一种基于Simulink的燃料电池混合动力系统及建模方法

本发明涉及船舶，具体而言，尤其涉及一种基于simulink的燃料电池混合动力系统及建模方法。

背景技术：

1、近年来，交通领域清洁低碳安全高效的交通工具逐渐成为了主流。在绿色航运领域，新能源正在逐步应用于商业船舶的动力系统，其中，太阳能、风能等传统新能源由于其间歇性与功率体积比受限，在船舶上难以应用；纯电动船舶目前已广泛应用于各中小型商业船只中，但是由于动力电池能量密度有限，续航里程较差，安全性不足，使得其发展前景有限；氢燃料电池具有高能量比、零碳排放、高效率的特点，十分适合应用于新能源船舶动力系统中。目前包括我国在内的各个国家都已经开展了氢能船舶的研发计划，并有少数已经应用于商业船舶

2、作为未来的环境战略，我们以减少能源消耗和减少co2、sox、nox及pm排放为目标。有许多方法可以减少船舶的污染和排放，其中最好的方法是利用替代能源。目前，许多类型的能源可以很容易地应用于船舶，如液化天然气、燃料电池、太阳能、风能和大容量电池，以减少船舶的排放力技术越来越成熟，取代以往的传统单一的柴油机动力推进只是时间的问题，如今我国也大力支持混合动力技术的研究。

3、为了能够在根本上解决船舶海洋污染的问题，通过改进船舶的动力系统方式，或者使用清洁能源为燃料来解决问题。因此采用一种混合动力船舶推进系统，来解决船舶的动力问题，电力使用问题，最重要的是达到了节能减排的目的，也为船舶的动力选择提供更多的选择。所以说混合动力系统是单一的系统进化到绿色能源推进系统的可行性的实施办法。

4、由此可见，船舶行业的绿色和节能发展已经成为公认的目标。对于船舶行业的绿色和节能发展，主要有混合动力船、纯电动船、清洁能源船舶如太阳能风能船等几个方向。由于清洁能源技术的限制，纯清洁能源的船舶应用十分稀少。而受蓄电池技术的限制，纯电动船的续航能力依然受到一定的质疑。即船舶由内燃机向零排放能源发展还需一个过渡产品来支撑稳定可靠清洁能源技术的到来。混合动力船舶无疑是这一过渡产品的理想选择。混合动力系统已在汽车上得到广泛的应用，而相比于汽车，船舶的单体排放污染要更高，但船舶混合动力系统的应用仍局限于部分特殊船只。这与船舶的航行工况有一定的关系。相对于汽车行业，船舶的航行工况更具特异性，这使得其无法像汽车那样为船舶配置标准化的混合动力系统。

5、船舶混合动力系统的设计要从船舶本身特性出发，得到船舶的阻力特性，然后根据船舶航行工况的需求对混合动力系统中的柴油机、电机、电池、传动系统、推进器等进行匹配选型。确定混合动力系统的硬件配置后，还要根据船舶航行工况的需求设计混合动力功率分配控制策略。对于不同种类或型号及用途的船舶来说，阻力特性和航行工况需求差距较大，因此，要为每艘船舶设计自己的混合动力系统。船舶混合动力系统匹配选型与常规动力系统匹配选型有许多相同之处，都是船舶设计的关键部分，良好的选型不仅可以胜任船舶的各种航行需求，还能大大节约船舶的生产成本及运营成本。混合动力系统作为一种以节能减排为标签的动力系统更注重运营成本的节约。混合动力系统的匹配与选型关键在于船舶阻力特性和混合动力两种或两种以上动力间的配合选择。另外混合动力船舶的节能减排并不是仅依靠匹配选型就能完成的，节能减排是依靠柴油机与电池、电机间的相互配合，使柴油机和电池都工作在相对效率较高的工作范围内，而维持柴油机和电池工作在高效率范围内就要依靠一定的功率分配控制策略。因此，混合动力系统功率分配控制策略也是混合动力系统研究的重点。

6、经过对现有技术的检索发现，一些现有技术只是分析了混合动力船舶的氢气消耗量，提出了不同的能量管理策略，提高了氢气的利用率，有效避免资源浪费。但是并未将其与实际船舶运行工况联合起来，不能有效结合实际工况与理想工况对比。可见，该类型专利的混合动力系统只针对能量源进行控制，而对实际工况的考虑较少。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，提供一种基于simulink的燃料电池混合动力系统。本发明通过设计不同能量管理策略，用来模拟船舶在多种工况下氢燃料电池与锂电池功率分配。根据船舶在启动、加速、减速并停船工况的模拟，分析负载功率的变化，选择合适的能量管路策略，能够有效节约能源，避免资源浪费。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种基于simulink的燃料电池混合动力系统，包括：能量管理策略模块、燃料电池模块、锂电池充放电模块、单向dc/dc升压变换器模块、双向dc/dc变换器模块、氢气消耗模块，其中：

4、所述能量管理策略模块，连接燃料电池模块和锂电池充放电模块，用于获取船舶需求功率，并将船舶需求功率分配成燃料电池需求功率和锂电池需求功率；

5、所述燃料电池模块，用于获取燃料电池需求功率，并根据燃料电池需求功率计算燃料电池输出功率；

6、所述锂电池充放电模块，用于获取锂电池需求功率，并根据锂电池需求功率计算锂电池输出功率；

7、所述单向dc/dc升压变换器模块，输入端连接燃料电池模块，输出端连接直流母线，用于根据燃料电池输出功率将燃料电池侧电压升至直流母线需求电压；

8、所述双向dc/dc变换器模块，输入端连接锂电池充放电模块，输出端连接直流母线，用于根据锂电池输出功率将锂电池电压升至直流母线需求电压；

9、所述氢气消耗模块，连接燃料电池模块，用于根据燃料电池输出功率计算燃料电池的氢气消耗量。

10、进一步地，所述燃料电池模块包括：电性连接的能斯特电压模块，活化极化电压模块，浓差电压模块，欧姆极化电压模块，其中：

11、所述能斯特电压模块，用于计算能斯特电压enernst，计算公式如下：

12、

13、上式中，t为燃料电池运行内部温度，f为法拉第常数，r为通用理想气体常数ph2和po2分别代表氢气分压与氧气分压；

14、所述活化极化电压模块，用于计算活化极化电压uact，计算公式如下：

15、

16、上式中，α为转化因子，i为实际电流密度，i0为交换电流密度；

17、所述浓差电压模块，用于计算浓差极化电压ucon，计算公式如下：

18、

19、上式中，b为常数，jmax为最大电流密度，j为燃料电池工作的负载度；

20、所述欧姆极化电压模块，用于计算欧姆极化电压uohm，计算公式如下：

21、uohm＝irohm＝i(rm+rc)

22、上式中，i为燃料电池对外输出电流，rm为质子交换膜等效电阻，rc为膜阻参数。

23、进一步地，所述锂电池充放电模块包括：电性连接的可变电阻等效模块和功率判断模块，其中：

24、所述可变电阻等效模块，用于方便获取锂电池需求功率；

25、所述功率判断模块，用于根据锂电池需求功率判断锂电池的输出功率，并计算锂电池容量，计算公式如下：

26、

27、

28、

29、上式中，q0为锂电池初始容量，qmax为锂电池最大容量，ia为锂电池电流，e0为锂电池恒定电压值，k为极化常数，i*为低频动态电流，i为电池电流，it为提取容量，q为最大电池容量，a为指数电压，b为指数容量。

30、进一步地，所述能量管理策略模块基于stateflow将船舶需求功率分配成燃料电池需求功率与锂电池需求功率，具体包括：

31、在蓄电池组的soc小于最小设值45％时，系统切换至单动力源推进模式，此时无论功率需求大小，均由燃料电池单独承担船舶运行负载并为蓄电池组充电；

32、在蓄电池组的soc大于设定的限值45％且小于70％时，系统根据功率需求多少进行能量分配；若船舶运行需求功率较小，燃料电池单独承担系统功率需求并为蓄电池进行充电；若船舶功率需求较高，则有燃料电池与蓄电池共同承担系统功率需求，但蓄电池只承担小部分功率；

33、在蓄电池组的soc大于70％时，此时系统运行在混合动力推进模式，船舶需求功率将由燃料电池与蓄电池共同承担。

34、进一步地，所述氢气消耗模块根据燃料电池输出功率计算燃料电池的氢气消耗量，计算公式如下：

35、

36、其中，wfc为氢气消耗量，pfc为燃料电池输出功率，ηfc为燃料电池效率。

37、本发明还提供了一种基于simulink的混合动力船舶的建模方法，基于上述燃料电池混合动力系统实现，包括：

38、s1、建立燃料电池模型，如下：

39、

40、

41、uohm＝irohm＝i(rm+rc)

42、

43、上式中，efc为燃料电池输出电压，enernst为能斯特电压，uact为活化极化电压，uohm为欧姆极化电压，ucon为浓差极化电压；t为燃料电池运行内部温度，f为法拉第常数，r为通用理想气体常数ph2和po2分别代表氢气分压与氧气分压；α为转化因子，i为实际电流密度，i0为交换电流密度；i为燃料电池对外输出电流，rm为质子交换膜等效电阻，rc为膜阻参数；b为常数，jmax为最大电流密度，j为燃料电池工作的负载度；

44、s2、建立锂电池模型，如下：

45、

46、

47、

48、上式中，q0为锂电池初始容量，qmax为锂电池最大容量，ia为锂电池电流，e0为锂电池恒定电压值，k为极化常数，i*为低频动态电流，i为电池电流，it为提取容量，q为最大电池容量，a为指数电压，b为指数容量；

49、s3、建立氢气消耗模块，如下：

50、

51、其中，wfc为氢气消耗量，pfc为燃料电池输出功率，ηfc为燃料电池效率；

52、s4、设计能量管理策略，用于模拟船舶在多种工况下氢燃料电池与锂电池功率分配，并根据船舶在启动、加速、减速并停船工况的模拟，分析负载功率的变化，选择合适的能量管路策略。

53、进一步地，所述步骤s4中，依据动力电池soc阈值，确定燃料电池的切换规则，按照不同的行驶工况，将燃料电池船分为动力电池单独驱动模式、双电源共同驱动模式、巡航充电模式、再生制动模式，具体包括：

54、在蓄电池组的soc小于最小设值45％时，系统切换至单动力源推进模式，此时无论功率需求大小，均由燃料电池单独承担船舶运行负载并为蓄电池组充电；

55、在蓄电池组的soc大于设定的限值45％且小于70％时，系统根据功率需求多少进行能量分配；若船舶运行需求功率较小，燃料电池单独承担系统功率需求并为蓄电池进行充电；若船舶功率需求较高，则有燃料电池与蓄电池共同承担系统功率需求，但蓄电池只承担小部分功率；

56、在蓄电池组的soc大于70％时，此时系统运行在混合动力推进模式，船舶需求功率将由燃料电池与蓄电池共同承担。

57、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

58、1、本发明提供的基于simulink的燃料电池混合动力系统，能够应用于船舶所有工况，最终模拟出船舶各动力源功率分配结果，且结果准确性非常高，节约时间成本，在实际应用中，通过对功率的预测也可以提高船舶实际运行的安全性。

59、2、本发明提供的基于simulink的燃料电池混合动力系统，通过设计不同能量管理策略，用来模拟船舶在多种工况下氢燃料电池与锂电池功率分配。根据船舶在启动、加速、减速并停船工况的模拟，分析负载功率的变化，选择合适的能量管路策略，能够有效节约能源，避免资源浪费。

60、3、本发明提供的基于simulink的燃料电池混合动力系统，除对船舶功率进行有效分配，能量管路策略模块可实时监测动力电池soc的变化，保证了系统的安全性。

61、基于上述理由本发明可在船舶等领域广泛推广。