燃料電池鋰電池混合動力船舶建模與仿真

趙福海，王錫淮

燃料電池鋰電池混合動力船舶建模與仿真

趙福海，王錫淮

（上海海事大學物流工程學院，上海 201406）

全電動綠色船舶除了使用電力，還越來越多地采用替代能源，如燃料電池、太陽能電池等。本文建立船舶混合動力推進系統，采用燃料電池和鋰電池并聯作為混合動力。在功率不足時，鋰電池提供額外的功率以滿足負載需求。為了模型比較貼合實際，使用真實數據對混合動力系統的子部件進行建模，生成Simulink模型并進行仿真。

綠色船舶 混合動力 燃料電池 Simulink模型

0 引言

目前，多數航運船舶采用的是柴油機作為動力源。柴油機的使用技術成熟，推進功率高，但卻很難滿足污染物排放的標準，全球各種反污染公約一直要求著船舶航運業的轉變。推出可以真正替代柴油機的動力源刻不容緩。

隨著替代能源領域研究的深入，全電動綠色船舶近年來發展迅速，世界各國都在加強對綠色船舶的研究，因為它提供了一個很好的平臺，以使用清潔能源來替代傳統化石能源，為減少溫室氣體的排放提供了一個十分有效的途徑[1]。

燃料電池有著綠色、高環保、高效率、低噪音、經濟性方面的優勢，隨著相關技術的進步，其功率水平已經可以滿足船舶電力推進系統[2]。但它們的響應速度還不足以滿足海上船舶可能發生的負載的瞬間變化[3]。因此，需要聯合高密度的可再充電電池存儲系統，以滿足船舶瞬態控制。

在此提出由1 MW永磁同步電動機、同步電機控制系統、三相電壓源逆變器、功率480 kW燃料電池堆和容量144 kWh鋰離子電池組組成的全電動船舶簡化傳動系統模型，并在simulink中對其進行建模。其中，永磁同步電機、燃料電池、鋰離子電池組是根據真實數據進行建模。圖1顯示了簡化的傳動系統原理圖。

1 燃料電池建模

圖2為燃料電池原理圖。氫氣被送入后，在陽極發生化學反應變成氫離子，生成電子。正離子通過電解液，與陰極的氧氣發生化學反應作用，產生熱量和水[4]。作為該技術的優勢，可將燃料電池用于動力推進。

圖1 簡化的電動船舶傳動系統原理圖

為了建立適合船舶運行仿真所需的系統動態模型，以120 kW級的PEMFC為原始模型，PEMFC的參數見表1。

表1 燃料電池規格圖

燃料電池的輸出電壓為：

其中，E為開路電壓；V為激活電壓降，是由于在電極表面發生的化學反應比較緩慢而引起的，其值與溫度、操作壓力，電極類型和所用催化劑有關；V表示由于燃料電池堆的內阻引起的電阻損耗。

燃料電池輸出電壓由式(2)決定：

其中，A為塔菲爾斜率；ifc為堆棧電流，單位A；N為電池單元數量；i0為交換電流，單位Ａ；Kc是電壓常數；Vc為使用燃料時反應物濃度變化引起的電壓傳遞損失，單位V；En是能斯托電壓，單位V；td為堆棧響應時間，單位秒；Rohm為堆棧內阻，單位Ω。

氫氣和空氣的消耗量分別為：

其中，M2為氫氣相對分子質量；y為空氣中氧氣的比率。

可通過公式（4）計算PEMFC輸出功率和效率：

PEMFC特性曲線如圖3所示。

2 鋰離子電池建模

鋰離子電池的應用已久，相關領域的研究已經非常深入，使得鋰離子電池技術已經是一個非常成熟的技術。將鋰離子電池作為船舶的輔助能源，和燃料電池配合可以滿足瞬態變化的負載需求[5]。鋰離子電池有非線性的特點，對于鋰離子電池可以采用多種建模方式，比如電化學模型、等效電路模型和數學模型。其中等效電路模型，又分成內阻模型，非線性模型等。在此，采用內阻模型建模，由歐姆定律可得：

其中，為開路電壓，為鋰電池電勢，為鋰電池內阻，為鋰離子電池電流。

為了建立與實際航行需求符合的模型，使用根據CalbCAM72真實數據建模的144kWh鋰離子電池。鋰離子電池規格如表2所示。

對鋰離子電池進行測試，鋰電池的放電特性如圖4所示。

表2 鋰電池規格

圖4 鋰電池放電特性曲線

3 電機建模

永磁同步電機的工作原理與傳統直流電動機相似，換相是基于永磁轉子的位置而不是刷子。與其他電機類型相比，永磁同步電機效率高，動態響應快，輸出功率與尺寸比高，轉速范圍寬，轉矩恒定，維護要求低，運行噪音小，運行速度快等優點[6]。

三相永磁同步電機有多種數學模型。自然坐標系下，其數學模型是一個復雜且有著強耦合性的多變量系統[7]。為了易于其控制系統的設計，從而實現對原數學模型降階和解耦，選擇在d-q坐標系進行建模。

在同步旋轉坐標系下，即d-q坐標系中，定子電壓方程可以表示成：

其中，uu分別為d-q軸定子電壓分量；是定子的電阻；ψψ分別為定子磁鏈的d-q軸分量；ω是電角速度。

定子磁鏈方程可以表示成:

其中，i、i分別是定子電流的軸分量；L、L分別是電感的分量；ψ為永磁體磁鏈。

結合式(6)與式(7)，可得到定子的電壓方程為：

此時的電磁轉矩方程可以寫成：

為了仿真船舶的可靠性，根據Marelli電機[8]的MJB0500MB8永磁同步電動機的實測數據，建立電機模型。電機的規格如表4所示。

表4 電機模型規格

4 電機矢量控制

矢量控制技術以坐標變換為基礎，可以實現對直軸和交軸分量的解耦，而進一步實現磁場和轉矩的解耦，從而使交流電機可以產生類似直流電機的控制性能[9]。

滯環電流控制的控制思想，是將電流參考信號和逆變器真實輸出的電流信號進行比較，如果實際值小于給定值，則逆變器的開關狀態發生變化，電流變大；如果大于給定值，就使之減小[10]。這樣，實際電流在給定電流波形上下，作鋸齒狀波動，使得偏差保持在可控的范圍內。控制器包括一個轉速控制環和一個滯環控制的電流閉環，不僅可以起到加快動態調節的作用，還同時可以抑制環內擾動，對電機參數的依賴性小，并且有著控制簡單穩定性好的優點。

采用使用如圖5所示的控制結構，給定參考轉速，給PI設置合適的參數，從而可以達到比較穩定的控制。

圖5 三相PMSM的滯環電流控制框圖

5 試驗仿真

在matlab/simulink中搭建仿真模型，4個120 kW燃料電池以2S2P結構連接與144 kWh鋰電池組并聯。永磁同步電機的轉速恒定在1000 rpm，負載發生動態變化，反映海洋狀況。圖6所示為電機的轉速和轉矩曲線。

直流母線電壓、電池電流和燃料電池電流波形如圖7所示。直流母線電壓跟隨負載扭矩變化。在負載增大時，電壓降低，最大直流母線電壓降恰好發生在最大要求負載轉矩上，需求功率在0.65 MW左右。燃料電池為基礎負載提供相對恒定的電流，波動范圍在60 A左右。鋰離子電池組在瞬態負載情況下供應電流，電池的電流波動在400 A左右。可以看出，電池組主要是在瞬時功率大時，提供額外的功率，啟動時電池組電流小于0。當功率的需求增大時，逐漸提供功率。= 0.84 s后為負值，此時燃料電池電壓高于電池組電壓，為電池組充電。

圖6 PMSM的轉速和轉矩特性

圖7 直流母線電壓燃料電池電流鋰電池電流

圖8 單個燃料電池堆棧特性

圖8顯示了單個燃料電池堆棧的工作特性。從圖中可以看出，空氣流量和燃料流量會根據負載情況動態變化，以提供所需的電力。氫氣和氧氣消耗在峰值負載扭矩時最大。

[1] K. Manickavasagam, N. K. Thotakanama and V. Puttaraj, "Intelligent energy management system for renewable energy driven ship[J], IET Electrical Systems in Transportation, 2019，9(1): 24-44.

[2] S. V. M. Guaitolini, I. Yahyaoui, J. F. Fardin, L. F. Encarna??o and F. Tadeo, A review of fuel cell and energy cogeneration technologies[C], 2018 9th International Renewable Energy Congress (IREC), Hammamet, 2018: 1-6.

[3] 李浩, 詹佳, 屠偉. 船舶燃料電池與蓄電池混合系統的輸出性能[J]. 船舶工程, 2018, 40(08): 106-111.

[4] 楊繼斌, 宋鵬云, 張繼業, 陳彥秋, 王國梁. 燃料電池混合動力列車建模與運行控制研究[J]. 鐵道學報, 2017, 49(09): 40-47.

[5] A. Tashakori Abkenar, A. Nazari, S. D. G. Jayasinghe, A. Kapoor and M. Negnevitsky, Fuel Cell Power Management Using Genetic Expression Programming in All-Electric Ships[J], IEEE Transactions on Energy Conversion, 2017,42(2): 779-787.

[6] 吳定會, 楊德亮, 陳錦寶. 基于滑模觀測器的永磁同步電機矢量控制[J]. 系統仿真學報, 2018, 40(11): 4256-4267.

[7] 任志玲, 張鐘保, 侯利民, 張廣全, 林冬, 趙星. 基于IMC觀測器的永磁同步電機預測控制[J]. 系統仿真學報, 2019, 41(01): 94-101.

[8] FKI Energy Technology, Data Sheets Three phase Synchronous MarelliGenerators(160-640 Frame Sizes). Nov. 2005. [Online]. Available: http: //www. powertechengines.com/MarelliData/Data

[9] 張一馳. 基于矢量控制技術的艦船電力推進系統電機建模與仿真[J]. 艦船科學技術, 2019, 41(02): 109-111.

[10] 廖金國, 花為, 程明, 朱發旺, 王寶安. 一種永磁同步電機變占空比電流滯環控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2015, 45(18): 4762-4770.

Modeling and Simulation of Hybrid Ship Using Fuel Cell and Lithium Battery

Zhao Fuhai, Wang Xihuai

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 204406, China)

U662.3 TP391.1

A

1003-4862（2019）10-0033-04

2019-04-17

趙福海（1994-），男，碩士研究生。研究方向：電力系統智能算法。E-mail：1137225456@qq.com