能量管理策略在混合动力船舶上的应用

秦 锋，施伟锋，张 威



能量管理策略在混合动力船舶上的应用

秦 锋，施伟锋，张 威

（上海海事大学物流工程学院，上海201306）

混合动力船舶电力推进系统是指引入蓄电池和超级电容联合为船舶电力系统供电的船舶电力系统，燃料电池、蓄电池和超级电容的引入能够有效降低船舶电力系统的能源消耗，提高船舶电力系统的供电能力。本文结合蓄电池和超级电容的工作原理，建立了混合动力船舶电力推进系统数字仿真系统，研究船舶电力系统复杂工况下运行的可靠性。通过比较有限状态机控制策略（SMCS）和等效燃料消耗最小控制策略（ECMS），对混合动力船舶电力推进系统进行控制，结果表明：ECMS控制策略耗能最少，总效率最高，有效提高了船舶运行的经济性。

混合动力系统 燃料电池 超级电容 蓄电池 管理策略

0 引言

当今社会工业发展迅速，由于监管不力，工业废气废水随意排放致使环境恶化，温室效应日趋严重。船舶运输在世界贸易中占了相当大的比重，航运业产生的CO2等废气不容忽视。船舶的废气排放也会导致大气中PM2.5的浓度升高，危害我们的呼吸健康[1]。船舶大气污染已经严重影响到了在一些船舶流量大、航线较多地区人们的日常生活，因此，越来越多的国家和地区都在探寻新的方法以减少船舶的废气排放[2]。

燃料电池具有效率高、环保、低噪音、经济性好等优势，将其作为船舶电力推进系统的主要电源可有效解决船舶大气污染等问题。在目前的研究领域中，混合动力船舶主要有FC-BATT混合动力船、FC-SC混合动力船、FC-BATT-SC混合动力船[3]等几种类型。在2009年，德国和挪威联合实施了一项名为“Fellow Ship”的试验项目，这个项目把燃料电池作为船舶的主要能源，随后该燃料电池被安装在名为“VIKING LADY”的船上，也是全世界范围内第一条将燃料电池应用到发电的运营船。另外，在2006年，上海海事大学开发出的“天翔号”是一艘无污染物排放且低噪声的燃料电池船，可用于航行实测，这种船型也可用于旅行、科考、航运[4]等等。

由于燃料电池成本较高且容量有限，将燃料电池、蓄电池、超级电容结合起来的混合动力系统逐渐成为了目前环保船舶的研究热点[5]。为保证系统内部能量的合理分配，需采用可优化系统能量流动的控制策略。文献[6-7]采用基于有限状态机的控制策略，实现了系统的优化控制。文献[5]采用模糊逻辑控制策略分配系统的能量，达到了较好的效果。文献[8]采用基于等效燃料消耗最小控制策略，并对比功率跟随控制策略分析得出最优的控制方法。本文采用两种方法，分别仿真混合动力船舶电力推进系统模型，比较分析仿真结果最终得出最佳的能量管理策略。

1 混合动力船舶电力推进系统模型建模

1.1 混合动力船舶电力推进系统拓扑结构

本文所研究的混合动力船舶电力推进系统主要由燃料电池、蓄电池、超级电容、单向DC-DC变换器、双向DC-DC变换器、逆变器、推进电机和负载（螺旋桨）组成，如图1所示。

图1 混合动力船舶电力推进系统拓扑结构示意图

图1所示的混合动力船舶电力推进系统，在船舶运行时的不同工况下，燃料电池由升压DC-DC变换器输出电能，蓄电池和超级电容由升降压DC-DC变换器输出电能，燃料电池组也可根据具体的功率需求对其充电。

1.2 燃料电池建模

较其他燃料电池，质子交换膜燃料电池有效率高、反应快、无噪音、稳定、环保、功率可调等优点。在目前燃料电池研究领域中，质子交换膜燃料电池[9]的技术最为成熟，应用最为广泛。所以本系统采用质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为主电源进行研究。

PEMFC放电时有电能的损耗，它的实际输出要低于理想状态下的输出。该部分损耗主要是由活化极化和欧姆极化造成的，因此PEMFC的电压主要由三部分组成，即可逆开路电压E，活化过电压，欧姆过电压。其数学表达式[10]为：

PEMFC的氢气摩尔流量和氢气分压、水的摩尔流量和水分压是成正比的，具体如（2）、（3）式所示：

（2）

PEMFC需适应不同的工况为负载供电以及为蓄电池和超级电容充电，因此PEMFC的输出效率也是一个非常重要的性能指标，采用的能量管理策略应确保PEMFC高效率工作，PEMFC的效率表达式为：

1.3 蓄电池建模

目前在使用较多的蓄电池中，镍氢电池具有安全可靠、绿色环保、成本低、充放电次数多的优点，所以本文采用镍氢电池作为辅助能源。其放电效率表达式为：

1.4 超级电容建模

超级电容具有高功率密度，可以为负载提供瞬时的功率需求，还可以吸收峰值电流，减少该部分电流对燃料电池的冲击。超级电容的端电压可以反映它的SOC值，所以可以用公式（6）计算超级电容的SOC值。

超级电容的参数如表3所示。

2 混合动力船舶电力推进系统能量管理策略

2.1 基于有限状态机的能量管理

2.1.1 有限状态机

有限状态机（FSM）具有有限个离散输入输出状态，它是用来表示系统中状态之间转移的模型。状态机可以在某一特定状态下，根据系统的输入量以及现态来决定系统下一步的执行决策。状态机一般由四部分组成：现态、执行条件、执行动作、次态，其中执行动作不是必需的，即可执行也可不执行。有限状态机可以由一个五元组[6]来描述：

一般可用状态转移图来表示状态机的工作原理，图2中状态1接收到触发信号N1满足了转移条件时会向状态2转移，状态1为现态，状态2为次态，N1为执行条件，后面的状态以此类推。状态转移图如图2所示。

图2 状态转移图

2.1.2 有限状态机控制策略模型

针对本文模型可设置9个状态，蓄电池的额定功率为1500W，最小荷电状态SOC值为60%，最大SOC值为90%，SOC_nom1=85%，SOC_nom2=60.1%，燃料电池最小功率为850 W，最大功率为8800 W，输出功率为1500 W，蓄电池的最大功率为3400 W。其状态转移如图3所示。

图3 系统状态转移图

要使蓄电池高效工作，需保证其SOC值在60%以上，所以本文设置了蓄电池的最大SOC值和最小SOC值，以及两个正常工作时的nom1和nom2两个SOC值参考量。系统工作的9个状态可以分成3种工况，供电模式也可以分为三种：燃料电池与蓄电池、超级电容组成的储能系统同时供电、燃料电池供电，储能系统充电、燃料电池单独供电，具体如下所示：

（9）

2.2 等效燃料消耗最小控制策略

2.2.1 建立质子交换膜燃料电池氢气消耗函数

ECMS所研究的是在系统运行的一个周期内，找出一个在燃料电池、蓄电池之间分配负载需求功率的最优方案，从而使得燃料电池的氢气消耗量最低，达到系统经济性最优的效果。由于超级电容在系统运行过程中只提供峰值电流，供能时间很短，在整个供能系统中所占的能量比例非常小，为了便于研究，本文忽略超级电容提供的功率。以此可以建立等效燃料消耗函数[11]：

（12）

建立PEMFC氢气消耗量函数，依据PEMFC的工作原理可得出其氢气消耗量为：

（14）

2.2.2 建立蓄电池等效氢气消耗函数

由于蓄电池的充电量需要燃料电池提供，为了便于观察比较，本文将蓄电池的能耗转换为等效氢气消耗量。蓄电池在时刻和燃料电池共同为负载供能，为了维持蓄电池的SOC值在高效的区域，燃料电池需在之后的时刻为蓄电池充电。而时刻是未知的，所以研究的燃料电池氢气消耗量和蓄电池的功率都是平均值。同理，燃料电池在时刻为蓄电池充电与蓄电池在时刻放电是相反的。下面给出蓄电池充放电效率公式：

（16）

（18）

等效燃料消耗最小控制策略不但可以使系统的燃料消耗达到最低，还需控制蓄电池的SOC值在合理的范围内，以保证蓄电池高效工作。本文引入蓄电池的SOC值补偿函数来维持蓄电池的荷电状态，该函数表达式为：

由式（11）、式（14）、式（19）可得出新的等效燃料消耗函数：

3 仿真结果分析

按照上述设计的系统总体结构模型以及设置的参数，分别用有限状态机控制策略、等效燃料消耗最小控制策略两种控制策略仿真混合动力船舶电力推进系统模型，通过MATLAB/SIMULINK对比分析两种控制策略，仿真结果如下所示。

根据船舶行驶过程中可能遇到的实际情况，本文设置一个周期为350 s的复杂工况，模拟推进电机负载变化如图4所示。

图4 模拟推进电机负载变化曲线

在此工况下，仿真结果显示在两种能量管理策略的控制下，燃料电池负责系统运行过程中的大部分能量供应，其输出功率曲线较为平稳。当负载需求功率增大，燃料电池不足以提供负载需求功率时，蓄电池会补充该部分能量，以保证系统平稳运行。当负载需求功率减小时，系统会对蓄电池和超级电容进行充电，吸收系统多余的能量，起到了能量回收的作用。蓄电池输出功率曲线随着负载的变化而变化。超级电容在大部分时间是不工作的，只有在负载需求功率突然增大或者减小的时候，超级电容的功率会骤增或者骤减来补充或者吸收该部分能量，有效的保护了燃料电池和蓄电池。两种控制策略作用下，各设备单元的功率变化曲线，分别如图5和图6所示。

图5 SMCS功率变化曲线

图6 ECMS功率变化曲线

4 总结

本文以混合动力船舶电力推进系统为对象，采用两种能量管理策略对其进行控制。通过MATLAB/SIMULINK建模仿真得出了能量优化控制策略，并将两种策略分析对比，找出最佳的策略。结果表明等效燃料消耗最小控制策略不仅可以合理分配能量流动，保证蓄电池高效工作，还可以提高系统的稳定性和经济性，使系统运行达到最优化。

图7 蓄电池SOC值曲线

由图8可以看出，ECMS的燃料消耗量要低于SMCS的消耗量，在整个周期里总体比SMCS低了6.3%，由此可见ECMS具有更好的经济性。

图8 氢气消耗量曲线

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Application of Energy Management Strategy in Hybrid Electric Ship

Qin Feng, Shi Weifeng, Zhang Wei

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM911

A

1003-4862（2017）07-0032-05

2017-03-15

秦锋（1992-），男，硕士生，研究方向：船舶/港口系统的建模与控制。