一种针对燃料电池-蓄电池混合动力船舶的能量管理系统外文翻译资料

一种针对燃料电池-蓄电池混合动力船舶的能量管理系统

韩金刚，Jean-Frederic Charpentier，唐天豪

上海海事大学电子工程学院，海港路1550号E-mail：thtang@shmtu.edu.cn

法国海军学院研究所

作者联系方式：E-Mail：jghan@shmtu.edu.cn；电话： 86-21-3828-2624；传真： 86-21-3828-2609

投递于2014.1.14；修订于2014.3.30；接受于2014.4.9；出版于2014.4.28

摘要：全电力船舶已是船舶能量系统及推进系统的一种标准。在这种情况下，由于燃料电池高效和低排放的特性，将其作为混合动力系统的能源将成为一种可行的方案。在多能源的系统中，所采用的能量管理策略会对燃料消耗量，系统动态特性和能源寿命产生巨大影响。本文为低功率船舶提出了一种采用质子交换膜燃料电池以及电池组作为能源的混合能源系统，同时提出该系统部件的数学模型并应用于MATLAB和Simulink环境进行模拟，分析系统动态特性以及在典型航行循环中的功率分配情况。在此系统环境下，作者提出一种基于运行状态的高效能量管理系统，该系统通过决定系统各部件的工作点来完成对系统效率的最大化。模拟结果证实了本混合能量系统的妥善性以及该能量管理系统应用于实船的可行性。

关键词：燃料电池；氢；蓄电池；能量管理系统；混合动力船舶；航行循环

1.引言

与船舶推进系统相关的排放（二氧化碳、硫氧化物和氮氧化物）对温室效应、酸雨和空气污染等环境问题有着显著的影响。据报道，船舶排放的二氧化碳约占全球二氧化碳排放的3%-5%，相当于在2010年船舶排放了约10亿吨二氧化碳。根据国际海事组织估计，在不采取对策的情况下，船舶二氧化碳排放量将在2050年增长至25亿吨。不仅如此，船舶排放的二氧化硫亦是一大环境问题。据估计船舶二氧化硫排放量将于2010年增长10%-20%，相当于全球硫酸盐排放的5.2%。

尽管京都协议书并不涵盖船舶排放，许多国家都已提出更为严格的排放规定。例如欧盟已在包括西欧水域和波罗的海的敏感海域采用更为严格的二氧化硫排放规定控制排放，规定在这些区域，船舶使用燃料的硫含量不能超过0.1%［1,2］，然而，绝大多数的海运燃料硫含量都超过1%。这即是发展可替代的绿色能源成为船舶推进领域重要问题的原因，然而，高昂的费用、相对较低的能量功率等级以及技术壁垒限制了替代能源系统如燃料电池或其他可再生能源在实船上的应用。

燃料电池是一种最有希望用于船舶的技术。燃料电池有以下几种[3]：质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和直接甲醇燃料电池。这些燃料电池可根据工作温度进行分类：低温燃料电池，运行温度范围50-250，包括质子交换膜燃料电池，碱性燃料电池和磷酸燃料电池；高温燃料电池，运行温度范围650-1000℃，包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。

在过去几年，燃料电池在航海领域的应用已有一些成功实现的范例[4-7]，直至今天，由于低温燃料电池具有零排放、相对较高的能量密度以及快速启动性，大部分燃料电池舰船都是采用低温燃料电池。对于像小型游轮客船这样的小功率船舶而言，低温燃料电池是特别合适的，因为所需的纯氢相对容易储存并且能量自治并非船舶关键要求。另一方面，高温燃料电池，如熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电池，带有转换器的质子交换膜燃料电池，更为适合大功率舰船，因为在这种情况下，这些燃料电池能够通过燃油或者天然气这样的传统燃料进行供给。相关的对于可行性，评价以及设计内涵在[8-11]中有所讨论。

尽管燃料电池有着较好的能力去满足稳定工作状态的功率需求，其针对于瞬时功率需求的动态响应相对较差。不仅如此，功率的动态变化会对燃料电池质子交换膜施加一系列的压力，致使燃料电池的寿命缩短[3]。除此之外，采用燃料电池为舰船供能，无法满足瞬时峰值功率需求，因为其相对于传统内燃机更高的消耗。因此，可以将燃料电池与电池组混合以满足全博得功率需求。混合程度是燃料电池功率占混合动力船舶全船功率需求的比例，这取决与能量储存系统所担任的职责。一般来讲，燃料电池需要提供持续的最小功率，而能量储存系统承担短暂的峰值需求或者加速时的功率需求。用于航海目的时，燃料电池的原动机最少提供巡航功率，否则将导致能量储存系统所负担的能量急剧增长。另一方面，比起混合动力船舶，船舶需要提供更多的空间满足能量储存需求，以至于更大容量的蓄电池可能被安置在甲板上。在[12]中，作者提出了采用一种带有单一直流-直流升压斩波器的燃料电池-蓄电池混合动力系统来满足要求。在[13]中，一种基于模糊逻辑的能量管理系统被用于燃料电池-蓄电池-超级电容混合能量系统中，用来分配不同能源的功率。王以及其同伴[14]比较了不同用于混合动力船舶的能量管理系统。

本文聚焦于混合动力配置在小功率船舶上的应用，目的是调查燃料电池与蓄电池结合的混合动力系统在小功率游船推进系统的表现。为此目的，作者提出了一种基于运行状态的最佳能量管理系统，该系统能量管理策略决定了系统各部分的工作点以最大化系统效率。

本文结构如下：第二章介绍了燃料电池船舶混合动力系统的配置；第三章展示了混合动力系统的建模；第四章提出了基于能量管理系统的运行状态；第五章说明了模拟和讨论结果；第六章总结出结论。

2.燃料电池船舶的描述：

本文中，我们选用了一种等同于一艘真实游轮的常用参数，这些与燃料电池船舶”Alsterwasser”的数据可以在[15]中查到。这艘船由”零排放船舶”计划改造，由欧盟资助[6]。这项开展于2006年年末结束于2010年4月的计划，目的是为水面船舶提供合适的技术方案。这艘燃料电池船在2008年8月于汉堡下水，船长25.5m，船宽5.20m，载客量100人，配备有两台80kw的质子交换膜燃料电池以及560V/360A▪h的缓冲蓄电池，该船燃料为以350bar压力储存在甲板上的50kg氢。船舶参数如表1所示。

表1.燃料电池船舶参数（数据来自[6]）.PEMFC：质子交换膜燃料电池.

图1a说明了燃料电池船舶的混合动力系统配置，燃料电池与直流汇流排通过一个增压器相连，蓄电池则与直流汇流排直接相连。图1b说明了船舶推进电机在入坞和航行的典型航行循环中的功率情况，通过分析该循环中需求功率的主要特点，可以对系统进行如下评估：

bull;推进器最大功率约110kW

bull;加速时间约32秒（163-195s）

bull;巡航功率约40kW

在不考虑辅助能源的情况下，该循环平均功率约41kW。

图1.（a）燃料电池混合动力系统配置；（b）推进电机典型负载特征[15].

3.燃料电池-蓄电池混合动力系统建模

3.1质子交换膜燃料电池

燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的电化学装置，涉及一系列物理及化学反应。图2是燃料电池的原理图。燃料电池由阴阳极组成，质子交换膜燃料电池电解质为能够利用卓越的选择渗透性产生质子或者氢离子固体相聚合物膜。

图2.质子交换膜燃料电池原理图.

燃料氢持续的供应到阳极，同时不断向阴极供应氧气，质子和电子在反应式（1）所示的氧化反应中生成，阳离子从阳极通过不会产生电子的电解液交换膜流向阴极。如果外电路联通，电子可以通过该电路移动，以此产生电流。所有从阳极移动到阴极的正负离子都会与氧结合生成水，反应见反应式（2）。总化学反应式见反应式（3）。

氧化半反应：

2H₂→4H 4e^-

还原半反应：

O₂ 4H 4e^-→2H₂O

电解反应：

2H₂ O₂→2H₂O

本文中，将应用一下假设以简化燃料电池模型。

bull;供应反应堆的氢气，空气以及其他气体都被认为是理想气体.

bull;通过流动通道的压降被忽略不计.

bull;反应堆温度稳定在65℃.

bull;反应堆内部湿度恒定。

bull;假设反应堆反应时没有质量转移.

燃料电池理想开路电压可以通过能斯脱方程计算。影响电压的因素有反应物和产物的局部压力、温度、反应物聚集，则燃料电池的输出电压是能斯脱电压、活化电压、欧姆压降和集中电压的函数[17,18]。因此，一个燃料电池反应堆可以被认为是一个可控电压源与固定电阻的串联，燃料电池电压可以定义为下：

是输出电压（V）；是开路电压（V）；是反应室数量；是塔费尔斜率；是输出电流（A）；是交换电流（A）；是内阻（Omega;）。开路电压定义如下：

,℃

是电压常数，由内部电流和标称工况下塔费尔斜率决定，值不大于1；是气体常数（8.3145j/mol K）；是工作温度（开尔文温度）；是法拉第常数（96,485A s/mol）;是氢气的分压力（atm）；是氧气的分压力（atm）。气体分压力通过下式计算：

是氢气转化率；是氧气转化率；是燃料中氢气的百分比；是氧化剂中氧的百分比；和分别是氢气和氧气的供气压力。氢气和氧气的转化率定义如下：

和是氢气和氧气的流量，单位L/min。

所研究的燃料电池为质子交换膜燃料电池，额定功率为80kW。该燃料电池参数总结如表2。

表2.质子交换膜燃料电池参数。

所研究设备的特性（V-I和P-I特性曲线）如图3所示。

图3.典型电压电流特性与功率电流特性.

对于一个燃料电池系统而言，由于辅助元件如压缩机和冷却系统的存在，辅助能源的存在有时是必要的。辅助功率需求据估计可多达燃料电池堆功率的30%，辅助系统功率主要由压缩机消耗（多达93.5%）[19]。燃料电池堆和燃料电池系统的仅考虑压缩机功率消耗的典型功率曲线如图4a所示。可以看出输出功率大致

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