燃料电池锂电池混合动力船舶建模与仿真

赵福海，王锡淮

燃料电池锂电池混合动力船舶建模与仿真

赵福海，王锡淮

（上海海事大学物流工程学院，上海 201406）

全电动绿色船舶除了使用电力，还越来越多地采用替代能源，如燃料电池、太阳能电池等。本文建立船舶混合动力推进系统，采用燃料电池和锂电池并联作为混合动力。在功率不足时，锂电池提供额外的功率以满足负载需求。为了模型比较贴合实际，使用真实数据对混合动力系统的子部件进行建模，生成Simulink模型并进行仿真。

绿色船舶 混合动力 燃料电池 Simulink模型

0 引言

目前，多数航运船舶采用的是柴油机作为动力源。柴油机的使用技术成熟，推进功率高，但却很难满足污染物排放的标准，全球各种反污染公约一直要求着船舶航运业的转变。推出可以真正替代柴油机的动力源刻不容缓。

随着替代能源领域研究的深入，全电动绿色船舶近年来发展迅速，世界各国都在加强对绿色船舶的研究，因为它提供了一个很好的平台，以使用清洁能源来替代传统化石能源，为减少温室气体的排放提供了一个十分有效的途径[1]。

燃料电池有着绿色、高环保、高效率、低噪音、经济性方面的优势，随着相关技术的进步，其功率水平已经可以满足船舶电力推进系统[2]。但它们的响应速度还不足以满足海上船舶可能发生的负载的瞬间变化[3]。因此，需要联合高密度的可再充电电池存储系统，以满足船舶瞬态控制。

在此提出由1 MW永磁同步电动机、同步电机控制系统、三相电压源逆变器、功率480 kW燃料电池堆和容量144 kWh锂离子电池组组成的全电动船舶简化传动系统模型，并在simulink中对其进行建模。其中，永磁同步电机、燃料电池、锂离子电池组是根据真实数据进行建模。图1显示了简化的传动系统原理图。

1 燃料电池建模

图2为燃料电池原理图。氢气被送入后，在阳极发生化学反应变成氢离子，生成电子。正离子通过电解液，与阴极的氧气发生化学反应作用，产生热量和水[4]。作为该技术的优势，可将燃料电池用于动力推进。

图1 简化的电动船舶传动系统原理图

为了建立适合船舶运行仿真所需的系统动态模型，以120 kW级的PEMFC为原始模型，PEMFC的参数见表1。

表1 燃料电池规格图

燃料电池的输出电压为：

其中，E为开路电压；V为激活电压降，是由于在电极表面发生的化学反应比较缓慢而引起的，其值与温度、操作压力，电极类型和所用催化剂有关；V表示由于燃料电池堆的内阻引起的电阻损耗。

燃料电池输出电压由式(2)决定：

其中，A为塔菲尔斜率；ifc为堆栈电流，单位A；N为电池单元数量；i0为交换电流，单位Ａ；Kc是电压常数；Vc为使用燃料时反应物浓度变化引起的电压传递损失，单位V；En是能斯托电压，单位V；td为堆栈响应时间，单位秒；Rohm为堆栈内阻，单位Ω。

氢气和空气的消耗量分别为：

其中，M2为氢气相对分子质量；y为空气中氧气的比率。

可通过公式（4）计算PEMFC输出功率和效率：

PEMFC特性曲线如图3所示。

2 锂离子电池建模

锂离子电池的应用已久，相关领域的研究已经非常深入，使得锂离子电池技术已经是一个非常成熟的技术。将锂离子电池作为船舶的辅助能源，和燃料电池配合可以满足瞬态变化的负载需求[5]。锂离子电池有非线性的特点，对于锂离子电池可以采用多种建模方式，比如电化学模型、等效电路模型和数学模型。其中等效电路模型，又分成内阻模型，非线性模型等。在此，采用内阻模型建模，由欧姆定律可得：

其中，为开路电压，为锂电池电势，为锂电池内阻，为锂离子电池电流。

为了建立与实际航行需求符合的模型，使用根据CalbCAM72真实数据建模的144kWh锂离子电池。锂离子电池规格如表2所示。

对锂离子电池进行测试，锂电池的放电特性如图4所示。

表2 锂电池规格

图4 锂电池放电特性曲线

3 电机建模

永磁同步电机的工作原理与传统直流电动机相似，换相是基于永磁转子的位置而不是刷子。与其他电机类型相比，永磁同步电机效率高，动态响应快，输出功率与尺寸比高，转速范围宽，转矩恒定，维护要求低，运行噪音小，运行速度快等优点[6]。

三相永磁同步电机有多种数学模型。自然坐标系下，其数学模型是一个复杂且有着强耦合性的多变量系统[7]。为了易于其控制系统的设计，从而实现对原数学模型降阶和解耦，选择在d-q坐标系进行建模。

在同步旋转坐标系下，即d-q坐标系中，定子电压方程可以表示成：

其中，uu分别为d-q轴定子电压分量；是定子的电阻；ψψ分别为定子磁链的d-q轴分量；ω是电角速度。

定子磁链方程可以表示成:

其中，i、i分别是定子电流的轴分量；L、L分别是电感的分量；ψ为永磁体磁链。

结合式(6)与式(7)，可得到定子的电压方程为：

此时的电磁转矩方程可以写成：

为了仿真船舶的可靠性，根据Marelli电机[8]的MJB0500MB8永磁同步电动机的实测数据，建立电机模型。电机的规格如表4所示。

表4 电机模型规格

4 电机矢量控制

矢量控制技术以坐标变换为基础，可以实现对直轴和交轴分量的解耦，而进一步实现磁场和转矩的解耦，从而使交流电机可以产生类似直流电机的控制性能[9]。

滞环电流控制的控制思想，是将电流参考信号和逆变器真实输出的电流信号进行比较，如果实际值小于给定值，则逆变器的开关状态发生变化，电流变大；如果大于给定值，就使之减小[10]。这样，实际电流在给定电流波形上下，作锯齿状波动，使得偏差保持在可控的范围内。控制器包括一个转速控制环和一个滞环控制的电流闭环，不仅可以起到加快动态调节的作用，还同时可以抑制环内扰动，对电机参数的依赖性小，并且有着控制简单稳定性好的优点。

采用使用如图5所示的控制结构，给定参考转速，给PI设置合适的参数，从而可以达到比较稳定的控制。

图5 三相PMSM的滞环电流控制框图

5 试验仿真

在matlab/simulink中搭建仿真模型，4个120 kW燃料电池以2S2P结构连接与144 kWh锂电池组并联。永磁同步电机的转速恒定在1000 rpm，负载发生动态变化，反映海洋状况。图6所示为电机的转速和转矩曲线。

直流母线电压、电池电流和燃料电池电流波形如图7所示。直流母线电压跟随负载扭矩变化。在负载增大时，电压降低，最大直流母线电压降恰好发生在最大要求负载转矩上，需求功率在0.65 MW左右。燃料电池为基础负载提供相对恒定的电流，波动范围在60 A左右。锂离子电池组在瞬态负载情况下供应电流，电池的电流波动在400 A左右。可以看出，电池组主要是在瞬时功率大时，提供额外的功率，启动时电池组电流小于0。当功率的需求增大时，逐渐提供功率。= 0.84 s后为负值，此时燃料电池电压高于电池组电压，为电池组充电。

图6 PMSM的转速和转矩特性

图7 直流母线电压燃料电池电流锂电池电流

图8 单个燃料电池堆栈特性

图8显示了单个燃料电池堆栈的工作特性。从图中可以看出，空气流量和燃料流量会根据负载情况动态变化，以提供所需的电力。氢气和氧气消耗在峰值负载扭矩时最大。

[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.

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[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] 张一驰. 基于矢量控制技术的舰船电力推进系统电机建模与仿真[J]. 舰船科学技术, 2019, 41(02): 109-111.

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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

赵福海（1994-），男，硕士研究生。研究方向：电力系统智能算法。E-mail：1137225456@qq.com