陳新傳，宋 強(qiáng)，黃 榮

（海軍裝備研究院，北京100161）

基于MATLAB平臺的燃料電池系統(tǒng)建模及外特性仿真

陳新傳，宋 強(qiáng)，黃 榮

（海軍裝備研究院，北京100161）

本文建立了燃料電池系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB/SIMULINK平臺建立了燃料電池系統(tǒng)及動力系統(tǒng)的仿真模型；通過仿真計算，研究了燃料電池系統(tǒng)與動力系統(tǒng)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，仿真模型具有良好的匹配性及適用性，該研究方法可以應(yīng)用于燃料電池及動力系統(tǒng)的特性仿真、優(yōu)化設(shè)計和控制系統(tǒng)的研究。

建模 仿真 MATLAB 燃料電池 動力系統(tǒng)

0 引言

燃料電池作為一種新型發(fā)電裝置，與現(xiàn)在廣泛使用的熱機(jī)（燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等）及其它發(fā)電方式相比，具有如下特點［1］：1）效率高；2）污染低；3）噪聲低；4）使用范圍廣。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具有功率密度高、壽命長、運行可靠、環(huán)境友好等特性，并且啟動迅速、達(dá)到滿載時間短，是較為理想的新型動力源。

不依賴空氣動力（AIP）潛艇是當(dāng)今世界常規(guī)潛艇發(fā)展的主流方向，世界許多國家正在積極開發(fā)及研制燃料電池AIP潛艇，而燃料電池同動力系統(tǒng)之間的性能匹配是關(guān)鍵。本文將燃料電池與主電機(jī)、蓄電池組等全艇動力系統(tǒng)結(jié)合起來，建立燃料電池及潛艇動力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行理論計算和仿真研究，并研究燃料電池系統(tǒng)在典型工況下的使用方法。

1 燃料電池動力系統(tǒng)組成

通常燃料電池動力系統(tǒng)由以下幾部分組成：直流推進(jìn)電機(jī)，柴油發(fā)電機(jī)組，蓄電池組，燃料電池AIP系統(tǒng)，直流電網(wǎng)，螺旋槳及船體等。

假設(shè)在國外某典型柴電常規(guī)潛艇動力系統(tǒng)配置的基礎(chǔ)上，加裝燃料電池AIP系統(tǒng)。圖1所示為國際上典型的燃料電池AIP系統(tǒng)框圖。

2數(shù)學(xué)模型的建立

2.1燃料電池電堆的數(shù)學(xué)模型

燃料電池電堆本體采用了在電化學(xué)基礎(chǔ)之上的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?-3］，單電池的電壓與陽極氫氣壓力、陰極氧氣壓力、電池溫度以及電流密度等因素有關(guān)。

式中，PH2表示陽極氫氣壓力（atm），PO2表示陰極氫氣壓力（atm），T表示燃料電池的溫度（K），j表示電流密度，X表示其它可能相關(guān)的系數(shù)。

為了簡化計算，本文燃料電池電堆使用的數(shù)學(xué)模型是由曲線擬合得到的經(jīng)典經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?］，假設(shè)單電池電壓是由以下幾種電動勢共同構(gòu)成的。

ε1，ε2，ε3，ε4均為經(jīng)驗系數(shù)，可由試驗數(shù)據(jù)擬合得出。為最大電流密度，文中取1.5 A·cm-2。

Vst為燃料電池電堆的總電壓（V），N為燃料電池電堆內(nèi)的電池個數(shù)。

2.2直流推進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

常規(guī)潛艇的直流推進(jìn)電機(jī)一般為雙繞組直流幅壓電動機(jī)。根據(jù)使用工況的不同，可以由燃料電池單獨供電，或者由燃料電池與蓄電池聯(lián)合供電，國際上一般采用后者。根據(jù)電磁定律，直流推進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型［5］，如下所示。

其中：

其中：

式中：E為鉛酸蓄電池電壓（V），Ra為電樞繞組的電阻（R），La為電樞繞組的電感（mH），J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2），Cm、Ce為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)和電勢系數(shù)，φ為推進(jìn)電機(jī)磁通（Wb），Mp為螺旋槳扭矩（N·m），MR、MFe、Mf、MZ、Md分別為機(jī)械損耗、鐵耗、電機(jī)損耗、電刷摩擦損耗和附加損耗的等效力矩（N·m），QRH、QFeH、QZH分別為額定工況下的機(jī)械損耗、鐵耗、電刷摩擦損耗。

3 仿真模型的建立

根據(jù)燃料電池數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB/SIMULINK建立燃料電池電化學(xué)仿真模型，如圖2所示。

根據(jù)直流推進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型［5］，建立直流推進(jìn)電機(jī)的仿真模型，如圖3所示。

關(guān)于螺旋槳與艇體等推進(jìn)負(fù)載模型，由于螺旋漿的機(jī)理模型、艇體的三維運動模型非常復(fù)雜，因此從螺旋槳的推進(jìn)理論著手，在船模實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用螺旋槳阻力特性曲線以及敞水特性曲線來建立相應(yīng)的水動力模型［6］，從而得到燃料電池動力系統(tǒng)推進(jìn)負(fù)載的仿真模型，如圖4示。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 經(jīng)濟(jì)航行工況穩(wěn)態(tài)仿真

國外燃料電池 AIP概念的提出是為了降低噪聲、提高續(xù)航力，潛艇執(zhí)行遠(yuǎn)航任務(wù)大部分時間潛伏在水下，使用4節(jié)左右經(jīng)濟(jì)航速航行。潛艇4節(jié)經(jīng)濟(jì)航行工況穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果如表所示。

國外某典型柴電常規(guī)潛艇水下經(jīng)航工況的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果表明：1）全艇用電設(shè)備的功率并不大，燃料電池可單獨供電，蓄電池處于浮充狀態(tài)；2）燃料電池AIP系統(tǒng)比熱氣機(jī)AIP系統(tǒng)更具有優(yōu)越性，使用燃料電池50%額定功率的時候，效率可高達(dá)61.2%；3）采用燃料電池AIP的潛艇水下續(xù)航力將大幅提高，軍事效益十分顯著。因此，國外專家大都認(rèn)為燃料電池AIP是常規(guī)潛艇較理想的動力方案。

4.2 主電機(jī)經(jīng)濟(jì)航行向前進(jìn)一轉(zhuǎn)換的動態(tài)仿真

燃料電池系統(tǒng)供電，潛艇在經(jīng)濟(jì)航行和主電機(jī)航行之間的轉(zhuǎn)換科目操縱時，艇體狀態(tài)難以預(yù)測，此時動力系統(tǒng)能否保持正常運行非常重要。因此有必要對常規(guī)潛艇經(jīng)航向主電機(jī)前進(jìn)一轉(zhuǎn)換的過程燃料電池性能進(jìn)行仿真分析，動態(tài)仿真結(jié)果如下。

5 結(jié)論

本文分析了燃料電池動力系統(tǒng)的構(gòu)成，建立了燃料電池動力系統(tǒng)、直流推進(jìn)電機(jī)、推進(jìn)負(fù)載等數(shù)學(xué)模型和仿真模型，對燃料電池供電航行的典型工況進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)仿真。結(jié)果表明，國外某典型柴電常規(guī)潛艇加裝燃料電池動力系統(tǒng)能夠滿足水下典型工況的需求，將顯著提高潛艇水下經(jīng)航續(xù)航力，并可提高常規(guī)潛艇的水下機(jī)動作戰(zhàn)能力，軍事價值十分顯著。因此，燃料電池AIP是常規(guī)潛艇較理想的動力方案，是未來常規(guī)潛艇AIP技術(shù)的發(fā)展方向。

［1]肖鋼.燃料電池技術(shù)［M］.電子工業(yè)出版社，2009.

［2]Kordesc K V， Oliveira J C T. Fuel cells， Ulmann's encyclopedia of industrial chemistry ［M］. Fifth edition. Germany: VCH， Weiheim， 1996， A12: 55.

［3]X. Xue， J. Tang， A. Smirnova， R. England， Nigel Sammes.System level lumped-parameter dynamic modeling of PEM fuel cell［J］.Journal of Power Sources， 2004，（133）:188-204.

［4]續(xù)智丹，黃海燕.質(zhì)子交換膜燃料電池的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停跩］. 機(jī)械工程學(xué)報，2007，43（10）:126-131.

［5]馬守軍，陳新傳等.某潛艇×××分系統(tǒng)仿真研究（國防科技報告）.

［6]陳新傳，馬守軍等.國外某潛艇動力系統(tǒng)仿真研究（國防科技報告）.

Modeling and Feature Simulation of Fuel Cell System with MATLAB Software

Chen Xinchuan， Song Qiang， Huang Rong
（Naval Academy of Armament， Beijing 100161， China）

This article establishes a model of oxyhydrogen fuel cells system and analyzes the relationships between the fuel cells system and the power system on the platform of MATLAB/SIMULINK. The simulation results show that the model can fit with the power system. The model can be applied to study feature simulation， optimal design and control of fuel cell system.

modeling； simulation； MATLAB； fuel cell； power system

TM911

A

1003-4862（2016）07-0077-04

2016-05-17

陳新傳（1967-），男，高級工程師，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向：潛艇動力系統(tǒng)及技術(shù)。