摘 要

文章针对内河C级小型游艇，采用燃料电池和蓄电池组并联结构作为船舶的混合动力系统，根据游艇的航行工况，设计基于燃料电池-蓄电池混合动力系统的能量管理策略。本文选择模糊逻辑控制策略对能量进行管理，运用 MATLAB/Simulink 软件搭建燃料电池-蓄电池游艇混合动力系统及模糊逻辑控制器的仿真模型。通过仿真，可知燃料电池-蓄电池船舶的能量管理策略可以实现内河小型游艇航行中的能量控制。

关键词：燃料电池-蓄电池 混合动力系统 模糊逻辑控制 Simulink

Abstract

In this paper, the fuel cell and battery-side parallel structure is used as the hybrid system of the ship's C-class small yacht. Based on the navigation conditions of the yacht, the energy management strategy based on the fuel cell-battery hybrid system is designed. This paper chooses the fuzzy logic control strategy to manage the energy, and uses MATLAB / Simulink software to build the simulation model of fuel cell - battery yacht hybrid system and fuzzy logic controller. Through the simulation, it can be seen that the energy management strategy of the fuel cell - battery ship can realize the energy control in the small river yacht sailing.

Key words: fuel cell-battery hybrid system fuzzy logic control Simulink

目录

燃料电池-蓄电池船舶的能量管理策略 I

第1章 绪论 1

1.1燃料电池-蓄电池游艇的的开发背景及意义 1

1.2国内外混合动力船舶研究动态 2

1.3并联式混合动力控制策略研究现状与选择 3

第2章 母型游艇及燃料电池-蓄电池的选取 5

2.1母型游艇的主要参数 5

2.2燃料电池的选取 5

2.2.1 SOFC固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell) 5

2.2.2 MCFC熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell) 6

2.2.3 RFC再生氢氧燃料电池(Reversible Fuel Cell) 6

2.2.4 PEMFC质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 6

2.2.5 AFC碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell) 7

2.2.6 PAFC磷酸型燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell) 7

2.3 燃料电池的输出特性与辅助能量存储系统 8

2.4蓄电池的选取 9

2.4.1 铅酸蓄电池 9

2.4.2 胶体铅酸蓄电池 10

2.4.3 镍氢蓄电池(MH-Ni) 10

2.4.4 锂离子蓄电池 11

第3章 混合动力系统结构组成与工作模式分析 12

第4章 混合动力系统模糊逻辑控制策略设计 14

4.1模糊逻辑控制系统原理及组成 14

4.2 模糊逻辑控制系统框图设计 15

4.3 输入输出量确定及其模糊化 15

4.4隶属度函数选取 16

4.5 模糊控制规则库的设计 18

第5章 仿真分析 21

5.1参数设置 21

5.2仿真结果 22

第6章 结 论 26

参考文献 27

致 谢 30

第1章 绪论

1.1燃料电池-蓄电池游艇的的开发背景及意义

游艇产业与人们的生活息息相关，在过去的一百多年历史中得到了迅猛发展，根据中国游艇行业现状研究分析及发展趋势预测报告（2016年），游艇产业的发展历程：在1913年，美国最早开辟了游艇产业市场； 经过50多年的发展，游艇产业的发展进入高速成长期；在1970年到1990年间达到繁荣时期；二十世纪90年代初之后，由于经济影响，世界游艇产业市场出现疲劳期，美国游艇产业也出现了暂时的下滑，但不久之后又迅速进入高速发展的时期，到目前为止一直保持着世界游艇产业市场的统治地位^[1]。在此期间，我国游艇产业蓬勃发展，但同时也给能源和环境带来了巨大的压力。目前世界上的内河小型游艇大多数是使用柴油作为动力能源，需要装设一台独立的发电系统以及相关的配电装置，这就大大增加了效率和成本。同时，内河小型游艇快速的进入市场伴随而来很多无法回避的问题，特别是当游艇经过市区内河航道航行时，会对河道周边的环境污染，带来巨大的噪音，严重影响了周边居民的日常生活。为此，我国出台了相关的法律、法规对游艇污染排放进行有效的控制，如《海洋环境保护法》、《水污染防治法》、《环境噪声污染防治法》、《海上交通安全法》和《内河交通安全管理条例》等。在全球能源逐年紧缺的局势下，如何去提升游艇的节能环保性以及使用舒适性就显得尤为重要^［2］。未来绿色环保的发展船舶成为大势所趋 ^[3-4]。新能源游艇的出现使得污染问题有了解决的曙光，燃料电池作为动力能源的游艇就是其中的一种，它有绿色环保、安全可靠以及能源利用效率高等优点，但是在使用时必须要有良好的工作环境以及其他苛刻的要求使得燃料电池很难大范围的普及。主要原因在于电极催化剂寿命短、储氢材料的储氢质量密度小、质子交换膜寿命短以及燃料电池的动力输出特性不好等^[5-6]。和普通的车用燃料电池应用相比较，燃料电池在船舶中的应用有很大的成果 ^[7-10]，最主要原因是在运行条件和环境方面船舶的优于车辆的，即船舶的空间与载重比汽车的大，还有船舶航道环境要比公路环境好的多。因此，就这两方面而言，进入 21 世纪以来，燃料电池在商船上的应用日益受到重视，同时以燃料电池作为船舶动力的前景也被广泛看好。2003 年 10 月，德国MTU 公司开发出了使用加拿大 Ballard 公司的 20 k W燃料电池船舶 Sailing Boat，在航速为 6 km/h 的情况下，航程为 225 km^[9]。同年，美国 Anuvu 公司开发出了一艘以燃料电池和蓄电池作为混合动力的船舶“Sodium Borohydride Water Taxi”^[9]。2008 年，德国Zemships 项目的燃料电池推进船舶 Alsterwasser（客船，配置 48 k W PEMFC）投入到阿尔斯特河上营运，这是全球第一艘以燃料电池为动力的投入运营的电力推进客船^[11]。2009 年，挪威 Fellowship 项目已将熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）成功安装在北海运营的一艘海洋工程供应船 Viking Lady 号（320 k W，由 LNG 驱动），成为世界上第一艘通过使用燃料电池技术在船上发电的营运船舶^[12]。

随着综合电力系统（Integrated Power System， IPS）技术以及全电力船舶^[13]的快速发展，船舶能量管理系统(Power Management System， PMS)的应用逐渐成为未来船舶发展的必然趋势^[14-17]。船舶能量管理系统是船舶综合电力系统的大脑，是综合电力系统的不可或缺的部分。随着船舶综合电力系统技术进一步的发展，船舶越来越趋向于自动化、智能化，船舶的电站容量、电力系统网络结构形式都随之改变，电力的产生、分配、管理变得错综复杂，必须采用基于系统的分析来实现深层次对能量的管理。随着燃料电池技术的不断进步，使得燃料电池在内河小型游艇上的应用已成为可能。但是，燃料电池系统动态响应较慢，输出特性无法满足游艇在启动、加速、紧急制动等多种工况时的功率需求，因此需要引入辅助动力能源来补偿功率波动、提高峰值功率。目前用的最多的燃料电池辅助动力能源主要有蓄电池和超级电容器等。

1.2国内外混合动力船舶研究动态

为了可以缓解船舶的能源短缺问题和环境污染问题，近年来开发出了一种新型的船舶技术，那就是船舶混合动力技术，已经成为了船舶发展的新方向 ^[19-20]。目前市场上的混合动力游艇主要是以柴油发电机、风能、太阳能或蓄电池等的不同组合作为动力源，具有节约成本、绿色环保等优点，有很大的发展前景 ^[21-22]。