的電路。

荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)是定義可用電量占最大電量的百分比, 其計(jì)算的精確性和魯棒性在系統(tǒng)性能與安全方面具有至關(guān)重要的作用。目前, 基于電流的估計(jì)方法最為常用, 其計(jì)算途徑可表述為

2 能量管理策略

在混合動(dòng)力系統(tǒng)中, 燃料電池作為主要的能源形式負(fù)責(zé)輸出主要的功率驅(qū)動(dòng)航行器對(duì)外做功, 而蓄電池作為補(bǔ)充完成啟動(dòng)系統(tǒng)、補(bǔ)充瞬時(shí)功率、回收能量等功能。能量管理的目的是在滿足負(fù)載功率需求的前提下, 對(duì)系統(tǒng)中的燃料電池與蓄電池輸出進(jìn)行合理分配, 提高效率。

功率跟隨法是目前最常用的一種能量管理方法, 通常建立的能量管理方法依據(jù)負(fù)載需求功率為目標(biāo)量, 將燃料電池堆作為主要供能單位向電機(jī)提供電能。當(dāng)需求功率大于燃料電池的限定功率時(shí), 燃料電池與蓄電池同時(shí)向外供能; 當(dāng)需求功率小于燃料電池的限定功率時(shí), 則只由燃料電池向外供能, 特別在蓄電池荷電狀態(tài)小于下限時(shí)向蓄電池充電; 在系統(tǒng)連續(xù)調(diào)節(jié)過程中, 當(dāng)變化功率大于燃料電池預(yù)設(shè)變化量時(shí), 由蓄電池作為短時(shí)補(bǔ)充滿足動(dòng)態(tài)需求, 判斷流程如圖2所示。

具體調(diào)節(jié)過程可描述如下:

1) 利用蓄電池實(shí)測(cè)電壓與額定電壓、額定功率進(jìn)行計(jì)算, 計(jì)算得到目前蓄電池可對(duì)外供應(yīng)的最大功率; 監(jiān)測(cè)蓄電池的荷電狀態(tài), 當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)小于35%時(shí), 系統(tǒng)以蓄電池的額定功率向其充電, 否則蓄電池的充電功率為零;

2) 將燃料電池堆的電壓、電流相乘計(jì)算求出電堆輸出功率后, 以蓄電池充電功率為判據(jù)與電堆理論輸出功率、蓄電池可用功率聯(lián)合運(yùn)算, 得到蓄電池的目標(biāo)輸出功率;

3) 利用蓄電池理論輸出功率與燃料電池堆輸出功率相加作為電機(jī)理論輸出功率, 并與電機(jī)轉(zhuǎn)速相除求得目標(biāo)扭矩;

4) 負(fù)載功率與蓄電池充電功率相減得到燃料電池理論輸出功率, 再與輸出端的母線電壓相除求出DC/DC變換器的理論輸出電流。

在該模型中, 設(shè)定燃料電池最大允許輸出功率為200 kW。

3 仿真結(jié)果與分析

氫氧燃料電池由于使用純氧作為氧化氣體, 因此電堆雙極板、散熱流道以及排水方法均與常用的氫空燃料電池存在較大差異。文中為簡化仿真過程, 僅通過調(diào)整燃料電池模型的氧氣濃度至99.9%以仿真氫氧燃料電池的輸出特性。在以上假設(shè)基礎(chǔ)上, 基于表1和表2的設(shè)定參數(shù)[9], 在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中建立了氫氧燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的仿真模型, 并完成了仿真計(jì)算。

表1 燃料電池堆參數(shù)

表2 蓄電池參數(shù)

燃料電池功率-電壓-電流曲線如圖3所示, 在10 kW、80 kW、230 kW 3種負(fù)載需求條件下, 系統(tǒng)輸出結(jié)果如圖4~圖6所示。

模型中的負(fù)載需求功率曲線如圖4(a)的虛線所示, 而實(shí)際提供給負(fù)載的功率曲線則由圖4(a) 中實(shí)線表示。系統(tǒng)負(fù)載功率依次在0 s、4 s、12 s快速上升, 對(duì)應(yīng)圖4(b)中表示燃料電池輸出功率的曲線也隨之一同上升, 其中虛線表示燃料電池的理論輸出功率, 而實(shí)線表示實(shí)際輸出功率。

觀察圖4(b)燃料電池功率曲線, 可以看到, 在負(fù)載需求功率向10 kW、80 kW、230 kW躍升的過程中, 燃料電池實(shí)際輸出和理論輸出之間存在差值表示需要由蓄電池補(bǔ)充的功率, 即蓄電池理論輸出功率, 數(shù)值曲線如圖4(c)所示, 實(shí)際輸出結(jié)果則如圖5所示。

特別在系統(tǒng)需求功率增大至230 kW時(shí), 由于在模型的能量管理模塊中限定氫氧燃料電池的輸出功率上限為200 kW, 因此燃料電池不足以提供所有的輸出功率, 必須由蓄電池補(bǔ)充穩(wěn)態(tài)條件下的功率差值。

圖7~圖8為DC/DC變換器的輸出曲線, 可以看出, 內(nèi)部PI控制器通過調(diào)節(jié)占空比, 增大輸出端電流的同時(shí)降低輸出電壓, 使母線電壓低于蓄電池自身電壓, 實(shí)現(xiàn)了分配輸出功率的效果。其中, DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換效率隨著輸出功率的增大, 逐步減小, 整個(gè)過程中的最高轉(zhuǎn)換效率為99.5%, 最低轉(zhuǎn)換效率為98.2%, 滿足使用需求。

4 結(jié)束語

文中給出了一種基于判據(jù)的目標(biāo)功率跟隨式能量管理策略, 此方法根據(jù)輸出負(fù)載的功率需求和蓄電池的荷電狀態(tài), 調(diào)節(jié)蓄電池和燃料電池輸出滿足負(fù)載需求。文中的能量管理方法仿真計(jì)算以氫氧燃料電池為對(duì)象展開, 結(jié)果取得了較好的控制效果, 表明此方法能夠?yàn)樗聼o人航行器中的氫氧燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 石英喬, 何彬, 曹桂軍, 等.燃料電池混合動(dòng)力瞬時(shí)優(yōu)化能量管理策略研究[J]. 汽車工程, 2008, 30(1): 30-35.Shi Ying-qiao, He Bin, Cao Gui-jun, et al. A Study on the Energy Management Strategy for Fuel Cell Electric Vehicle Based on Instantaneous Optimization[J]. Automotive Engineering, 2008, 30(1): 30-35.

[2] Jér?me B, Marcel H, Uwe H, et al. Fuel Cell/Battery Passive Hybrid Power Source for Electric Powertrains[J]. Journal of Power Sources, 2011, 196(14): 5867-5872.

[3] Chen Y S, Lin S M, Hong B S. Experimental Study on a Passive Fuel Cell/Battery Hybrid Power System[J]. Energies, 2013, 6(12): 6413-6422.

[4] 李奇, 陳維榮, 劉述奎, 等. 燃料電池混合動(dòng)力車輛多能源管理策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(1): 303-308.Li Qi, Chen Wei-rong, Liu Shu-kui, et al. Energy Management Strategy for Hybrid Vehicle Based on Fuel Cell[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(1): 303-308.

[5] Bassam A M, Phillips A B, Turncork S R, et al. Development of a Multi-scheme Energy Management Strategy for a Hybrid Fuel Cell Driven Passenger Ship[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(1): 623-635.

[6] Jeong K S, Lee W Y, Kim C S. Energy Management Strategies of a Fuel Cell/Batter Hybrid System Using Fuzzy Logics[J]. Power Sources, 2005, 145(2): 319-326.

[7] 歐陽明高, 李建秋, 楊福源, 等. 汽車新型動(dòng)力系統(tǒng): 構(gòu)型、建模與控制[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2008.

[8] Njoya S, Tremblay O, Dessaint L A. A Generic Fuel Cell Model for the Simulation of Fuel Cell Vehicles[C] //Vehicle Power and Propulsion Conference, 2009. VPPC’09. Dearborn, MI, USA: IEEE, 1722-1729.

[9] 王旭峰. 燃料電池混合動(dòng)力機(jī)車建模及能量管理策略研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2009.

(責(zé)任編輯: 許 妍)

Energy Management Strategy Simulation on Underwater Fuel Cell Power System

GAO Hui-zhong, WANG Zhi-jie, YIN Shao-ping, LU Jun, WANG Jun-guang

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Hydrogen-oxygen fuel cell, which can transfer reactants’ chemical energy into electric energy, is a kind of generator with high specific energy and efficiency, and it is very suitable for underwater application. This paper proposes a power-based energy management strategy(EMS) according to the features of a hydrogen-oxygen fuel cell/battery hybrid power system, and builds a model of the hybrid power system with the software Simulink to verify the feasibility of the EMS. Result shows that the EMS can make full use of the battery to complement the fuel cell.

underwater fuel cell; hydrogen-oxygen fuel; hybrid power; energy management

高慧中, 王志杰, 尹韶平, 等. 水下燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略仿真[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(3): 242-246.

TJ630.32; TM911.42

A

2096-3920(2018)03-0242-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.009

2018-03-27;

2018-04-19.

國家自然科學(xué)基金(61403306)、海軍裝備預(yù)研基金、裝備預(yù)研船舶重工聯(lián)合基金資助.

高慧中(1989-), 男, 在讀博士, 工程師, 主要研究方向?yàn)槿剂想姵啬芰靠刂啤⑿盘?hào)處理.