船用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)能量管理動態(tài)仿真研究

王 穎，王澤文，聶 巍

應(yīng)用研究

船用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)能量管理動態(tài)仿真研究

王 穎1, 2，王澤文1, 2，聶 巍1, 2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢市氫燃料電池工程技術(shù)研究中心，武漢 430064)

燃料電池不可直接應(yīng)用于船舶供能，需要一套輔助系統(tǒng)用于啟動和瞬態(tài)調(diào)控。本文研究一種采用“FC+B”結(jié)構(gòu)的燃料電池雙堆能量管理仿真系統(tǒng)，并在MATLAB/SIMULINK搭建仿真平臺。仿真結(jié)果表明，該能量管理系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)輸出性能優(yōu)良的特點。對船舶燃料電池的產(chǎn)業(yè)化具有一定的參考價值。

燃料電池 能量管理 仿真 MATLAB 動態(tài)響應(yīng)

0 引言

燃料電池作為一種清潔、高效的綠色能源，已經(jīng)成為新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個熱門方向。傳統(tǒng)船舶動力系統(tǒng)功率大、效率低、成本高、噪音大、排放大量污染廢氣以及溫室氣體。采用燃料電池堆作為船舶動力，可以極大的提升船舶乘坐舒適性、降低船舶動力成本，也能實現(xiàn)零污染的社會責任[1]。

燃料電池堆本身沒有能量管理功能，且動態(tài)響應(yīng)速度較慢，在面對不穩(wěn)定負載或者惡劣的使用環(huán)境，很難完成對外供能的需求。針對這一問題，很多文獻[2-8]提出，設(shè)計一套燃料電池能量管理系統(tǒng)，在燃料電池堆來不及瞬態(tài)對外供能時，該系統(tǒng)輔助額外供能，在燃料電池堆瞬態(tài)能量過多時，該系統(tǒng)可以存儲多余能量。通過這套系統(tǒng)，使得整套燃料電池堆具備良好的瞬態(tài)響應(yīng)能力，保證對外提供穩(wěn)定可靠的能源。

本文設(shè)計的燃料電池雙堆能量管理仿真系統(tǒng)，應(yīng)用單相DC/DC模塊實現(xiàn)兩組燃料電池堆的并聯(lián)單相放電管理，應(yīng)用大容量鋰電池和雙向DC/DC模塊，對母線電壓進行“削峰填谷”，達到輔助燃料電池堆發(fā)電的作用。

1 船用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)組成

本文設(shè)計的船用燃料電池發(fā)電模塊系統(tǒng)組成部分如圖1所示：

主要由兩個70 kW的燃料電池、兩個單向DC/DC、一個100kWh的鋰電池以及雙向DC/DC變換器和電子負載(模擬電機)組成。

圖1 140kW船用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

2 雙堆能量管理仿真系統(tǒng)模型建立

2.1 雙堆能量管理仿真系統(tǒng)模型搭建

采用模塊化思想搭建，基于simulink環(huán)境下，設(shè)計單相DC/DC模塊管理燃料電堆放電，鋰電池側(cè)則用雙向DC/DC模塊實現(xiàn)鋰電池組的能量自由釋放與回收，全部DC/DC模塊均使用雙向交錯并聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)。仿真系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1.1 燃料電池電堆建模

燃料電池堆的建模是整個仿真的核心之一，建立的模型需要能夠準確的反響燃料電池堆的物理化學特性。PEMFC動態(tài)模型框圖如圖3所示。

圖2 能量管理系統(tǒng)框圖

圖3 PEMFC的動態(tài)模型框圖

燃料電池建模涉及四種輸入常量：陽極壓力a(atm)、陰極壓力c(atm)、初始燃料電池溫度initial(K)、室溫room(K)。輸出常量是電池堆的輸出電壓out(V)、電流(A)和PEMFC內(nèi)部溫度(K)。

通過質(zhì)量擴散方程可以將a和c轉(zhuǎn)換為氫氣和氧氣的有效分壓H2(atm)和O2(atm)，0是理想狀態(tài)電壓(V)，是理想氣體常數(shù)，是法拉第常數(shù)，Δ為反應(yīng)式的熵差(kJmol-1K-1)，利用能斯特方程(1)可以確定燃料電池的內(nèi)部電勢n(V)。

再結(jié)合燃料電池電壓降組成：活化電壓降act、歐姆電壓降ohm、濃度電壓降con、雙層電荷效應(yīng)可以確定PEMFC的輸出端電壓out如方程(2-2)所示：

通過能量平衡熱力學方程(3)可以確定PEMFC的內(nèi)部溫度。

式中的r為反應(yīng)產(chǎn)生的熱(W)，e為發(fā)電功率(W)，l為熱損耗(W)，SL為反應(yīng)的潛熱和顯熱(W)，fc為堆的重量(kg)，fc為堆的總熱容(J/K)。

建立電化學仿真模型如下，

圖4 PEMFC基于Simulink的動態(tài)仿真模型

2.1.2 單相DCDC模塊建模

DC/DC變換器用于調(diào)節(jié)燃料電池的輸出電壓，使其與母線電壓相匹配，為負載(負載所需功率load)提供所需電流。本系統(tǒng)母線電壓bus為640 V，燃料電池輸出電壓fc范圍為170～374 V，額定功率為70 kW。

作為能量管理的一部分，單向DCDC的控制是重要的一部分，該仿真系統(tǒng)采用雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)電流環(huán)用于實際拉載，外環(huán)電壓環(huán)用于補償負載波動造成的功率變化[9]?？刂骗h(huán)路如圖5所示：

圖5 單向DC/DC變換器控制環(huán)路框圖

基于以上理論分析及參數(shù)設(shè)計，在Simulink中搭建單向DC/DC的模型如圖6所示：

圖6 單向DC/DC變換器仿真模型

2.1.3 雙向DCDC模塊建模

雙向DC/DC變換器的作用是管理鋰電池的能量釋放與回收，同時具有穩(wěn)定母線電壓的作用。當母線電壓高于設(shè)定值時，工作于Buck模式為鋰電池充電；當母線電壓低于設(shè)定值時，工作于Boost模式，鋰電池為母線輸送能量，起到“削峰填谷”的作用。

雙向DC/DC變換器的環(huán)路控制采用雙環(huán)控制，其中電壓外環(huán)用于母線穩(wěn)壓作用，其輸出作為電流內(nèi)環(huán)的給定值L*參與電流內(nèi)環(huán)的運算實現(xiàn)兩相交錯并聯(lián)電路的均流控制。其控制環(huán)路框圖如圖7所示：

圖7 雙向DC/DC變換器控制環(huán)路框圖

基于以上理論分析及參數(shù)設(shè)計，在Simulink中搭建雙向DC/DC的模型如圖8所示。

2.1.4鋰電池建模

鋰電池采用3.2 V80 Ah的磷酸鐵鋰電芯，單個電池箱為16S3P結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)由9個電池箱組成，形成了144S3P的電池組結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總電壓為460.8 V，總?cè)萘繛?10.6 kWh。系統(tǒng)仿真中直接調(diào)用Simulink庫中的電池模型[10]。

圖8 雙向DC/DC變換器模型

3 仿真結(jié)果分析

本文設(shè)計的燃料電池雙堆能量管理仿真系統(tǒng)，目的是保證兩個并聯(lián)的雙堆燃料電池可以對外供能，且輸出穩(wěn)定直流電源，并聯(lián)的鋰電模塊負責填補燃料電池瞬態(tài)響應(yīng)不足的缺陷。因此，仿真系統(tǒng)主要驗證兩方面的可靠性：1、燃料電池堆逐漸啟動過程中，母線電壓能夠順利被接管；2、應(yīng)對瞬態(tài)負載變化，整個仿真系統(tǒng)的響應(yīng)能力。

3.1 燃料電池堆啟動過程仿真

針對燃料電池啟動過程進行仿真，仿真波形如圖9所示為燃料電池啟動過程仿真波形，其中FC為燃料電池側(cè)的輸出電流(A)，bus為母線電壓(V)，Li為鋰電池的充放電電流(A)。

圖9 母線電壓的建立及燃料電池的啟動

在0-0.01 s以內(nèi)，燃料電池堆沒有啟動時，母線電壓640 V由鋰電池通過雙向DC/DC維持，燃料電池堆與鋰電池均對外無輸出電流；在0.01 s到0.04 s，接入14 kW負載，此時通過鋰電池組對負載提供能量，維持母線電壓640 V穩(wěn)定；0.04 s后，由2個燃料電池模塊均分功率逐漸代替鋰電池為負載供電直至穩(wěn)定，鋰電池退出放電或者補足燃料電池堆的能量缺額。

3.2 燃料電池堆瞬態(tài)響應(yīng)仿真

燃料電池雙堆能量管理仿真系統(tǒng)能夠結(jié)合鋰電池的動態(tài)負載響應(yīng)能力與燃料電池持續(xù)穩(wěn)定供能的能力。如圖10所示，在0～0.2 s期間，負載從10%、40%、100%依次遞增，鋰電池能夠瞬間填補燃料電池的能量缺額，母線電壓最多下跌0.625%后恢復(fù)到設(shè)定值640 V，隨著燃料電池逐漸提升功率，鋰電池最終退出對負載的放電。在0.2s～0.4 s，負載依次減少到零，仿真系統(tǒng)的鋰電池可以及時吸收燃料電池未來得及減少的能量，直至燃料電池與實際負載再次達到平衡。

隨著不斷的加減載，燃料電池側(cè)輸出特性如圖11所示：隨著燃料電池輸出電流的不斷增加，其輸出電壓不斷減小，當降載時，燃料電池電壓又逐漸恢復(fù)，說明本文建模符合其實際燃料電池輸出特性。

圖10 瞬態(tài)加減載仿真結(jié)果

圖11 燃料電池輸出特性仿真曲線

4 結(jié)論

本文分析了燃料電池的物理特點，針對性建立了燃料電池雙堆能量管理仿真系統(tǒng)，包含了燃料電池堆模型建模，DC/DC模型建模和鋰電池建模。對燃料電池運行的兩種典型工況進行了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)仿真。結(jié)果表明，本文所設(shè)計的仿真模型可以有效滿足燃料電池堆的對外輸出工況，既具備高度穩(wěn)定的持續(xù)供能能力，又具備快速動態(tài)響應(yīng)能力。該仿真系統(tǒng)為燃料電池的實際應(yīng)用提供了一種可靠理想的解決方案，可以成為未來燃料電池技術(shù)的一種發(fā)展方向。

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Dynamic Simulation of Energy Management for Marine Fuel Cell Power System

Wang Ying1,2, Wang Zewen1,2, Nie Wei1,2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Hydrogen Fuel Cell Engineering Research Center, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2022）10-0101-04

2021-11-29

王穎(1995-)，女，碩士。研究方向：燃料電池能量管理與控制。E-mail:1582473495@qq.com