船舶燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

徐菱翌，萇國(guó)強(qiáng)，李世安，楊國(guó)剛，沈秋婉，廖加棟

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.大連宇科創(chuàng)新科技有限公司，遼寧 大連 116026)

0 引 言

2020 年8 月4 日，國(guó)際海事組織（IMO）發(fā)布了第四次溫室氣體研究（GHG4）報(bào)告，指出2012-2018 年全球的海運(yùn)碳強(qiáng)度下降約11%，但溫室氣體的年排放量為10.76 億噸，依然處于上漲趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2050 年二氧化碳排放量將比2018 年上漲50%，比2008 年增長(zhǎng)1 倍左右。每年全球船舶運(yùn)輸產(chǎn)生的硫氧化物和氮氧化物占人類總污染源的10% 和15%。為了減少溫室氣體排放，清潔能源逐漸成為船舶領(lǐng)域研究以及應(yīng)用的熱點(diǎn)，隨著燃料電池在船舶領(lǐng)域迅速發(fā)展，全電力船舶也成為研究的熱點(diǎn)方向。燃料電池由于具備污染小、噪聲低、比能量高等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是最有前景的清潔能源之一。燃料電池目前有多種分類方式，按照燃料反應(yīng)機(jī)理及類型的分類可分為：碳型、氫型、氮型以及有機(jī)物型燃料電池等；按照電解質(zhì)的分類可分為：磷酸型、堿性、固體氧化物、熔融碳酸鹽以及質(zhì)子交換膜燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cells,PEMFCs）具備工作溫度低、效率高、啟動(dòng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，因此成為目前應(yīng)用相對(duì)廣泛的燃料電池之一。

然而燃料電池具有動(dòng)態(tài)特性差的問(wèn)題，系統(tǒng)的快速變化會(huì)嚴(yán)重影響燃料電池的使用壽命，導(dǎo)致燃料電池的質(zhì)量受損。為了保證燃料電池能夠穩(wěn)定工作，需要設(shè)計(jì)混合動(dòng)力系統(tǒng)?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)是將幾種能源結(jié)合，組成利用電力為船舶提供動(dòng)力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。作為燃料電池船舶的核心，混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略也是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文綜述船舶燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行總結(jié)和分析，最后闡述了動(dòng)力系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)的能源

1.1 能源的選擇

近年來(lái)，船舶清潔能源的混合動(dòng)力系統(tǒng)在研究過(guò)程中不斷地發(fā)展，由最初的柴油和電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，逐漸與清潔能源結(jié)合，目前已經(jīng)發(fā)展為全電力混合動(dòng)力系統(tǒng)。起初采用油電混合方式，Hajizadeh等選擇自主混合柴油發(fā)電機(jī)與燃料電池的船舶，研究電力系統(tǒng)功率控制，提出的策略可以維持電壓穩(wěn)定，并保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。Lan 和Wen等對(duì)船舶太陽(yáng)能、柴油和電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出不同的算法，尋找最佳尺寸和最優(yōu)配置。而后逐漸發(fā)展為全電力船舶。Han等研究了燃料電池和蓄電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)，提出了具有更高效率的管理系統(tǒng)。Zhu等設(shè)計(jì)增加超級(jí)電容的基于模糊邏輯的混合動(dòng)力控制策略，優(yōu)化了系統(tǒng)性能、經(jīng)濟(jì)性和效率以及 Mutarra等研究太陽(yáng)能、風(fēng)能和燃料電池的動(dòng)力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于比例積分器的控制策略，所提出的混合模型有助于極大減小電壓波動(dòng)。當(dāng)前采用燃料電池、超級(jí)電容、蓄電池以及太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源進(jìn)行混合，形成船舶動(dòng)力系統(tǒng)，以此來(lái)降低溫室氣體的排放，并達(dá)到節(jié)約能源的目的。伴隨新能源的發(fā)展，風(fēng)能、太陽(yáng)能以及燃料電池等清潔能源應(yīng)用在船舶領(lǐng)域的能源逐漸增多。

1.2 蓄電池組的選擇

現(xiàn)階段燃料電池的動(dòng)力系統(tǒng)必須與蓄電池組混合使用。蓄電池組的作用是在船舶啟動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎、急加速等單獨(dú)使用燃料電池?zé)o法滿足推進(jìn)功率時(shí)，釋放電能，提高混合動(dòng)力系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使燃料電池處于穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)用在船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)中的蓄電池組需要具備無(wú)需維護(hù)、比能量高、使用壽命長(zhǎng)、污染小以及回收處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，表1比較了4 種常見(jiàn)的蓄電池性能，可以看出鋰離子電池的能量密度最高、壽命最長(zhǎng)，更符合蓄電池性能要求，所以目前選用鋰離子電池作為混合動(dòng)力系統(tǒng)的蓄電池組較為常見(jiàn)。

表1 四種蓄電池性能比較Tab.1 Comparison of the performance of four types of batteries

2 燃料電池船混合動(dòng)力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了解決燃料電池動(dòng)態(tài)特性差的問(wèn)題，近年來(lái)對(duì)此做出很多研究，較為常見(jiàn)的是選用具有穩(wěn)定性能的鋰電池和功率密度大的超級(jí)電容，用來(lái)承擔(dān)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化時(shí)的需求。在多種能源供電時(shí)，連接結(jié)構(gòu)會(huì)影響其性能效果。以燃料電池、蓄電池組和超級(jí)電容這一能源組合形成的混合動(dòng)力系統(tǒng)為例，有3 種形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.1 被動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

被動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將蓄電池組與超級(jí)電容直接并聯(lián)到母線上，這一結(jié)構(gòu)不需要設(shè)計(jì)能量管理策略，當(dāng)混合動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化時(shí)，蓄電池組的內(nèi)阻與超級(jí)電容的內(nèi)阻對(duì)功率進(jìn)行分配，結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，但是功率分配與蓄電池組和超級(jí)電容的自身特性相關(guān)，且超級(jí)電容受限于蓄電池，這種連接方式會(huì)降低超級(jí)電容的利用率。

圖1 被動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Passive topology diagram

2.2 主動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

主動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將超級(jí)電容與蓄電池分別經(jīng)過(guò)DC/DC 變換器后再并聯(lián)到母線上，通過(guò)DC/DC 變換器來(lái)控制蓄電池和超級(jí)電容的輸出功率，結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。這種結(jié)構(gòu)可以解決混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化和控制的問(wèn)題，但是使用了2 個(gè)DC/DC 變換器，此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在能量控制的算法復(fù)雜、系統(tǒng)的成本過(guò)高等問(wèn)題。

圖2 主動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Active topology diagram

2.3 半主動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

半主動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有2 種形式，一種形式是將超級(jí)電容與DC/DC 變換器連接，再與蓄電池并聯(lián)到母線上，結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。通過(guò)DC/DC 變換器對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行升壓，達(dá)到提高其利用率的目的，而且雙向變換器還可以改變系統(tǒng)的幅頻特性，提高負(fù)載的響應(yīng)能力。雖然這種結(jié)構(gòu)組成對(duì)DC/DC 變換器的控制算法要求較高，但目前使用的混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多為此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。另一種形式是將蓄電池與DC/DC 變換器連接，再與超級(jí)電容并聯(lián)到母線上，結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。這種結(jié)構(gòu)組成雖然對(duì)DC/DC 變換器的控制算法要求比較低，但是將超級(jí)電容直接與母線相連，降低了超級(jí)電容的使用效率。

圖3 半主動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Semi-active topology diagram

除此之外，還有多種混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如按照連接方式分為：串聯(lián)式結(jié)構(gòu)、并聯(lián)式結(jié)構(gòu)和混聯(lián)式結(jié)構(gòu)3 種結(jié)構(gòu)；按照推進(jìn)模式分為：純?nèi)剂想姵赝七M(jìn)、燃料電池和蓄電池并聯(lián)推進(jìn)以及純柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急推進(jìn)3 種推進(jìn)模式等結(jié)構(gòu)。根據(jù)組成及需求不同，混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成也不相同。

3 混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略

混合動(dòng)力系統(tǒng)是燃料電池船舶的核心部分，對(duì)于這一核心而言，混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略逐漸成為研究混合動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略的目的是合理分配燃料電池、蓄電池組等幾種能源的能量，從而延長(zhǎng)燃料電池的使用壽命，提高動(dòng)力系統(tǒng)的效率等?？傮w來(lái)說(shuō)，目前混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略基本可以分為2 類：一類是基于規(guī)則的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略；另一類是基于優(yōu)化智能算法的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略。

3.1 基于規(guī)則的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略

基于規(guī)則的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略是通過(guò)預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)控制規(guī)則，根據(jù)各個(gè)組成部分的工作狀態(tài)來(lái)控制混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制方式。

Park等是較早的對(duì)太陽(yáng)能、柴油組合形成的混合動(dòng)力系統(tǒng)，提出混合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制方案。Feroldi等將風(fēng)能、太陽(yáng)能和燃料電池組合，以風(fēng)能為主要能源，太陽(yáng)能為補(bǔ)充能源，選用鎳氫電池，采用基于狀態(tài)機(jī)的控制策略：在狀態(tài)機(jī)中，變化條件為真時(shí)，系統(tǒng)從其中一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，用狀態(tài)機(jī)來(lái)形式化管理動(dòng)力系統(tǒng)。魏巖等提出采用雙向DC/DC 變換器模糊PID 控制策略，設(shè)計(jì)關(guān)于模糊控制器的和d/d兩個(gè)輸入量的模糊規(guī)則，并確定隸屬度函數(shù)，單模糊PID 控制器用來(lái)使雙向DC/DC 變換器輸出穩(wěn)定，從而獲取較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并驗(yàn)證模糊PID 控制器相比于經(jīng)典的PID 控制器具有了良好抗干擾性能。Abeywardana等將電池與超級(jí)電容組合，采用低通濾波器分頻并使用規(guī)則的控制策略。韓北川將燃料電池、超級(jí)電容以及蓄電池組合，采用基于模糊邏輯的控制策略，用模糊邏輯控制器、隸屬度函數(shù)以及根據(jù)功率設(shè)定的規(guī)則對(duì)能量進(jìn)行分配和管理。

基于規(guī)則的控制策略是根據(jù)人們常年的經(jīng)驗(yàn)累積而制定的規(guī)則來(lái)設(shè)計(jì)的控制策略，表2 基于以上提及的控制策略進(jìn)行了總結(jié)和比較，分析了此類控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 基于規(guī)則的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略比較Tab.2 Comparison of rule-based control strategies for hybrid power systems

3.2 基于優(yōu)化智能算法的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略

基于優(yōu)化智能算法的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略是通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、遺傳算法等優(yōu)化算法對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)建立的控制方法。

Song等組合電池/超級(jí)電容2 種能源，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃找到最優(yōu)解的控制策略，對(duì)能源進(jìn)行分配。Babaei等描述了一種基于混合自動(dòng)機(jī)的方法，用于開(kāi)發(fā)中壓直流船舶電力系統(tǒng)（Shipboard power system,SPS）模型。Ghenai等利用太陽(yáng)能、燃料電池和柴油，采用最優(yōu)化的控制策略，根據(jù)負(fù)載跟蹤或循環(huán)充電的方式進(jìn)行控制。Mohammd等利用風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能以及蓄電池，采用遺傳算法的控制策略，降低混合動(dòng)力系統(tǒng)的總成本。Jaurola等提出一種新的能源管理優(yōu)化方法，使用作者正在開(kāi)發(fā)的優(yōu)化工具ToPTI，能自動(dòng)形成優(yōu)化問(wèn)題，使燃料消耗最小化。Vafamand等利用燃料電池和柴油發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)基于改進(jìn)黑洞算法的模型預(yù)測(cè)控制策略，黑洞算法是用來(lái)調(diào)整預(yù)測(cè)中的未知變量來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制。Chen等針對(duì)大量的磷酸亞鐵鋰電池的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)電池的性能和壽命，建立了鋰離子電池性能退化模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)磷酸亞鐵鋰電池的性能優(yōu)化。Zhang等提出一種考慮效率和耐久性的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略，針對(duì)燃料電池的壽命做出優(yōu)化。

表3 對(duì)提及的各種基于優(yōu)化智能算法的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略進(jìn)行總結(jié)和比較，分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

表3 基于優(yōu)化智能算法的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略比較Tab.3 Comparison of hybrid powertrain control strategies based on optimized intelligent algorithms

4 混合動(dòng)力系統(tǒng)分析

4.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)能源

多種新能源的發(fā)展帶動(dòng)船舶行業(yè)的轉(zhuǎn)型，風(fēng)能在當(dāng)今社會(huì)的利用已經(jīng)相對(duì)成熟，配套的設(shè)施已經(jīng)十分完善，但是風(fēng)能存在地域局限性、間歇性等目前無(wú)法徹底消除的缺點(diǎn)，在船舶上偏重于作為輔助動(dòng)力；太陽(yáng)能技術(shù)現(xiàn)如今的應(yīng)用也十分廣泛，但其存在所需空間過(guò)大的問(wèn)題，也無(wú)法作為傳播的主動(dòng)力源；氫能在近2 年的在交通行業(yè)的快速發(fā)展，燃料電池在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為熱點(diǎn)，隨著我國(guó)第一艘燃料電池游艇的研發(fā)成功，未來(lái)燃料電池船舶會(huì)有更進(jìn)一步的發(fā)展。

4.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略比較

混合動(dòng)力系統(tǒng)的兩類控制策略都有其優(yōu)勢(shì)與弊端，基于規(guī)則的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)簡(jiǎn)單，容易投入到生產(chǎn)實(shí)踐中，且不需要對(duì)控制的對(duì)象建立完整的數(shù)學(xué)模型；缺點(diǎn)是在混合動(dòng)力系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)不能夠及時(shí)做出反應(yīng)，制定的規(guī)則不完全確定，且沒(méi)有科學(xué)依據(jù)，是根據(jù)人們的經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定的，容易出現(xiàn)偏差?；趦?yōu)化智能算法的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略優(yōu)點(diǎn)是能夠顯著提高混合動(dòng)力系統(tǒng)的性能水平，有確切的根據(jù)，可靠性高，系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化的適應(yīng)能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是復(fù)雜度相對(duì)比較高，相對(duì)基于規(guī)則的控制策略而言實(shí)現(xiàn)比較困難，難以投入到生產(chǎn)實(shí)踐中。

4.3 混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

從混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，混合動(dòng)力系統(tǒng)目前應(yīng)用較多的是燃料電池、鋰電池組以及超級(jí)電容的半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯，極大提高混合動(dòng)力系統(tǒng)中各個(gè)能源的利用率，并在未來(lái)增加多種新能源的結(jié)構(gòu)中仍會(huì)占有主導(dǎo)地位。太陽(yáng)能、風(fēng)能以及潮汐能等新能源在船舶上的應(yīng)用還處于研究階段，在應(yīng)用上還受到很大限制，太陽(yáng)能是目前實(shí)驗(yàn)中較多結(jié)合應(yīng)用的新能源，但太陽(yáng)能目前還存在如使用體積過(guò)大等很多問(wèn)題，相信隨著太陽(yáng)能的研究新能源在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)取得突破性進(jìn)展；蓄電池需要岸電的支撐，使用過(guò)程中大部分時(shí)間通過(guò)岸電進(jìn)行充電或利用燃料電池對(duì)其充電，不僅消耗能源還增加碳排放，未來(lái)可通過(guò)新能源的加入對(duì)其充電，減少岸電的使用，實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約。目前應(yīng)用較多的兩類控制策略具有其優(yōu)缺點(diǎn)，伴隨近年來(lái)人工智能算法的廣泛研究，基于優(yōu)化智能算法的控制策略有明顯的優(yōu)勢(shì)，更多的學(xué)者對(duì)此控制策略進(jìn)行研究，但這種控制策略難以投入生產(chǎn)實(shí)踐中，已經(jīng)有學(xué)者在使用基于規(guī)則的控制策略上增加優(yōu)化算法，但仍存在前面提到的問(wèn)題，此部分控制策略技術(shù)需進(jìn)一步改進(jìn)，未來(lái)綜合考慮多因素、多控制策略的能量管理策略是未來(lái)能量管理策略的發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)揮兩種控制策略的優(yōu)勢(shì)，將二者更好地結(jié)合起來(lái)。

5 結(jié) 語(yǔ)

多種新能源的發(fā)展會(huì)帶動(dòng)船舶燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)不斷發(fā)展，尤其是風(fēng)能、太陽(yáng)能?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)將燃料電池與新能源更加廣泛的應(yīng)用到船舶領(lǐng)域，更好地彌補(bǔ)燃料電池的動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題，延長(zhǎng)燃料電池的使用壽命，目前相對(duì)成熟的燃料電池、鋰電池組以及超級(jí)電容的能源選擇以及應(yīng)用較多的半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)，仍是未來(lái)燃料電池在船舶領(lǐng)域使用的主要形式?；谝?guī)則以及基于優(yōu)化智能算法的控制策略各有其優(yōu)缺點(diǎn)，基于優(yōu)化智能算法的控制策略在系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、動(dòng)態(tài)特性以及性能水平等方面的優(yōu)化效果更好，在將來(lái)有望成為混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略的主流技術(shù)?，F(xiàn)階段船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)正處于初步發(fā)展階段，盡管相關(guān)技術(shù)的不斷完善、算法的不斷改進(jìn)以及能量管理策略的準(zhǔn)確度和適應(yīng)性有所提高，未來(lái)仍需要對(duì)能量管理策略加以改進(jìn)，需要著力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制策略的新型設(shè)計(jì)。