水下燃料电池动力系统能量管理策略仿真

高慧中, 王志杰, 尹韶平, 路 骏, 王俊光



水下燃料电池动力系统能量管理策略仿真

高慧中, 王志杰, 尹韶平, 路 骏, 王俊光

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

氢氧燃料电池作为一种将燃料化学能直接转化为电能的发电装置, 具有比能量和效率高等特点, 非常适于水下应用。文中针对水下环境中的氢氧燃料电池-蓄电池混合动力系统特性, 提出了一种功率跟随式的能量管理策略, 通过建立的动力系统simulink模型, 对能量管理策略的性能进行了验证。结果表明, 建立的控制策略能够充分利用蓄电池补充燃料电池不足, 对于燃料电池在水下环境中的应用具有一定参考。

水下燃料电池; 氢氧燃料; 混合动力; 能量管理

0 引言

随着我国海洋强国战略的制定和实施, 高性能无人水下航行器的需求日益迫切。氢氧燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应转换成电能的能量转换装置, 其反应过程不涉及燃烧, 从而突破了卡诺循环的限制, 使其效率提高至内燃机的2~3倍, 具备了高比能量、高能量转换效率、零排放、低噪声等优点[1], 可为发展远航程、大航深、高隐身性的闭式循环无人水下航行器提供了动力保障。

面对频繁变化的外部负载需求时, 仅使用氢氧燃料电池作为输出能源存在经济性差、使用寿命短等不足, 采用增加蓄电池配合燃料电池工作的思路已成为众多研究机构关注的焦点[2-3]。这种方式可在弥补系统快速响应方面不足的同时, 有效减少燃料电池工况的高频变化从而延长其使用寿命[4]。在此思路上形成的混合动力系统对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优化系统性能。目前, 国内外对燃料电池混合动力汽车的能量管理策略已有较为深入的研究, 建立了基于多种以车用氢空燃料电池堆为对象的控制策略[5-6], 但可供无人水下航行器借鉴的研究则较为缺乏。无人水下航行器的空间狭小, 为满足系统比功率和闭式循环要求, 需使用氢氧作为系统能源, 其工作特性与氢空燃料电池有显著不同, 对混合系统的能量管理策略也提出了差异化需求。

文中以无人水下航行器的氢氧燃料电池混合动力系统为研究对象, 在确立系统结构的基础上建立基于功率跟随规则的控制策略, 并融入到Simulink环境下的燃料电池与蓄电池驱动的数学模型中, 最终通过仿真计算验证了能量管理策略。

1 水下燃料电池动力系统构型

1.1 燃料电池动力系统结构

传统的热动力无人水下航行器利用燃气推动活塞, 通过传动轴将机械功率传递至推进装置, 完成对外做功。燃料电池系统则是与蓄电池并连在系统动力电压母线上, 利用电能驱动电机工作。也正是基于这样的原理, 燃料电池动力系统工作中的能量管理本质是通过控制母线上的电压或者电流来实现的。

目前燃料电池混合动力系统有多种不同拓扑结构[7], 但在不同的应用环境中其系统效率和功率承载能力有所不同。文中动力模型使用了间接连接的拓扑结构, 如图1所示, 利用单向DC/DC变换器调节燃料电池输出后再与蓄电池并联, 保证了燃料电池工况的稳态变化尽管直接将Buck-Boost变换器与燃料电池相连会引起输出电流产生纹波, 但间接连接可使系统持续工作在最大效率点, 以缓解燃料电池的性能恶化[8]。同时, 仅使用一个DC/DC变换器既有效调控了系统能量, 又减少了无功功率的消耗, 实现了可控性、工作效率与经济性之间的有效平衡。

1.2 系统动力组成

1.2.1 燃料电池堆

燃料电池堆(文中特指PEM型燃料电池)作为水下燃料电池混合动力系统的核心部件, 是为负载提供能量的主要能量形式。系统在工作过程,氢气、氧气经由电堆阳极、阴极进入进行反应, 电堆开路电压

式中:n表示电堆中的电池个数;v表示单个电池的平均电压, 特别在满足常规假设条件下, 燃料电池的单体开路电压可使用Nernst方程计算得到

1.2.2 蓄电池

蓄电池快速充、放电的特点能够与燃料电池较好地互为补充, 有效提高燃料电池寿命的同时, 也为改善系统动态性能提供了解决方案。根据理论分析可知, 蓄电池等效电路模型可简化为电容与内阻构成的电路。

荷电状态(state of charge, SOC)是定义可用电量占最大电量的百分比, 其计算的精确性和鲁棒性在系统性能与安全方面具有至关重要的作用。目前, 基于电流的估计方法最为常用, 其计算途径可表述为

2 能量管理策略

在混合动力系统中, 燃料电池作为主要的能源形式负责输出主要的功率驱动航行器对外做功, 而蓄电池作为补充完成启动系统、补充瞬时功率、回收能量等功能。能量管理的目的是在满足负载功率需求的前提下, 对系统中的燃料电池与蓄电池输出进行合理分配, 提高效率。

功率跟随法是目前最常用的一种能量管理方法, 通常建立的能量管理方法依据负载需求功率为目标量, 将燃料电池堆作为主要供能单位向电机提供电能。当需求功率大于燃料电池的限定功率时, 燃料电池与蓄电池同时向外供能; 当需求功率小于燃料电池的限定功率时, 则只由燃料电池向外供能, 特别在蓄电池荷电状态小于下限时向蓄电池充电; 在系统连续调节过程中, 当变化功率大于燃料电池预设变化量时, 由蓄电池作为短时补充满足动态需求, 判断流程如图2所示。

具体调节过程可描述如下:

1) 利用蓄电池实测电压与额定电压、额定功率进行计算, 计算得到目前蓄电池可对外供应的最大功率; 监测蓄电池的荷电状态, 当蓄电池荷电状态小于35%时, 系统以蓄电池的额定功率向其充电, 否则蓄电池的充电功率为零;

2) 将燃料电池堆的电压、电流相乘计算求出电堆输出功率后, 以蓄电池充电功率为判据与电堆理论输出功率、蓄电池可用功率联合运算, 得到蓄电池的目标输出功率;

3) 利用蓄电池理论输出功率与燃料电池堆输出功率相加作为电机理论输出功率, 并与电机转速相除求得目标扭矩;

4) 负载功率与蓄电池充电功率相减得到燃料电池理论输出功率, 再与输出端的母线电压相除求出DC/DC变换器的理论输出电流。

在该模型中, 设定燃料电池最大允许输出功率为200 kW。

3 仿真结果与分析

氢氧燃料电池由于使用纯氧作为氧化气体, 因此电堆双极板、散热流道以及排水方法均与常用的氢空燃料电池存在较大差异。文中为简化仿真过程, 仅通过调整燃料电池模型的氧气浓度至99.9%以仿真氢氧燃料电池的输出特性。在以上假设基础上, 基于表1和表2的设定参数[9], 在Matlab/Simulink仿真环境中建立了氢氧燃料电池混合动力系统的仿真模型, 并完成了仿真计算。

表1 燃料电池堆参数

表2 蓄电池参数

燃料电池功率-电压-电流曲线如图3所示, 在10 kW、80 kW、230 kW 3种负载需求条件下, 系统输出结果如图4~图6所示。

模型中的负载需求功率曲线如图4(a)的虚线所示, 而实际提供给负载的功率曲线则由图4(a) 中实线表示。系统负载功率依次在0 s、4 s、12 s快速上升, 对应图4(b)中表示燃料电池输出功率的曲线也随之一同上升, 其中虚线表示燃料电池的理论输出功率, 而实线表示实际输出功率。

观察图4(b)燃料电池功率曲线, 可以看到, 在负载需求功率向10 kW、80 kW、230 kW跃升的过程中, 燃料电池实际输出和理论输出之间存在差值表示需要由蓄电池补充的功率, 即蓄电池理论输出功率, 数值曲线如图4(c)所示, 实际输出结果则如图5所示。

特别在系统需求功率增大至230 kW时, 由于在模型的能量管理模块中限定氢氧燃料电池的输出功率上限为200 kW, 因此燃料电池不足以提供所有的输出功率, 必须由蓄电池补充稳态条件下的功率差值。

图7~图8为DC/DC变换器的输出曲线, 可以看出, 内部PI控制器通过调节占空比, 增大输出端电流的同时降低输出电压, 使母线电压低于蓄电池自身电压, 实现了分配输出功率的效果。其中, DC/DC变换器的转换效率随着输出功率的增大, 逐步减小, 整个过程中的最高转换效率为99.5%, 最低转换效率为98.2%, 满足使用需求。

4 结束语

文中给出了一种基于判据的目标功率跟随式能量管理策略, 此方法根据输出负载的功率需求和蓄电池的荷电状态, 调节蓄电池和燃料电池输出满足负载需求。文中的能量管理方法仿真计算以氢氧燃料电池为对象展开, 结果取得了较好的控制效果, 表明此方法能够为水下无人航行器中的氢氧燃料电池动力系统的设计提供参考。

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(责任编辑: 许 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. 水下燃料电池动力系统能量管理策略仿真[J]. 水下无人系统学报, 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.

国家自然科学基金(61403306)、海军装备预研基金、装备预研船舶重工联合基金资助.

高慧中(1989-), 男, 在读博士, 工程师, 主要研究方向为燃料电池能量控制、信号处理.