水下燃料電池動力系統能量管理策略仿真

高慧中, 王志杰, 尹韶平, 路 駿, 王俊光

?

水下燃料電池動力系統能量管理策略仿真

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能直接轉化為電能的發電裝置, 具有比能量和效率高等特點, 非常適于水下應用。文中針對水下環境中的氫氧燃料電池-蓄電池混合動力系統特性, 提出了一種功率跟隨式的能量管理策略, 通過建立的動力系統simulink模型, 對能量管理策略的性能進行了驗證。結果表明, 建立的控制策略能夠充分利用蓄電池補充燃料電池不足, 對于燃料電池在水下環境中的應用具有一定參考。

水下燃料電池; 氫氧燃料; 混合動力; 能量管理

0 引言

隨著我國海洋強國戰略的制定和實施, 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能通過電極反應轉換成電能的能量轉換裝置, 其反應過程不涉及燃燒, 從而突破了卡諾循環的限制, 使其效率提高至內燃機的2~3倍, 具備了高比能量、高能量轉換效率、零排放、低噪聲等優點[1], 可為發展遠航程、大航深、高隱身性的閉式循環無人水下航行器提供了動力保障。

面對頻繁變化的外部負載需求時, 僅使用氫氧燃料電池作為輸出能源存在經濟性差、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構關注的焦點[2-3]。這種方式可在彌補系統快速響應方面不足的同時, 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力系統對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化系統性能。目前, 國內外對燃料電池混合動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, 為滿足系統比功率和閉式循環要求, 需使用氫氧作為系統能源, 其工作特性與氫空燃料電池有顯著不同, 對混合系統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力系統為研究對象, 在確立系統結構的基礎上建立基于功率跟隨規則的控制策略, 并融入到Simulink環境下的燃料電池與蓄電池驅動的數學模型中, 最終通過仿真計算驗證了能量管理策略。

1 水下燃料電池動力系統構型

1.1 燃料電池動力系統結構

傳統的熱動力無人水下航行器利用燃氣推動活塞, 通過傳動軸將機械功率傳遞至推進裝置, 完成對外做功。燃料電池系統則是與蓄電池并連在系統動力電壓母線上, 利用電能驅動電機工作。也正是基于這樣的原理, 燃料電池動力系統工作中的能量管理本質是通過控制母線上的電壓或者電流來實現的。

目前燃料電池混合動力系統有多種不同拓撲結構[7], 但在不同的應用環境中其系統效率和功率承載能力有所不同。文中動力模型使用了間接連接的拓撲結構, 如圖1所示, 利用單向DC/DC變換器調節燃料電池輸出后再與蓄電池并聯, 保證了燃料電池工況的穩態變化盡管直接將Buck-Boost變換器與燃料電池相連會引起輸出電流產生紋波, 但間接連接可使系統持續工作在最大效率點, 以緩解燃料電池的性能惡化[8]。同時, 僅使用一個DC/DC變換器既有效調控了系統能量, 又減少了無功功率的消耗, 實現了可控性、工作效率與經濟性之間的有效平衡。

1.2 系統動力組成

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力系統的核心部件, 是為負載提供能量的主要能量形式。系統在工作過程,氫氣、氧氣經由電堆陽極、陰極進入進行反應, 電堆開路電壓

式中:n表示電堆中的電池個數;v表示單個電池的平均電壓, 特別在滿足常規假設條件下, 燃料電池的單體開路電壓可使用Nernst方程計算得到

1.2.2 蓄電池

蓄電池快速充、放電的特點能夠與燃料電池較好地互為補充, 有效提高燃料電池壽命的同時, 也為改善系統動態性能提供了解決方案。根據理論分析可知, 蓄電池等效電路模型可簡化為電容與內阻構成的電路。

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

2 能量管理策略

在混合動力系統中, 燃料電池作為主要的能源形式負責輸出主要的功率驅動航行器對外做功, 而蓄電池作為補充完成啟動系統、補充瞬時功率、回收能量等功能。能量管理的目的是在滿足負載功率需求的前提下, 對系統中的燃料電池與蓄電池輸出進行合理分配, 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負載需求功率為目標量, 將燃料電池堆作為主要供能單位向電機提供電能。當需求功率大于燃料電池的限定功率時, 燃料電池與蓄電池同時向外供能; 當需求功率小于燃料電池的限定功率時, 則只由燃料電池向外供能, 特別在蓄電池荷電狀態小于下限時向蓄電池充電; 在系統連續調節過程中, 當變化功率大于燃料電池預設變化量時, 由蓄電池作為短時補充滿足動態需求, 判斷流程如圖2所示。

具體調節過程可描述如下:

1) 利用蓄電池實測電壓與額定電壓、額定功率進行計算, 計算得到目前蓄電池可對外供應的最大功率; 監測蓄電池的荷電狀態, 當蓄電池荷電狀態小于35%時, 系統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、電流相乘計算求出電堆輸出功率后, 以蓄電池充電功率為判據與電堆理論輸出功率、蓄電池可用功率聯合運算, 得到蓄電池的目標輸出功率;

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理論輸出功率, 并與電機轉速相除求得目標扭矩;

4) 負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, 設定燃料電池最大允許輸出功率為200 kW。

3 仿真結果與分析

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。在以上假設基礎上, 基于表1和表2的設定參數[9], 在Matlab/Simulink仿真環境中建立了氫氧燃料電池混合動力系統的仿真模型, 并完成了仿真計算。

表1 燃料電池堆參數

表2 蓄電池參數

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種負載需求條件下, 系統輸出結果如圖4~圖6所示。

模型中的負載需求功率曲線如圖4(a)的虛線所示, 而實際提供給負載的功率曲線則由圖4(a) 中實線表示。系統負載功率依次在0 s、4 s、12 s快速上升, 對應圖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, 而實線表示實際輸出功率。

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

特別在系統需求功率增大至230 kW時, 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, 必須由蓄電池補充穩態條件下的功率差值。

圖7~圖8為DC/DC變換器的輸出曲線, 可以看出, 內部PI控制器通過調節占空比, 增大輸出端電流的同時降低輸出電壓, 使母線電壓低于蓄電池自身電壓, 實現了分配輸出功率的效果。其中, DC/DC變換器的轉換效率隨著輸出功率的增大, 逐步減小, 整個過程中的最高轉換效率為99.5%, 最低轉換效率為98.2%, 滿足使用需求。

4 結束語

文中給出了一種基于判據的目標功率跟隨式能量管理策略, 此方法根據輸出負載的功率需求和蓄電池的荷電狀態, 調節蓄電池和燃料電池輸出滿足負載需求。文中的能量管理方法仿真計算以氫氧燃料電池為對象展開, 結果取得了較好的控制效果, 表明此方法能夠為水下無人航行器中的氫氧燃料電池動力系統的設計提供參考。

[1] 石英喬, 何彬, 曹桂軍, 等.燃料電池混合動力瞬時優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. 燃料電池混合動力車輛多能源管理策略[J]. 電工技術學報, 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. 汽車新型動力系統: 構型、建模與控制[M]. 北京: 清華大學出版社, 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. 燃料電池混合動力機車建模及能量管理策略研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2009.

(責任編輯: 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. 水下燃料電池動力系統能量管理策略仿真[J]. 水下無人系統學報, 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.

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

高慧中(1989-), 男, 在讀博士, 工程師, 主要研究方向為燃料電池能量控制、信號處理.