一种空间燃料电池电源系统设计与实现

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燃料电池是一种新型清洁能源，其电源系统直接通过氢氧电化学反应把化学能转换成电能，效率通常高于其他发电装置，在反应过程中不涉及到燃烧，可以长时间不间断地工作，同时兼具普通化学电源能量转换效率高和常规发电机组连续工作时间长两种优势，能与飞行器推进分系统共用燃料，实现整个航天器系统的优化，对航天器性能提升和未来深空探测任务具有非常重要的意义。

对于燃料电池，国内外已有诸多研究。国内中科院大连化学物理研究所、中船等研究机构面向燃料电池车、潜艇、无人机等应用平台，已完成了燃料电池电源系统的验证，但其更偏重于电堆的特性[1-3]，重点对电堆进行研究，而非电源系统；部分高校也开展了燃料电池电源系统的研究，但其只提出了系统方案或构建了系统仿真模型[4-6]，未研制实际系统进行试验验证。

国外研究相对较早，已在20世纪70年代实现了燃料电池电源系统的在轨应用，但此后空间应用研究相对较少。近些年国外对于燃料电池电源系统的研究更多面向民用领域，例如Souleman Njoya Motapon等[7]通过理论分析建立了燃料电池电源系统的半物理仿真平台，对多种控制算法进行了试验验证，并得到理想的结果，但其应用领域为民用飞机、民用客车等，未面向空间应用。

本文面向燃料电池电源系统的空间应用，依据某航天器任务期间的功耗需求，通过理论分析、仿真验证等途径，设计并实现了1 kW燃料电池电源系统，并进行了半载阶跃试验测试。测试结果表明，1 kW燃料电池电源系统工作正常、稳定，能够满足航天器应用需求。

1 燃料电池电源系统设计

某航天器为100 V母线设计，任务期间功耗需求如表1所示。

表1 某航天器功耗需求

与表1相对应的功耗如图1所示。

图1 某航天器功耗Fig.1 A spacecraft’s power consumption diagram

为满足航天器任务期间的用电需求，燃料电池电源系统采用了燃料电池和蓄电池的架构，系统总体架构如图2所示[8]。

图2 系统总体架构Fig.2 Overall system architecture diagram

图2所示的燃料电池电源系统中，燃料电池作为发电设备，通过氢气氧气电化学反应把化学能转换成电能，为后级提供能量；同时，考虑到燃料电池输出存在饥饿效应，需配置蓄电池作为辅助供电设备，用于在负载功率突变时，维持母线的稳定；另外，配置由DC/DC变换器构成的燃料电池放电调节器(FCDR)，用于为负载提供能量；配置由DC/DC变换器构成的蓄电池放电调节器(BDR)和蓄电池充电调节器(BCR)，用于蓄电池的充放电并稳定输出母线。整个系统在控制器的统一调配下工作，既能为负载提供所需能量，又能保证输出母线的稳定。

燃料电池电源系统的输出电压与航天器母线电压一致，为100 V。系统各部分的功率等级分析如下。

从表1和图1可以看出，航天器任务期间的功耗常值为1 008.5 W，因此，可以设定系统中燃料电池的额定输出功率为1 kW，剩余瞬时功率通过蓄电池进行调节。

根据表1的航天器功耗需求表，对各运行阶段蓄电池的充放电功率需求进行分析，分析结果如表2所示。

从表2的蓄电池充放电功率需求表可知，蓄电池最大放电能量为506.8 W·h，最大放电功率为61.5 W;蓄电池最大充电能量为6 W·h，最大充电功率为1.5 W。为满足空间蓄电池长寿命使用的需求，蓄电池需按“浅充浅放”的原则进行设计，同时考虑到蓄电池在放电末端可能承受的大电流冲击，蓄电池最大放电深度一般要求不超过总能量的40%，因此，系统中蓄电池的能量不能小于1 267 W·h。

表2 蓄电池充放电功率需求

通过上述分析，按图2所示的总体架构，选用额定输出功率为1 kW的电堆辅以能量不小于1 267 W·h的蓄电池，并配置相应的调节器，即可满足某航天器任务期间的功耗需求。

2 燃料电池电源系统建模

为了验证系统总体架构和功率参数的有效性，以上述某航天器所需的1 kW燃料电池电源系统为研究对象，建立仿真模型，系统各部件模型如下所述。

2.1 燃料电池模型

燃料电池模型选用了MATLAB/Simulink/SimPowerSystems工具箱中的“Fuel Cell Stack”模型。本文对燃料电池电源系统进行研究，对于燃料电池的控制参数，如气流率、压力、燃料纯度等，可不予考虑。为此，系统选用了燃料电池的简化模型，等效模型如图3所示[9-10]。

图3 燃料电池等效模型Fig.3 Fuel cell equivalent model diagram

图3中，N为燃料电池片数；A为塔菲尔系数；Eoc为开路电压；i0为交换电流；Vfc为输出电压；ifc为输出电流；Td为建立时间；rohm为内阻。由图3可得，燃料电池的输出电压、电流关系式如下式所示。

(1)

2.2 蓄电池模型

相较于氢镍电池、镍镉电池等蓄电池类型，锂离子电池具有更高的能量密度和效率，因此本系统的蓄电池选用锂离子电池[11]。蓄电池模型选用MATLAB/Simulink/SimPowerSystems工具箱中的“Battery”模型，等效模型如图4所示[12-13]。

图4 蓄电池等效模型Fig.4 Storage battery equivalent model diagram

图4中，E为空载电压;E0为恒定电压;K为极化电压;Q为电池容量;A为指数电压;B为指数容量;r为内阻;Vbatt为输出电压;Ibatt为输出电流。由图4可得，蓄电池输出电压、电流的关系如下式所示。

Ibatt·r

(2)

2.3 FCDR模型

FCDR作为燃料电池放电调节器，将燃料电池输出的能量经DC/DC变换后，传递到负载端。系统中所用的燃料电池输出电压范围为20～30 V，负载母线电压为100 V，因此，FCDR采用Boost电路加电流环的设计，将FCDR设计为恒流源，在需求母线电压下，为负载提供能量[14]。FCDR的matlab模型如图5所示。

图5 FCDR模型Fig.5 FCDR model diagram

图5中FCDR输出电流值Iconst由V_ref参数设定，关系式如下所示。

Iconst=V_ref/0.02

(3)

2.4 BDR模型

BDR作为蓄电池放电调节器，在负载功率突然增大时，为负载提供能量补给，维持母线电压稳定。系统中所用的锂离子电池输出电压范围为30～60 V，负载母线电压为100 V，因此BDR采用Boost电路加电压环的设计，将BDR设计为恒压源，为负载提供能量的同时稳定母线电压。BDR的matlab模型如图6所示。

图6 BDR模型Fig.6 BDR model diagram

图6中BDR输出电压值由V_ref电压设定，根据负载母线100 V的要求，设置V_ref为100 V，将BDR设定为100 V输出的恒压源。

2.5 BCR模型

BCR作为蓄电池充电调节器，与蓄电池内置管理单元配合，共同完成负载功率突然变小时，通过为蓄电池充电的方式，消耗负载母线多余能量，维持负载母线稳定的功能。负载母线电压为100 V，蓄电池电压为30～60V，因此，BCR采用BUCK电路加前置电压环的设计，保证BCR输入电压即负载母线电压的恒定。BCR的matlab模型如图7所示。

图7 BCR模型Fig.7 BCR model diagram

图7中BCR输入电压值由V_ref电压设定，此处将V_ref的值设为100 V，保证给蓄电池充电时，负载母线稳定在100 V。

2.6 控制器模型

控制器是燃料电池电源系统的“大脑”，能够根据负载变化，调节能量分配，保持母线稳定，本系统选用状态机控制方法作为能量管理策略。所谓状态机控制方法，即将全过程工况分为几个不同状态，并确定各状态的触发条件，实际运行过程中，根据触发条件实现状态切换，保证系统稳定可靠运行[15]。

根据燃料电池电源系统运行工况，将整个系统分成4种状态：

1)关机状态。这种状态将一直维持，直到系统得到开机的指令；当系统中出现不可恢复的故障的时候，系统进入关机状态。

2)等待状态。当负载功率与给定功率相差不大的时候处于等待状态。

3)充电状态。当负载功率突然变小时，启动BCR为蓄电池充电，对母线多余能量进行消耗。

4)放电状态。当负载功率突然增大时，启动BDR，蓄电池放电为负载补给能量。

根据燃料电池电源系统的4种状态，梳理得到系统事件如表3所示，进而得到系统管理状态图如图8所示。

表3 系统事件表

图8 系统管理状态图Fig.8 System management state diagram

依照图8的燃料电池电源系统管理状态图，构建控制器的matlab模型，如图9所示。

图9 控制器模型Fig.9 Controller model diagram

3 仿真分析

将燃料电池、蓄电池、FCDR、BDR、BCR、控制器的模型按图2架构互联，搭建系统仿真模型，对系统运行状态进行仿真验证，仿真参数如表4所示。

表4 系统仿真参数表

按表4的系统仿真参数，运行仿真模型，由于本系统燃料电池采用简化模型，忽略燃料电池本身的控制，因此，以FCDR恒流源输出电流的变化代替负载的变化，验证系统运行状态是否正常。设定如下两种系统运行工况：

(1)负载功率突降工况

负载功率为500 W，FCDR初始输出电流5 A，在仿真时间为1 s时，FCDR输出电流变为9 A，在此工况下得到的仿真结果如图10所示。

图10 仿真结果1Fig.10 Simulation result diagram 1

对图10的仿真结果进行分析：系统开始仿真后，由关机状态进入待机状态，由于燃料电池存在饥饿效应，在负载500 W的功率需求下，系统由待机状态进入放电状态，蓄电池经历一个很短暂的放电过程，直到燃料电池输出达到负载需求，蓄电池不再对外放电，系统由放电状态进入待机状态；在1 s的仿真时间时，FCDR输出电流变为9 A，超过负载需求，母线能量过剩，启动蓄电池充电，系统由待机状态进入充电状态。整个系统运行过程，状态转换正常，不同状态之间的切换，母线最大波动不超过4 V，符合空间应用要求。

(2)负载功率突增工况

负载功率为500 W，FCDR初始输出电流5 A，在仿真时间为1 s时，FCDR输出电流变为0.1 A，在此工况下得到的仿真结果如图11所示。

图11 仿真结果2Fig.11 Simulation result diagram 2

对图11的仿真结果进行分析：在1 s的仿真时间之前，系统运行状态与图10相同；在仿真时间为1 s时，FCDR输出电流变为0.1 A，不能满足负载需求，启动蓄电池放电，系统由待机状态进入放电状态。整个系统运行过程，状态转换正常，不同状态之间的切换，母线波动最大值为2 V，符合空间应用要求。

从上述仿真结果可以看出，1 kW燃料电池电源系统原理正确，系统能量管理有效可行。

4 试验验证

为了验证1 kW燃料电池电源系统的有效可行，以上述原理和仿真为基础，研制了1 kW燃料电池电源系统样机，并进行了试验验证。

燃料电池为自研质子交换膜燃料电池，额定输出功率为1 kW，开路电压28 V，额定工作点[45A,22V]；锂电池为3节串联，总容量为43 A·h，标称输出电压36 V。

负载阶跃试验的正常工作负载为500 W，减载试验为500 W阶跃到100 W，加载试验为500 W阶跃到1 000 W，试验结果如图12所示。

从图12的测试结果可以看出，负载由500 W阶跃到100 W时，母线电压最大波动量为4 V，调节时间约为20 μs；负载由500 W阶跃到1 000 W时，母线电压最大波动量为2 V，调节时间约为10 μs。试验结果表明，1 kW燃料电池电源系统工作正常、稳定，能够满足航天器应用需求。

图12 试验测试结果Fig.12 Experiment and test result

5 结束语

通过对燃料电池的优势分析及对燃料电池电源系统的建模仿真和设计实现，得出如下结论：

1)燃料电池相比于蓄电池等其他能源，具有更高的效率和比能量，在深空探测等大功率航天器应用场合，具有无可比拟的优势。

2)依据某航天器任务期间的功耗需求，采用燃料电池和蓄电池架构建立的1 kW燃料电池电源系统仿真模型，经仿真试验表明，模型正确，可有效指导1 kW燃料电池电源系统的设计实现。

3)设计实现的1 kW燃料电池电源系统，经半载阶跃试验验证，其母线波动小于5 V，调节时间小于25 μs，且在整个运行过程中，系统工作正常、稳定，能够满足航天器应用需求。

为更好匹配航天器不同应用工况，后续将在再生燃料电池电源系统、光伏-燃料电池电源系统及多能源高效管理系统等多个方向开展研究。