船用燃料電池發電系統能量管理動態仿真研究

王 穎，王澤文，聶 巍

應用研究

船用燃料電池發電系統能量管理動態仿真研究

王 穎1, 2，王澤文1, 2，聶 巍1, 2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢市氫燃料電池工程技術研究中心，武漢 430064)

燃料電池不可直接應用于船舶供能，需要一套輔助系統用于啟動和瞬態調控。本文研究一種采用“FC+B”結構的燃料電池雙堆能量管理仿真系統，并在MATLAB/SIMULINK搭建仿真平臺。仿真結果表明，該能量管理系統具有動態響應速度快，穩態輸出性能優良的特點。對船舶燃料電池的產業化具有一定的參考價值。

燃料電池 能量管理 仿真 MATLAB 動態響應

0 引言

燃料電池作為一種清潔、高效的綠色能源，已經成為新能源產業發展的一個熱門方向。傳統船舶動力系統功率大、效率低、成本高、噪音大、排放大量污染廢氣以及溫室氣體。采用燃料電池堆作為船舶動力，可以極大的提升船舶乘坐舒適性、降低船舶動力成本，也能實現零污染的社會責任[1]。

燃料電池堆本身沒有能量管理功能，且動態響應速度較慢，在面對不穩定負載或者惡劣的使用環境，很難完成對外供能的需求。針對這一問題，很多文獻[2-8]提出，設計一套燃料電池能量管理系統，在燃料電池堆來不及瞬態對外供能時，該系統輔助額外供能，在燃料電池堆瞬態能量過多時，該系統可以存儲多余能量。通過這套系統，使得整套燃料電池堆具備良好的瞬態響應能力，保證對外提供穩定可靠的能源。

本文設計的燃料電池雙堆能量管理仿真系統，應用單相DC/DC模塊實現兩組燃料電池堆的并聯單相放電管理，應用大容量鋰電池和雙向DC/DC模塊，對母線電壓進行“削峰填谷”，達到輔助燃料電池堆發電的作用。

1 船用燃料電池發電系統組成

本文設計的船用燃料電池發電模塊系統組成部分如圖1所示：

主要由兩個70 kW的燃料電池、兩個單向DC/DC、一個100kWh的鋰電池以及雙向DC/DC變換器和電子負載(模擬電機)組成。

圖1 140kW船用燃料電池發電系統

2 雙堆能量管理仿真系統模型建立

2.1 雙堆能量管理仿真系統模型搭建

采用模塊化思想搭建，基于simulink環境下，設計單相DC/DC模塊管理燃料電堆放電，鋰電池側則用雙向DC/DC模塊實現鋰電池組的能量自由釋放與回收，全部DC/DC模塊均使用雙向交錯并聯的電路結構。仿真系統框圖如圖2所示。

2.1.1 燃料電池電堆建模

燃料電池堆的建模是整個仿真的核心之一，建立的模型需要能夠準確的反響燃料電池堆的物理化學特性。PEMFC動態模型框圖如圖3所示。

圖2 能量管理系統框圖

圖3 PEMFC的動態模型框圖

燃料電池建模涉及四種輸入常量：陽極壓力a(atm)、陰極壓力c(atm)、初始燃料電池溫度initial(K)、室溫room(K)。輸出常量是電池堆的輸出電壓out(V)、電流(A)和PEMFC內部溫度(K)。

通過質量擴散方程可以將a和c轉換為氫氣和氧氣的有效分壓H2(atm)和O2(atm)，0是理想狀態電壓(V)，是理想氣體常數，是法拉第常數，Δ為反應式的熵差(kJmol-1K-1)，利用能斯特方程(1)可以確定燃料電池的內部電勢n(V)。

再結合燃料電池電壓降組成：活化電壓降act、歐姆電壓降ohm、濃度電壓降con、雙層電荷效應可以確定PEMFC的輸出端電壓out如方程(2-2)所示：

通過能量平衡熱力學方程(3)可以確定PEMFC的內部溫度。

式中的r為反應產生的熱(W)，e為發電功率(W)，l為熱損耗(W)，SL為反應的潛熱和顯熱(W)，fc為堆的重量(kg)，fc為堆的總熱容(J/K)。

建立電化學仿真模型如下，

圖4 PEMFC基于Simulink的動態仿真模型

2.1.2 單相DCDC模塊建模

DC/DC變換器用于調節燃料電池的輸出電壓，使其與母線電壓相匹配，為負載(負載所需功率load)提供所需電流。本系統母線電壓bus為640 V，燃料電池輸出電壓fc范圍為170～374 V，額定功率為70 kW。

作為能量管理的一部分，單向DCDC的控制是重要的一部分，該仿真系統采用雙環控制，內環電流環用于實際拉載，外環電壓環用于補償負載波動造成的功率變化[9]?？刂骗h路如圖5所示：

圖5 單向DC/DC變換器控制環路框圖

基于以上理論分析及參數設計，在Simulink中搭建單向DC/DC的模型如圖6所示：

圖6 單向DC/DC變換器仿真模型

2.1.3 雙向DCDC模塊建模

雙向DC/DC變換器的作用是管理鋰電池的能量釋放與回收，同時具有穩定母線電壓的作用。當母線電壓高于設定值時，工作于Buck模式為鋰電池充電；當母線電壓低于設定值時，工作于Boost模式，鋰電池為母線輸送能量，起到“削峰填谷”的作用。

雙向DC/DC變換器的環路控制采用雙環控制，其中電壓外環用于母線穩壓作用，其輸出作為電流內環的給定值L*參與電流內環的運算實現兩相交錯并聯電路的均流控制。其控制環路框圖如圖7所示：

圖7 雙向DC/DC變換器控制環路框圖

基于以上理論分析及參數設計，在Simulink中搭建雙向DC/DC的模型如圖8所示。

2.1.4鋰電池建模

鋰電池采用3.2 V80 Ah的磷酸鐵鋰電芯，單個電池箱為16S3P結構，整個系統由9個電池箱組成，形成了144S3P的電池組結構，系統總電壓為460.8 V，總容量為110.6 kWh。系統仿真中直接調用Simulink庫中的電池模型[10]。

圖8 雙向DC/DC變換器模型

3 仿真結果分析

本文設計的燃料電池雙堆能量管理仿真系統，目的是保證兩個并聯的雙堆燃料電池可以對外供能，且輸出穩定直流電源，并聯的鋰電模塊負責填補燃料電池瞬態響應不足的缺陷。因此，仿真系統主要驗證兩方面的可靠性：1、燃料電池堆逐漸啟動過程中，母線電壓能夠順利被接管；2、應對瞬態負載變化，整個仿真系統的響應能力。

3.1 燃料電池堆啟動過程仿真

針對燃料電池啟動過程進行仿真，仿真波形如圖9所示為燃料電池啟動過程仿真波形，其中FC為燃料電池側的輸出電流(A)，bus為母線電壓(V)，Li為鋰電池的充放電電流(A)。

圖9 母線電壓的建立及燃料電池的啟動

在0-0.01 s以內，燃料電池堆沒有啟動時，母線電壓640 V由鋰電池通過雙向DC/DC維持，燃料電池堆與鋰電池均對外無輸出電流；在0.01 s到0.04 s，接入14 kW負載，此時通過鋰電池組對負載提供能量，維持母線電壓640 V穩定；0.04 s后，由2個燃料電池模塊均分功率逐漸代替鋰電池為負載供電直至穩定，鋰電池退出放電或者補足燃料電池堆的能量缺額。

3.2 燃料電池堆瞬態響應仿真

燃料電池雙堆能量管理仿真系統能夠結合鋰電池的動態負載響應能力與燃料電池持續穩定供能的能力。如圖10所示，在0～0.2 s期間，負載從10%、40%、100%依次遞增，鋰電池能夠瞬間填補燃料電池的能量缺額，母線電壓最多下跌0.625%后恢復到設定值640 V，隨著燃料電池逐漸提升功率，鋰電池最終退出對負載的放電。在0.2s～0.4 s，負載依次減少到零，仿真系統的鋰電池可以及時吸收燃料電池未來得及減少的能量，直至燃料電池與實際負載再次達到平衡。

隨著不斷的加減載，燃料電池側輸出特性如圖11所示：隨著燃料電池輸出電流的不斷增加，其輸出電壓不斷減小，當降載時，燃料電池電壓又逐漸恢復，說明本文建模符合其實際燃料電池輸出特性。

圖10 瞬態加減載仿真結果

圖11 燃料電池輸出特性仿真曲線

4 結論

本文分析了燃料電池的物理特點，針對性建立了燃料電池雙堆能量管理仿真系統，包含了燃料電池堆模型建模，DC/DC模型建模和鋰電池建模。對燃料電池運行的兩種典型工況進行了穩態和動態仿真。結果表明，本文所設計的仿真模型可以有效滿足燃料電池堆的對外輸出工況，既具備高度穩定的持續供能能力，又具備快速動態響應能力。該仿真系統為燃料電池的實際應用提供了一種可靠理想的解決方案，可以成為未來燃料電池技術的一種發展方向。

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Dynamic Simulation of Energy Management for Marine Fuel Cell Power System

Wang Ying1,2, Wang Zewen1,2, Nie Wei1,2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Hydrogen Fuel Cell Engineering Research Center, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2022）10-0101-04

2021-11-29

王穎(1995-)，女，碩士。研究方向：燃料電池能量管理與控制。E-mail:1582473495@qq.com