船舶用燃料电池-锂电池混合动力系统协同控制策略.pdf
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1、第45卷第2 4期2023年1 2 月舰船科学技术SHIP SCIENCEAND TECHNOLOGYVol.45,No.24Dec.,2023船舶用燃料电池一锂电池混合动力系统协同控制策略董佳怡,李宗韬,王智慧1,陈旭冉2(1.上海杰宁新能源科技发展有限公司,上海2 0 0 444;2.上海海事大学,上海2 0 1 30 6)摘要:船舶用燃料电池锂电池混合动力系统是由燃料电池作为主电源,锂电池作为辅助电源。本文提出一种基于功率解耦的外部能效最大协同优化策略对混合能源进行输出功率分配,并与双闭环PI控制策略、传统外部能效最大化策略(EEMS)进行对比分析,以验证所提出协同控制策略的优越性。关键
2、词:船舶;燃料电池;锂电池;协同优化;功率分配;EEMSVbus中图分类号:TK91文章编号:1 6 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 4-0 1 37-0 4Collaborative control strategy for fuel cell-lithium battery hybrid system of marine(1.Shanghai Jening New Energy Technology Development Co.,Ltd.,Shanghai 200444,China;Abstract:The fuel cell-lithium battery hybrid sh
3、ip uses fuel cells as the main power source and batteries as the auxili-ary power source.An external energy efficiency maximum collaborative optimization strategy based on power decoupling isproposed to allocate the power output of hybrid energy,and it is compared with the double closed loop PI cont
4、rol strategyand the traditional external energy efficiency maximization strategy(EEM S)t o v e r i f y t h e s u p e r i o r i t y o f t h e p r o p o s e d c o l-laborative control strategy.Key words:ship;fuel cell;lithium battery;collaborative optimization;power allocation;EEMS0引言1船用多能能源系统拓扑结构船舶在航
5、运过程中的污染排放对环境有着很大的本文采用燃料电池+锂电池混合多能源系统,通过影响。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有零排放、双向DC-DC变换器和单相BoostDC-DC变换器分别把相对较高的功率密度和快速启动特性,较适合低功燃料电池和锂电池连接到母线上,混合动力系统拓扑率船能源系统,如小型游艇或客船。为满足船舶运行结构如图1 所示。工况需求,提出燃料电池+锂电池混合动力作为船用能源系统。对于船用氢燃料电池+锂电池混合多能源系统,需要采用能量协同优化策略进行功率分配,满足船舶负荷需求。针对船舶应用场景,采用氢燃料电池为主,锂电电池为辅混合多能源系统,需要采取新的能量协同优化策略。为此,本文
6、提出一种基于功率解耦的外部能效最大化策略,以满足船舶多能源系统供能的协同优化与能量管理。收稿日期:2 0 2 3-0 9-0 4基金项目:上海市工业强基项目(GYQJ-2020-1-12)作者简介:董佳怡(1 9 9 4-),女,硕士,研究方向为燃料电池。文献标识码:ADONG Jia-yil,LI Zong-tao,WANG Zhi-hui,CHEN Xu-ran?2.Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)DC-DCPfe能量管理策略(EMS)图1 混合动力系统拓扑结构图Fig.1Topological structure of
7、 hybrid systemdoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.24.025PiodDC-DC138图中,Vbus为母线电压;Pload为负载功率;Pfc为燃料电池功率。本文以Alsterwasser燃料电池客船为例,其主要设计参数为:船长2 5.56 m,宽5.4m,最高速度1 4km/h,乘客1 0 0 名,典型工况下负载平均需求功率43.6 kW,最大功率1 1 2 kW。2动力源建模2.1燃料电池模型根据船舶用能需求和负荷特性,采用基于半经验模型并通过相应公式进行扩展得到的燃料电池数学模型,如图2 所示。R图2 燃料电池数学模型Fig.2 Mathema
8、tical model of fuel cells燃料电池堆电压:Vstack=nVell,Vstack=n(ENernst+Ea c t +Eo h m+Ec o n)。式中:n为串联的单堆燃料电池个数;Vcel为单堆燃料电池电压;ENernst为能斯特电压;Eact、Eo h mEc o n 分别为活化损失、欧姆损失和浓度损失。不同温度下,能斯特电压计算如下式:ENernst=(T-To)-mFmFRT式中:Agixn为特定反应的摩尔标准态自由能变化;m为转移的电子数;F为法拉第常数;s为标准摩尔熵变;T为燃料电池工作温度;To为标准状态温度,R为通用气体常数;PH,为氢分压,PO,为氧分
9、压。活化损耗计算如下式:AEact=$1+2 T+3 T1-(n(co,)+4T1(ln()。(4)式中:5i1、52、$3和$4为经验常数;Ti为温度;co,为阴极膜与气体界面处的氧浓度;催化剂表面阴极侧的有效氧浓度。欧姆损耗计算:AEohm=-I Rohmic=-I(Rproton+Relect)。发生在高电流强度下,浓度损失可通过近似计算:ECo n =B n(1(6)lim/A)式中:B为经验常数;I为电流;lim为极限电流;A为舰船科学技术膜有效面积。2.2锂电池模型根据船用环境,采用改进的Shepherd模型。在Shepherd模型中,通过考虑非线性电压特性和串联内阻,电池被描述为
10、类似于Rint模型。Tremblay2 改进了Shepherd模型,如图3所示。控制电压源E=E,-KHi(tdtli-Ni+AeOmodRohmie图3锂电池模型WFig.3 Model of lithium batteryVVsick青E+1/A第45卷内阻+4V改进Shepherd模型由一个可控电压源和一个内阻组成。模型中参数E表示电池单元的电位,计算如下:QE=E,-KJi-Ni+Ae-8iodrQ-fi(t)dt)电池的端电压计算:Vbatt=E-lbattRinto式中:E,为恒定电位;K为极化常数;Q为活性物质(1)的量;i为电流密度;Ji(t)dt为电池提供的电量;N为(2)内
11、阻;A和B均为经验常数。该模型模拟电池非典型放电曲线,如图4所示。首先,终端电压呈指数下降,然后在标称范围内出现几乎恒定的下降。在公称范围之后,放电曲线再次急剧下降。80(3)E706050080出70600图4放电特性仿真曲线Fig.4Simulation curve of discharge characteristic(5)3多能协同优化策略3.1双闭环PI控制策略燃料电池采用双闭环PI控制,使输出保持动态平衡,整体策略如图5所示。(7)(8)电流放电特性曲线额定区域指定域2040容量/Ah(a)额定电流2040容量/Ah(b)不同电流60608020A80A80100100第45卷SO
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