船用燃料电池发电系统能量管理动态仿真研究

王 颖，王泽文，聂 巍

应用研究

船用燃料电池发电系统能量管理动态仿真研究

王 颖1, 2，王泽文1, 2，聂 巍1, 2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 武汉市氢燃料电池工程技术研究中心，武汉 430064)

燃料电池不可直接应用于船舶供能，需要一套辅助系统用于启动和瞬态调控。本文研究一种采用“FC+B”结构的燃料电池双堆能量管理仿真系统，并在MATLAB/SIMULINK搭建仿真平台。仿真结果表明，该能量管理系统具有动态响应速度快，稳态输出性能优良的特点。对船舶燃料电池的产业化具有一定的参考价值。

燃料电池 能量管理 仿真 MATLAB 动态响应

0 引言

燃料电池作为一种清洁、高效的绿色能源，已经成为新能源产业发展的一个热门方向。传统船舶动力系统功率大、效率低、成本高、噪音大、排放大量污染废气以及温室气体。采用燃料电池堆作为船舶动力，可以极大的提升船舶乘坐舒适性、降低船舶动力成本，也能实现零污染的社会责任[1]。

燃料电池堆本身没有能量管理功能，且动态响应速度较慢，在面对不稳定负载或者恶劣的使用环境，很难完成对外供能的需求。针对这一问题，很多文献[2-8]提出，设计一套燃料电池能量管理系统，在燃料电池堆来不及瞬态对外供能时，该系统辅助额外供能，在燃料电池堆瞬态能量过多时，该系统可以存储多余能量。通过这套系统，使得整套燃料电池堆具备良好的瞬态响应能力，保证对外提供稳定可靠的能源。

本文设计的燃料电池双堆能量管理仿真系统，应用单相DC/DC模块实现两组燃料电池堆的并联单相放电管理，应用大容量锂电池和双向DC/DC模块，对母线电压进行“削峰填谷”，达到辅助燃料电池堆发电的作用。

1 船用燃料电池发电系统组成

本文设计的船用燃料电池发电模块系统组成部分如图1所示：

主要由两个70 kW的燃料电池、两个单向DC/DC、一个100kWh的锂电池以及双向DC/DC变换器和电子负载(模拟电机)组成。

图1 140kW船用燃料电池发电系统

2 双堆能量管理仿真系统模型建立

2.1 双堆能量管理仿真系统模型搭建

采用模块化思想搭建，基于simulink环境下，设计单相DC/DC模块管理燃料电堆放电，锂电池侧则用双向DC/DC模块实现锂电池组的能量自由释放与回收，全部DC/DC模块均使用双向交错并联的电路结构。仿真系统框图如图2所示。

2.1.1 燃料电池电堆建模

燃料电池堆的建模是整个仿真的核心之一，建立的模型需要能够准确的反响燃料电池堆的物理化学特性。PEMFC动态模型框图如图3所示。

图2 能量管理系统框图

图3 PEMFC的动态模型框图

燃料电池建模涉及四种输入常量：阳极压力a(atm)、阴极压力c(atm)、初始燃料电池温度initial(K)、室温room(K)。输出常量是电池堆的输出电压out(V)、电流(A)和PEMFC内部温度(K)。

通过质量扩散方程可以将a和c转换为氢气和氧气的有效分压H2(atm)和O2(atm)，0是理想状态电压(V)，是理想气体常数，是法拉第常数，Δ为反应式的熵差(kJmol-1K-1)，利用能斯特方程(1)可以确定燃料电池的内部电势n(V)。

再结合燃料电池电压降组成：活化电压降act、欧姆电压降ohm、浓度电压降con、双层电荷效应可以确定PEMFC的输出端电压out如方程(2-2)所示：

通过能量平衡热力学方程(3)可以确定PEMFC的内部温度。

式中的r为反应产生的热(W)，e为发电功率(W)，l为热损耗(W)，SL为反应的潜热和显热(W)，fc为堆的重量(kg)，fc为堆的总热容(J/K)。

建立电化学仿真模型如下，

图4 PEMFC基于Simulink的动态仿真模型

2.1.2 单相DCDC模块建模

DC/DC变换器用于调节燃料电池的输出电压，使其与母线电压相匹配，为负载(负载所需功率load)提供所需电流。本系统母线电压bus为640 V，燃料电池输出电压fc范围为170～374 V，额定功率为70 kW。

作为能量管理的一部分，单向DCDC的控制是重要的一部分，该仿真系统采用双环控制，内环电流环用于实际拉载，外环电压环用于补偿负载波动造成的功率变化[9]。控制环路如图5所示：

图5 单向DC/DC变换器控制环路框图

基于以上理论分析及参数设计，在Simulink中搭建单向DC/DC的模型如图6所示：

图6 单向DC/DC变换器仿真模型

2.1.3 双向DCDC模块建模

双向DC/DC变换器的作用是管理锂电池的能量释放与回收，同时具有稳定母线电压的作用。当母线电压高于设定值时，工作于Buck模式为锂电池充电；当母线电压低于设定值时，工作于Boost模式，锂电池为母线输送能量，起到“削峰填谷”的作用。

双向DC/DC变换器的环路控制采用双环控制，其中电压外环用于母线稳压作用，其输出作为电流内环的给定值L*参与电流内环的运算实现两相交错并联电路的均流控制。其控制环路框图如图7所示：

图7 双向DC/DC变换器控制环路框图

基于以上理论分析及参数设计，在Simulink中搭建双向DC/DC的模型如图8所示。

2.1.4锂电池建模

锂电池采用3.2 V80 Ah的磷酸铁锂电芯，单个电池箱为16S3P结构，整个系统由9个电池箱组成，形成了144S3P的电池组结构，系统总电压为460.8 V，总容量为110.6 kWh。系统仿真中直接调用Simulink库中的电池模型[10]。

图8 双向DC/DC变换器模型

3 仿真结果分析

本文设计的燃料电池双堆能量管理仿真系统，目的是保证两个并联的双堆燃料电池可以对外供能，且输出稳定直流电源，并联的锂电模块负责填补燃料电池瞬态响应不足的缺陷。因此，仿真系统主要验证两方面的可靠性：1、燃料电池堆逐渐启动过程中，母线电压能够顺利被接管；2、应对瞬态负载变化，整个仿真系统的响应能力。

3.1 燃料电池堆启动过程仿真

针对燃料电池启动过程进行仿真，仿真波形如图9所示为燃料电池启动过程仿真波形，其中FC为燃料电池侧的输出电流(A)，bus为母线电压(V)，Li为锂电池的充放电电流(A)。

图9 母线电压的建立及燃料电池的启动

在0-0.01 s以内，燃料电池堆没有启动时，母线电压640 V由锂电池通过双向DC/DC维持，燃料电池堆与锂电池均对外无输出电流；在0.01 s到0.04 s，接入14 kW负载，此时通过锂电池组对负载提供能量，维持母线电压640 V稳定；0.04 s后，由2个燃料电池模块均分功率逐渐代替锂电池为负载供电直至稳定，锂电池退出放电或者补足燃料电池堆的能量缺额。

3.2 燃料电池堆瞬态响应仿真

燃料电池双堆能量管理仿真系统能够结合锂电池的动态负载响应能力与燃料电池持续稳定供能的能力。如图10所示，在0～0.2 s期间，负载从10%、40%、100%依次递增，锂电池能够瞬间填补燃料电池的能量缺额，母线电压最多下跌0.625%后恢复到设定值640 V，随着燃料电池逐渐提升功率，锂电池最终退出对负载的放电。在0.2s～0.4 s，负载依次减少到零，仿真系统的锂电池可以及时吸收燃料电池未来得及减少的能量，直至燃料电池与实际负载再次达到平衡。

随着不断的加减载，燃料电池侧输出特性如图11所示：随着燃料电池输出电流的不断增加，其输出电压不断减小，当降载时，燃料电池电压又逐渐恢复，说明本文建模符合其实际燃料电池输出特性。

图10 瞬态加减载仿真结果

图11 燃料电池输出特性仿真曲线

4 结论

本文分析了燃料电池的物理特点，针对性建立了燃料电池双堆能量管理仿真系统，包含了燃料电池堆模型建模，DC/DC模型建模和锂电池建模。对燃料电池运行的两种典型工况进行了稳态和动态仿真。结果表明，本文所设计的仿真模型可以有效满足燃料电池堆的对外输出工况，既具备高度稳定的持续供能能力，又具备快速动态响应能力。该仿真系统为燃料电池的实际应用提供了一种可靠理想的解决方案，可以成为未来燃料电池技术的一种发展方向。

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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

王颖(1995-)，女，硕士。研究方向：燃料电池能量管理与控制。E-mail:1582473495@qq.com