能量管理策略在混合動(dòng)力船舶上的應(yīng)用

秦 鋒，施偉鋒，張 威

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能量管理策略在混合動(dòng)力船舶上的應(yīng)用

秦 鋒，施偉鋒，張 威

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306）

混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)是指引入蓄電池和超級(jí)電容聯(lián)合為船舶電力系統(tǒng)供電的船舶電力系統(tǒng)，燃料電池、蓄電池和超級(jí)電容的引入能夠有效降低船舶電力系統(tǒng)的能源消耗，提高船舶電力系統(tǒng)的供電能力。本文結(jié)合蓄電池和超級(jí)電容的工作原理，建立了混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)，研究船舶電力系統(tǒng)復(fù)雜工況下運(yùn)行的可靠性。通過(guò)比較有限狀態(tài)機(jī)控制策略（SMCS）和等效燃料消耗最小控制策略（ECMS），對(duì)混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行控制，結(jié)果表明：ECMS控制策略耗能最少，總效率最高，有效提高了船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

混合動(dòng)力系統(tǒng) 燃料電池 超級(jí)電容 蓄電池 管理策略

0 引言

當(dāng)今社會(huì)工業(yè)發(fā)展迅速，由于監(jiān)管不力，工業(yè)廢氣廢水隨意排放致使環(huán)境惡化，溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重。船舶運(yùn)輸在世界貿(mào)易中占了相當(dāng)大的比重，航運(yùn)業(yè)產(chǎn)生的CO2等廢氣不容忽視。船舶的廢氣排放也會(huì)導(dǎo)致大氣中PM2.5的濃度升高，危害我們的呼吸健康[1]。船舶大氣污染已經(jīng)嚴(yán)重影響到了在一些船舶流量大、航線較多地區(qū)人們的日常生活，因此，越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)都在探尋新的方法以減少船舶的廢氣排放[2]。

燃料電池具有效率高、環(huán)保、低噪音、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì)，將其作為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要電源可有效解決船舶大氣污染等問(wèn)題。在目前的研究領(lǐng)域中，混合動(dòng)力船舶主要有FC-BATT混合動(dòng)力船、FC-SC混合動(dòng)力船、FC-BATT-SC混合動(dòng)力船[3]等幾種類型。在2009年，德國(guó)和挪威聯(lián)合實(shí)施了一項(xiàng)名為“Fellow Ship”的試驗(yàn)項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目把燃料電池作為船舶的主要能源，隨后該燃料電池被安裝在名為“VIKING LADY”的船上，也是全世界范圍內(nèi)第一條將燃料電池應(yīng)用到發(fā)電的運(yùn)營(yíng)船。另外，在2006年，上海海事大學(xué)開(kāi)發(fā)出的“天翔號(hào)”是一艘無(wú)污染物排放且低噪聲的燃料電池船，可用于航行實(shí)測(cè)，這種船型也可用于旅行、科考、航運(yùn)[4]等等。

由于燃料電池成本較高且容量有限，將燃料電池、蓄電池、超級(jí)電容結(jié)合起來(lái)的混合動(dòng)力系統(tǒng)逐漸成為了目前環(huán)保船舶的研究熱點(diǎn)[5]。為保證系統(tǒng)內(nèi)部能量的合理分配，需采用可優(yōu)化系統(tǒng)能量流動(dòng)的控制策略。文獻(xiàn)[6-7]采用基于有限狀態(tài)機(jī)的控制策略，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)化控制。文獻(xiàn)[5]采用模糊邏輯控制策略分配系統(tǒng)的能量，達(dá)到了較好的效果。文獻(xiàn)[8]采用基于等效燃料消耗最小控制策略，并對(duì)比功率跟隨控制策略分析得出最優(yōu)的控制方法。本文采用兩種方法，分別仿真混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)模型，比較分析仿真結(jié)果最終得出最佳的能量管理策略。

1 混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)模型建模

1.1 混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文所研究的混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由燃料電池、蓄電池、超級(jí)電容、單向DC-DC變換器、雙向DC-DC變換器、逆變器、推進(jìn)電機(jī)和負(fù)載（螺旋槳）組成，如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

圖1所示的混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，在船舶運(yùn)行時(shí)的不同工況下，燃料電池由升壓DC-DC變換器輸出電能，蓄電池和超級(jí)電容由升降壓DC-DC變換器輸出電能，燃料電池組也可根據(jù)具體的功率需求對(duì)其充電。

1.2 燃料電池建模

較其他燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池有效率高、反應(yīng)快、無(wú)噪音、穩(wěn)定、環(huán)保、功率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。在目前燃料電池研究領(lǐng)域中，質(zhì)子交換膜燃料電池[9]的技術(shù)最為成熟，應(yīng)用最為廣泛。所以本系統(tǒng)采用質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）作為主電源進(jìn)行研究。

PEMFC放電時(shí)有電能的損耗，它的實(shí)際輸出要低于理想狀態(tài)下的輸出。該部分損耗主要是由活化極化和歐姆極化造成的，因此PEMFC的電壓主要由三部分組成，即可逆開(kāi)路電壓E，活化過(guò)電壓，歐姆過(guò)電壓。其數(shù)學(xué)表達(dá)式[10]為：

PEMFC的氫氣摩爾流量和氫氣分壓、水的摩爾流量和水分壓是成正比的，具體如（2）、（3）式所示：

（2）

PEMFC需適應(yīng)不同的工況為負(fù)載供電以及為蓄電池和超級(jí)電容充電，因此PEMFC的輸出效率也是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，采用的能量管理策略應(yīng)確保PEMFC高效率工作，PEMFC的效率表達(dá)式為：

1.3 蓄電池建模

目前在使用較多的蓄電池中，鎳氫電池具有安全可靠、綠色環(huán)保、成本低、充放電次數(shù)多的優(yōu)點(diǎn)，所以本文采用鎳氫電池作為輔助能源。其放電效率表達(dá)式為：

1.4 超級(jí)電容建模

超級(jí)電容具有高功率密度，可以為負(fù)載提供瞬時(shí)的功率需求，還可以吸收峰值電流，減少該部分電流對(duì)燃料電池的沖擊。超級(jí)電容的端電壓可以反映它的SOC值，所以可以用公式（6）計(jì)算超級(jí)電容的SOC值。

超級(jí)電容的參數(shù)如表3所示。

2 混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)能量管理策略

2.1 基于有限狀態(tài)機(jī)的能量管理

2.1.1 有限狀態(tài)機(jī)

有限狀態(tài)機(jī)（FSM）具有有限個(gè)離散輸入輸出狀態(tài)，它是用來(lái)表示系統(tǒng)中狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移的模型。狀態(tài)機(jī)可以在某一特定狀態(tài)下，根據(jù)系統(tǒng)的輸入量以及現(xiàn)態(tài)來(lái)決定系統(tǒng)下一步的執(zhí)行決策。狀態(tài)機(jī)一般由四部分組成：現(xiàn)態(tài)、執(zhí)行條件、執(zhí)行動(dòng)作、次態(tài)，其中執(zhí)行動(dòng)作不是必需的，即可執(zhí)行也可不執(zhí)行。有限狀態(tài)機(jī)可以由一個(gè)五元組[6]來(lái)描述：

一般可用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來(lái)表示狀態(tài)機(jī)的工作原理，圖2中狀態(tài)1接收到觸發(fā)信號(hào)N1滿足了轉(zhuǎn)移條件時(shí)會(huì)向狀態(tài)2轉(zhuǎn)移，狀態(tài)1為現(xiàn)態(tài)，狀態(tài)2為次態(tài)，N1為執(zhí)行條件，后面的狀態(tài)以此類推。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

圖2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.1.2 有限狀態(tài)機(jī)控制策略模型

針對(duì)本文模型可設(shè)置9個(gè)狀態(tài)，蓄電池的額定功率為1500W，最小荷電狀態(tài)SOC值為60%，最大SOC值為90%，SOC_nom1=85%，SOC_nom2=60.1%，燃料電池最小功率為850 W，最大功率為8800 W，輸出功率為1500 W，蓄電池的最大功率為3400 W。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

要使蓄電池高效工作，需保證其SOC值在60%以上，所以本文設(shè)置了蓄電池的最大SOC值和最小SOC值，以及兩個(gè)正常工作時(shí)的nom1和nom2兩個(gè)SOC值參考量。系統(tǒng)工作的9個(gè)狀態(tài)可以分成3種工況，供電模式也可以分為三種：燃料電池與蓄電池、超級(jí)電容組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)供電、燃料電池供電，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電、燃料電池單獨(dú)供電，具體如下所示：

（9）

2.2 等效燃料消耗最小控制策略

2.2.1 建立質(zhì)子交換膜燃料電池氫氣消耗函數(shù)

ECMS所研究的是在系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)周期內(nèi)，找出一個(gè)在燃料電池、蓄電池之間分配負(fù)載需求功率的最優(yōu)方案，從而使得燃料電池的氫氣消耗量最低，達(dá)到系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的效果。由于超級(jí)電容在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中只提供峰值電流，供能時(shí)間很短，在整個(gè)供能系統(tǒng)中所占的能量比例非常小，為了便于研究，本文忽略超級(jí)電容提供的功率。以此可以建立等效燃料消耗函數(shù)[11]：

（12）

建立PEMFC氫氣消耗量函數(shù)，依據(jù)PEMFC的工作原理可得出其氫氣消耗量為：

（14）

2.2.2 建立蓄電池等效氫氣消耗函數(shù)

由于蓄電池的充電量需要燃料電池提供，為了便于觀察比較，本文將蓄電池的能耗轉(zhuǎn)換為等效氫氣消耗量。蓄電池在時(shí)刻和燃料電池共同為負(fù)載供能，為了維持蓄電池的SOC值在高效的區(qū)域，燃料電池需在之后的時(shí)刻為蓄電池充電。而時(shí)刻是未知的，所以研究的燃料電池氫氣消耗量和蓄電池的功率都是平均值。同理，燃料電池在時(shí)刻為蓄電池充電與蓄電池在時(shí)刻放電是相反的。下面給出蓄電池充放電效率公式：

（16）

（18）

等效燃料消耗最小控制策略不但可以使系統(tǒng)的燃料消耗達(dá)到最低，還需控制蓄電池的SOC值在合理的范圍內(nèi)，以保證蓄電池高效工作。本文引入蓄電池的SOC值補(bǔ)償函數(shù)來(lái)維持蓄電池的荷電狀態(tài)，該函數(shù)表達(dá)式為：

由式（11）、式（14）、式（19）可得出新的等效燃料消耗函數(shù)：

3 仿真結(jié)果分析

按照上述設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型以及設(shè)置的參數(shù)，分別用有限狀態(tài)機(jī)控制策略、等效燃料消耗最小控制策略兩種控制策略仿真混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)模型，通過(guò)MATLAB/SIMULINK對(duì)比分析兩種控制策略，仿真結(jié)果如下所示。

根據(jù)船舶行駛過(guò)程中可能遇到的實(shí)際情況，本文設(shè)置一個(gè)周期為350 s的復(fù)雜工況，模擬推進(jìn)電機(jī)負(fù)載變化如圖4所示。

圖4 模擬推進(jìn)電機(jī)負(fù)載變化曲線

在此工況下，仿真結(jié)果顯示在兩種能量管理策略的控制下，燃料電池負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的大部分能量供應(yīng)，其輸出功率曲線較為平穩(wěn)。當(dāng)負(fù)載需求功率增大，燃料電池不足以提供負(fù)載需求功率時(shí)，蓄電池會(huì)補(bǔ)充該部分能量，以保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)負(fù)載需求功率減小時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)蓄電池和超級(jí)電容進(jìn)行充電，吸收系統(tǒng)多余的能量，起到了能量回收的作用。蓄電池輸出功率曲線隨著負(fù)載的變化而變化。超級(jí)電容在大部分時(shí)間是不工作的，只有在負(fù)載需求功率突然增大或者減小的時(shí)候，超級(jí)電容的功率會(huì)驟增或者驟減來(lái)補(bǔ)充或者吸收該部分能量，有效的保護(hù)了燃料電池和蓄電池。兩種控制策略作用下，各設(shè)備單元的功率變化曲線，分別如圖5和圖6所示。

圖5 SMCS功率變化曲線

圖6 ECMS功率變化曲線

4 總結(jié)

本文以混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)為對(duì)象，采用兩種能量管理策略對(duì)其進(jìn)行控制。通過(guò)MATLAB/SIMULINK建模仿真得出了能量?jī)?yōu)化控制策略，并將兩種策略分析對(duì)比，找出最佳的策略。結(jié)果表明等效燃料消耗最小控制策略不僅可以合理分配能量流動(dòng)，保證蓄電池高效工作，還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，使系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)化。

圖7 蓄電池SOC值曲線

由圖8可以看出，ECMS的燃料消耗量要低于SMCS的消耗量，在整個(gè)周期里總體比SMCS低了6.3%，由此可見(jiàn)ECMS具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

圖8 氫氣消耗量曲線

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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

秦鋒（1992-），男，碩士生，研究方向：船舶/港口系統(tǒng)的建模與控制。