基于MATLAB平臺的燃料電池系統建模及外特性仿真

陳新傳，宋 強，黃 榮

（海軍裝備研究院，北京100161）

基于MATLAB平臺的燃料電池系統建模及外特性仿真

陳新傳，宋 強，黃 榮

（海軍裝備研究院，北京100161）

本文建立了燃料電池系統的數學模型，采用MATLAB/SIMULINK平臺建立了燃料電池系統及動力系統的仿真模型；通過仿真計算，研究了燃料電池系統與動力系統之間的關系。結果表明，仿真模型具有良好的匹配性及適用性，該研究方法可以應用于燃料電池及動力系統的特性仿真、優化設計和控制系統的研究。

建模 仿真 MATLAB 燃料電池 動力系統

0 引言

燃料電池作為一種新型發電裝置，與現在廣泛使用的熱機（燃氣輪機、內燃機等）及其它發電方式相比，具有如下特點［1］：1）效率高；2）污染低；3）噪聲低；4）使用范圍廣。質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有功率密度高、壽命長、運行可靠、環境友好等特性，并且啟動迅速、達到滿載時間短，是較為理想的新型動力源。

不依賴空氣動力（AIP）潛艇是當今世界常規潛艇發展的主流方向，世界許多國家正在積極開發及研制燃料電池AIP潛艇，而燃料電池同動力系統之間的性能匹配是關鍵。本文將燃料電池與主電機、蓄電池組等全艇動力系統結合起來，建立燃料電池及潛艇動力系統數學模型，進行理論計算和仿真研究，并研究燃料電池系統在典型工況下的使用方法。

1 燃料電池動力系統組成

通常燃料電池動力系統由以下幾部分組成：直流推進電機，柴油發電機組，蓄電池組，燃料電池AIP系統，直流電網，螺旋槳及船體等。

假設在國外某典型柴電常規潛艇動力系統配置的基礎上，加裝燃料電池AIP系統。圖1所示為國際上典型的燃料電池AIP系統框圖。

2數學模型的建立

2.1燃料電池電堆的數學模型

燃料電池電堆本體采用了在電化學基礎之上的經驗模型［2-3］，單電池的電壓與陽極氫氣壓力、陰極氧氣壓力、電池溫度以及電流密度等因素有關。

式中，PH2表示陽極氫氣壓力（atm），PO2表示陰極氫氣壓力（atm），T表示燃料電池的溫度（K），j表示電流密度，X表示其它可能相關的系數。

為了簡化計算，本文燃料電池電堆使用的數學模型是由曲線擬合得到的經典經驗模型［4］，假設單電池電壓是由以下幾種電動勢共同構成的。

ε1，ε2，ε3，ε4均為經驗系數，可由試驗數據擬合得出。為最大電流密度，文中取1.5 A·cm-2。

Vst為燃料電池電堆的總電壓（V），N為燃料電池電堆內的電池個數。

2.2直流推進電機的數學模型

常規潛艇的直流推進電機一般為雙繞組直流幅壓電動機。根據使用工況的不同，可以由燃料電池單獨供電，或者由燃料電池與蓄電池聯合供電，國際上一般采用后者。根據電磁定律，直流推進電機的數學模型［5］，如下所示。

其中：

其中：

式中：E為鉛酸蓄電池電壓（V），Ra為電樞繞組的電阻（R），La為電樞繞組的電感（mH），J為電機的轉動慣量（kg·m2），Cm、Ce為電機的電磁轉矩系數和電勢系數，φ為推進電機磁通（Wb），Mp為螺旋槳扭矩（N·m），MR、MFe、Mf、MZ、Md分別為機械損耗、鐵耗、電機損耗、電刷摩擦損耗和附加損耗的等效力矩（N·m），QRH、QFeH、QZH分別為額定工況下的機械損耗、鐵耗、電刷摩擦損耗。

3 仿真模型的建立

根據燃料電池數學模型，采用MATLAB/SIMULINK建立燃料電池電化學仿真模型，如圖2所示。

根據直流推進電機的數學模型［5］，建立直流推進電機的仿真模型，如圖3所示。

關于螺旋槳與艇體等推進負載模型，由于螺旋漿的機理模型、艇體的三維運動模型非常復雜，因此從螺旋槳的推進理論著手，在船模實驗結果的基礎上，采用螺旋槳阻力特性曲線以及敞水特性曲線來建立相應的水動力模型［6］，從而得到燃料電池動力系統推進負載的仿真模型，如圖4示。

4 仿真結果及分析

4.1 經濟航行工況穩態仿真

國外燃料電池 AIP概念的提出是為了降低噪聲、提高續航力，潛艇執行遠航任務大部分時間潛伏在水下，使用4節左右經濟航速航行。潛艇4節經濟航行工況穩態仿真結果如表所示。

國外某典型柴電常規潛艇水下經航工況的穩態仿真結果表明：1）全艇用電設備的功率并不大，燃料電池可單獨供電，蓄電池處于浮充狀態；2）燃料電池AIP系統比熱氣機AIP系統更具有優越性，使用燃料電池50%額定功率的時候，效率可高達61.2%；3）采用燃料電池AIP的潛艇水下續航力將大幅提高，軍事效益十分顯著。因此，國外專家大都認為燃料電池AIP是常規潛艇較理想的動力方案。

4.2 主電機經濟航行向前進一轉換的動態仿真

燃料電池系統供電，潛艇在經濟航行和主電機航行之間的轉換科目操縱時，艇體狀態難以預測，此時動力系統能否保持正常運行非常重要。因此有必要對常規潛艇經航向主電機前進一轉換的過程燃料電池性能進行仿真分析，動態仿真結果如下。

5 結論

本文分析了燃料電池動力系統的構成，建立了燃料電池動力系統、直流推進電機、推進負載等數學模型和仿真模型，對燃料電池供電航行的典型工況進行了穩態和動態仿真。結果表明，國外某典型柴電常規潛艇加裝燃料電池動力系統能夠滿足水下典型工況的需求，將顯著提高潛艇水下經航續航力，并可提高常規潛艇的水下機動作戰能力，軍事價值十分顯著。因此，燃料電池AIP是常規潛艇較理想的動力方案，是未來常規潛艇AIP技術的發展方向。

［1]肖鋼.燃料電池技術［M］.電子工業出版社，2009.

［2]Kordesc K V， Oliveira J C T. Fuel cells， Ulmann's encyclopedia of industrial chemistry ［M］. Fifth edition. Germany: VCH， Weiheim， 1996， A12: 55.

［3]X. Xue， J. Tang， A. Smirnova， R. England， Nigel Sammes.System level lumped-parameter dynamic modeling of PEM fuel cell［J］.Journal of Power Sources， 2004，（133）:188-204.

［4]續智丹，黃海燕.質子交換膜燃料電池的半經驗模型［J］. 機械工程學報，2007，43（10）:126-131.

［5]馬守軍，陳新傳等.某潛艇×××分系統仿真研究（國防科技報告）.

［6]陳新傳，馬守軍等.國外某潛艇動力系統仿真研究（國防科技報告）.

Modeling and Feature Simulation of Fuel Cell System with MATLAB Software

Chen Xinchuan， Song Qiang， Huang Rong
（Naval Academy of Armament， Beijing 100161， China）

This article establishes a model of oxyhydrogen fuel cells system and analyzes the relationships between the fuel cells system and the power system on the platform of MATLAB/SIMULINK. The simulation results show that the model can fit with the power system. The model can be applied to study feature simulation， optimal design and control of fuel cell system.

modeling； simulation； MATLAB； fuel cell； power system

TM911

A

1003-4862（2016）07-0077-04

2016-05-17

陳新傳（1967-），男，高級工程師，碩士研究生導師。研究方向：潛艇動力系統及技術。