船舶燃料電池混合動力系統的研究現狀及進展

徐菱翌，萇國強，李世安，楊國剛，沈秋婉，廖加棟

(1.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026；2.大連宇科創新科技有限公司，遼寧 大連 116026)

0 引 言

2020 年8 月4 日，國際海事組織（IMO）發布了第四次溫室氣體研究（GHG4）報告，指出2012-2018 年全球的海運碳強度下降約11%，但溫室氣體的年排放量為10.76 億噸，依然處于上漲趨勢，預計到2050 年二氧化碳排放量將比2018 年上漲50%，比2008 年增長1 倍左右。每年全球船舶運輸產生的硫氧化物和氮氧化物占人類總污染源的10% 和15%。為了減少溫室氣體排放，清潔能源逐漸成為船舶領域研究以及應用的熱點，隨著燃料電池在船舶領域迅速發展，全電力船舶也成為研究的熱點方向。燃料電池由于具備污染小、噪聲低、比能量高等優點被認為是最有前景的清潔能源之一。燃料電池目前有多種分類方式，按照燃料反應機理及類型的分類可分為：碳型、氫型、氮型以及有機物型燃料電池等；按照電解質的分類可分為：磷酸型、堿性、固體氧化物、熔融碳酸鹽以及質子交換膜燃料電池。質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cells,PEMFCs）具備工作溫度低、效率高、啟動時間快等優點，因此成為目前應用相對廣泛的燃料電池之一。

然而燃料電池具有動態特性差的問題，系統的快速變化會嚴重影響燃料電池的使用壽命，導致燃料電池的質量受損。為了保證燃料電池能夠穩定工作，需要設計混合動力系統。混合動力系統是將幾種能源結合，組成利用電力為船舶提供動力的系統結構。作為燃料電池船舶的核心，混合動力系統的控制策略也是研究的熱點問題。本文綜述船舶燃料電池混合動力系統，對混合動力系統的拓撲結構和控制策略進行總結和分析，最后闡述了動力系統未來的發展趨勢。

1 混合動力系統的能源

1.1 能源的選擇

近年來，船舶清潔能源的混合動力系統在研究過程中不斷地發展，由最初的柴油和電池混合動力系統，逐漸與清潔能源結合，目前已經發展為全電力混合動力系統。起初采用油電混合方式，Hajizadeh等選擇自主混合柴油發電機與燃料電池的船舶，研究電力系統功率控制，提出的策略可以維持電壓穩定，并保持系統穩定性。Lan 和Wen等對船舶太陽能、柴油和電池的混合動力系統進行研究，提出不同的算法，尋找最佳尺寸和最優配置。而后逐漸發展為全電力船舶。Han等研究了燃料電池和蓄電池的混合動力系統，提出了具有更高效率的管理系統。Zhu等設計增加超級電容的基于模糊邏輯的混合動力控制策略，優化了系統性能、經濟性和效率以及 Mutarra等研究太陽能、風能和燃料電池的動力系統，設計基于比例積分器的控制策略，所提出的混合模型有助于極大減小電壓波動。當前采用燃料電池、超級電容、蓄電池以及太陽能、風能等清潔能源進行混合，形成船舶動力系統，以此來降低溫室氣體的排放，并達到節約能源的目的。伴隨新能源的發展，風能、太陽能以及燃料電池等清潔能源應用在船舶領域的能源逐漸增多。

1.2 蓄電池組的選擇

現階段燃料電池的動力系統必須與蓄電池組混合使用。蓄電池組的作用是在船舶啟動、急轉彎、急加速等單獨使用燃料電池無法滿足推進功率時，釋放電能，提高混合動力系統的響應速度，使燃料電池處于穩定狀態。應用在船舶混合動力系統中的蓄電池組需要具備無需維護、比能量高、使用壽命長、污染小以及回收處理簡單等優點，表1比較了4 種常見的蓄電池性能，可以看出鋰離子電池的能量密度最高、壽命最長，更符合蓄電池性能要求，所以目前選用鋰離子電池作為混合動力系統的蓄電池組較為常見。

表1 四種蓄電池性能比較Tab.1 Comparison of the performance of four types of batteries

2 燃料電池船混合動力系統的拓撲結構

為了解決燃料電池動態特性差的問題，近年來對此做出很多研究，較為常見的是選用具有穩定性能的鋰電池和功率密度大的超級電容，用來承擔系統動態變化時的需求。在多種能源供電時，連接結構會影響其性能效果。以燃料電池、蓄電池組和超級電容這一能源組合形成的混合動力系統為例，有3 種形式的拓撲結構。

2.1 被動式拓撲結構

被動式拓撲結構是將蓄電池組與超級電容直接并聯到母線上，這一結構不需要設計能量管理策略，當混合動力系統產生動態變化時，蓄電池組的內阻與超級電容的內阻對功率進行分配，結構圖如圖1 所示。這種拓撲結構組成簡單，但是功率分配與蓄電池組和超級電容的自身特性相關，且超級電容受限于蓄電池，這種連接方式會降低超級電容的利用率。

圖1 被動式拓撲結構圖Fig.1 Passive topology diagram

2.2 主動式拓撲結構

主動式拓撲結構是將超級電容與蓄電池分別經過DC/DC 變換器后再并聯到母線上，通過DC/DC 變換器來控制蓄電池和超級電容的輸出功率，結構圖如圖2 所示。這種結構可以解決混合動力系統動態變化和控制的問題，但是使用了2 個DC/DC 變換器，此拓撲結構存在能量控制的算法復雜、系統的成本過高等問題。

圖2 主動式拓撲結構圖Fig.2 Active topology diagram

2.3 半主動式拓撲結構

半主動式拓撲結構有2 種形式，一種形式是將超級電容與DC/DC 變換器連接，再與蓄電池并聯到母線上，結構如圖3（a）所示。通過DC/DC 變換器對超級電容進行升壓，達到提高其利用率的目的，而且雙向變換器還可以改變系統的幅頻特性，提高負載的響應能力。雖然這種結構組成對DC/DC 變換器的控制算法要求較高，但目前使用的混合動力系統結構多為此拓撲結構。另一種形式是將蓄電池與DC/DC 變換器連接，再與超級電容并聯到母線上，結構如圖3（b）所示。這種結構組成雖然對DC/DC 變換器的控制算法要求比較低，但是將超級電容直接與母線相連，降低了超級電容的使用效率。

圖3 半主動式拓撲結構圖Fig.3 Semi-active topology diagram

除此之外，還有多種混合動力系統結構。如按照連接方式分為：串聯式結構、并聯式結構和混聯式結構3 種結構；按照推進模式分為：純燃料電池推進、燃料電池和蓄電池并聯推進以及純柴油發電機組應急推進3 種推進模式等結構。根據組成及需求不同，混合動力系統的結構組成也不相同。

3 混合動力系統的控制策略

混合動力系統是燃料電池船舶的核心部分，對于這一核心而言，混合動力系統的控制策略逐漸成為研究混合動力系統的關鍵。設計混合動力系統控制策略的目的是合理分配燃料電池、蓄電池組等幾種能源的能量，從而延長燃料電池的使用壽命，提高動力系統的效率等。總體來說，目前混合動力系統控制策略基本可以分為2 類：一類是基于規則的混合動力系統控制策略；另一類是基于優化智能算法的混合動力系統控制策略。

3.1 基于規則的混合動力系統控制策略

基于規則的混合動力系統控制策略是通過預先設定的系統控制規則，根據各個組成部分的工作狀態來控制混合動力系統的控制方式。

Park等是較早的對太陽能、柴油組合形成的混合動力系統，提出混合發電系統運行控制方案。Feroldi等將風能、太陽能和燃料電池組合，以風能為主要能源，太陽能為補充能源，選用鎳氫電池，采用基于狀態機的控制策略：在狀態機中，變化條件為真時，系統從其中一種狀態轉換到另一種狀態，用狀態機來形式化管理動力系統。魏巖等提出采用雙向DC/DC 變換器模糊PID 控制策略，設計關于模糊控制器的和d/d兩個輸入量的模糊規則，并確定隸屬度函數，單模糊PID 控制器用來使雙向DC/DC 變換器輸出穩定，從而獲取較好的動態響應，并驗證模糊PID 控制器相比于經典的PID 控制器具有了良好抗干擾性能。Abeywardana等將電池與超級電容組合，采用低通濾波器分頻并使用規則的控制策略。韓北川將燃料電池、超級電容以及蓄電池組合，采用基于模糊邏輯的控制策略，用模糊邏輯控制器、隸屬度函數以及根據功率設定的規則對能量進行分配和管理。

基于規則的控制策略是根據人們常年的經驗累積而制定的規則來設計的控制策略，表2 基于以上提及的控制策略進行了總結和比較，分析了此類控制策略的優缺點。

表2 基于規則的混合動力系統控制策略比較Tab.2 Comparison of rule-based control strategies for hybrid power systems

3.2 基于優化智能算法的混合動力系統控制策略

基于優化智能算法的混合動力系統控制策略是通過機器學習、遺傳算法等優化算法對混合動力系統建立的控制方法。

Song等組合電池/超級電容2 種能源，采用動態規劃找到最優解的控制策略，對能源進行分配。Babaei等描述了一種基于混合自動機的方法，用于開發中壓直流船舶電力系統（Shipboard power system,SPS）模型。Ghenai等利用太陽能、燃料電池和柴油，采用最優化的控制策略，根據負載跟蹤或循環充電的方式進行控制。Mohammd等利用風能、太陽能、潮汐能以及蓄電池，采用遺傳算法的控制策略，降低混合動力系統的總成本。Jaurola等提出一種新的能源管理優化方法，使用作者正在開發的優化工具ToPTI，能自動形成優化問題，使燃料消耗最小化。Vafamand等利用燃料電池和柴油發電機，設計基于改進黑洞算法的模型預測控制策略，黑洞算法是用來調整預測中的未知變量來實現預測控制。Chen等針對大量的磷酸亞鐵鋰電池的實驗數據預測電池的性能和壽命，建立了鋰離子電池性能退化模型，實現對磷酸亞鐵鋰電池的性能優化。Zhang等提出一種考慮效率和耐久性的實時優化控制策略，針對燃料電池的壽命做出優化。

表3 對提及的各種基于優化智能算法的混合動力系統控制策略進行總結和比較，分析其各自的優缺點。

表3 基于優化智能算法的混合動力系統控制策略比較Tab.3 Comparison of hybrid powertrain control strategies based on optimized intelligent algorithms

4 混合動力系統分析

4.1 混合動力系統能源

多種新能源的發展帶動船舶行業的轉型，風能在當今社會的利用已經相對成熟，配套的設施已經十分完善，但是風能存在地域局限性、間歇性等目前無法徹底消除的缺點，在船舶上偏重于作為輔助動力；太陽能技術現如今的應用也十分廣泛，但其存在所需空間過大的問題，也無法作為傳播的主動力源；氫能在近2 年的在交通行業的快速發展，燃料電池在船舶領域的應用逐漸成為熱點，隨著我國第一艘燃料電池游艇的研發成功，未來燃料電池船舶會有更進一步的發展。

4.2 混合動力系統控制策略比較

混合動力系統的兩類控制策略都有其優勢與弊端，基于規則的混合動力系統控制策略的優點是相對簡單，容易投入到生產實踐中，且不需要對控制的對象建立完整的數學模型；缺點是在混合動力系統的狀態發生變化時不能夠及時做出反應，制定的規則不完全確定，且沒有科學依據，是根據人們的經驗來制定的，容易出現偏差。基于優化智能算法的混合動力系統控制策略優點是能夠顯著提高混合動力系統的性能水平，有確切的根據，可靠性高，系統產生動態變化的適應能力強；缺點是復雜度相對比較高，相對基于規則的控制策略而言實現比較困難，難以投入到生產實踐中。

4.3 混合動力系統發展趨勢

從混合動力系統的應用現狀來看，混合動力系統目前應用較多的是燃料電池、鋰電池組以及超級電容的半主動式結構，這種結構優勢明顯，極大提高混合動力系統中各個能源的利用率，并在未來增加多種新能源的結構中仍會占有主導地位。太陽能、風能以及潮汐能等新能源在船舶上的應用還處于研究階段，在應用上還受到很大限制，太陽能是目前實驗中較多結合應用的新能源，但太陽能目前還存在如使用體積過大等很多問題，相信隨著太陽能的研究新能源在船舶領域的應用會取得突破性進展；蓄電池需要岸電的支撐，使用過程中大部分時間通過岸電進行充電或利用燃料電池對其充電，不僅消耗能源還增加碳排放，未來可通過新能源的加入對其充電，減少岸電的使用，實現能源的節約。目前應用較多的兩類控制策略具有其優缺點，伴隨近年來人工智能算法的廣泛研究，基于優化智能算法的控制策略有明顯的優勢，更多的學者對此控制策略進行研究，但這種控制策略難以投入生產實踐中，已經有學者在使用基于規則的控制策略上增加優化算法，但仍存在前面提到的問題，此部分控制策略技術需進一步改進，未來綜合考慮多因素、多控制策略的能量管理策略是未來能量管理策略的發展趨勢，發揮兩種控制策略的優勢，將二者更好地結合起來。

5 結 語

多種新能源的發展會帶動船舶燃料電池混合動力系統不斷發展，尤其是風能、太陽能。混合動力系統將燃料電池與新能源更加廣泛的應用到船舶領域，更好地彌補燃料電池的動態特性問題，延長燃料電池的使用壽命，目前相對成熟的燃料電池、鋰電池組以及超級電容的能源選擇以及應用較多的半主動式結構，仍是未來燃料電池在船舶領域使用的主要形式。基于規則以及基于優化智能算法的控制策略各有其優缺點，基于優化智能算法的控制策略在系統的準確性、動態特性以及性能水平等方面的優化效果更好，在將來有望成為混合動力系統控制策略的主流技術。現階段船舶混合動力系統正處于初步發展階段，盡管相關技術的不斷完善、算法的不斷改進以及能量管理策略的準確度和適應性有所提高，未來仍需要對能量管理策略加以改進，需要著力系統結構、系統控制策略的新型設計。