混合动力系统能量管理策略研究开题报告

目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1.研究目的

燃料电池是一种将化学反应物的自由能按电化学原理转化为电能的能量转换装置，是一种不通过燃烧将化学能转化为电能的装置。随着石油价格的飙升，人们的目光都集中到高能量与洁净能源上。风能、水能及太阳能这些可再生能源的使用将成为趋势。但这些能源的特点是受环境气候的影响较大，不能够提供持续、稳定的能量供应。燃料电池由于具有很高的效率、对于燃料多样化的适应性以及稳定的供电保证，减少了我们对于原油的依赖和对大气有害气体的排放，越来越受到各个行业的青睐。

利用石化能源( 柴油、汽油) 、燃料电池混合供电的混合动力船舶电力推进系统，不仅可节约燃油，还可以降低营运成本，是很有发展前景的能源综合优化利用系统，也是当前船舶节能减排领域的研究热点。

混合动力船舶电力推进系统的关键技术是能量管理及其控制策略，其目的是: 在满足船舶动力性能的前提下，控制策略能够根据混合动力系统特性和实时运行工况，将多种能源合理分配、协调控制，使各部件高效率运行，以达到最大的燃油经济性、最少的排放。[1]

在能源管理方面，混合动力系统中除了包含主动力装置，还需要配备必要的储能设备。常见的储能设备可分为功率型和能量型。前者具有功率密度大，响应速度快等优点，但能量密度较小，如超级电容器、超导储能、飞轮储能等；后者具有能量密度大，但功率响应较慢不适于频繁充放电，如蓄电池和抽水蓄能等。由于缺点的限制，单一的储能设备将很难满足分布式发电与微网的要求，因此，必须结合两种或更多的储能组成混合储能系统，充分发挥两种储能设备技术上的互补性。单一储能设备的拓扑结构应用研究已经很成熟，两种以上不同类型混合储能应用的研究还较少。混合储能中，不同的储能设备通过不同方式连接到公共母线上，可以交流侧并联或直流侧并联。能量转换装置控制储能系统的功率双向流动及最佳运行，该装置的能量损耗及成本是限制其应用的因素，要考虑技术和经济之间的平衡。因此，在相同的应用场合下，可以采用不同拓扑结构的混合储能。

1.2.研究的意义

在现有的新能源应用技术中，燃料电池被公认为是继火电、水电和核电之后具有竞争力的第四代发电技术，具有广阔的应用前景，其优点主要有：①污染小甚至无污染：氢氧燃料电池的反应物为氢气和氧气，排放物仅为水，可以做到零排放。②效率高：燃料电池不受卡诺循环限制，电能转换效率为40%~60%，考虑到热电联供，效率则可达到 85%。③相比于太阳能和风能，燃料电池不受环境的影响，只要有燃料，便可以时刻提供能量，且其能量密度较高。④噪音小：相比于传统柴油机，燃料电池无需机械运动，而是通过氢氧的化学反应产生电能，因此不会产生噪音和振动，能够提升船员工作环境的舒适度。⑤具有良好的组件承载能力、多样化的燃料选择、较低的操作与维护成本。

但与此同时燃料电池有①无储能能力②动态响应性能较差③造假昂贵④目前所能达到的功率较小等缺点，这些缺点使其在船舶上的应用受到限制。目前，燃料电池和储能系统组成的混合动力系统具有能够减少系统成本，增强动态系统性能，延长使用寿命以及储存多余能量等特点，可以在一定程度上弥补其缺点。作为储能设备，蓄电池和超级电容各有优势，通过智能控制算法，两者的结合能够弥补各自的不足。通过对能量管理及其控制策略、储能设备的选择及合理应用的研究对燃料电池混合动力系统具有重要意义。

1.3.国内外研究现状

1.3.1.混合动力系统的能量管理与控制策略

上海海事大学航运技术与控制工程交通行业重点实验室的高迪驹等人研究了一套基于规则的混合动力船舶能量管理策略，提出AC /DC 与双向DC /DC 变换器的协同控制方法。并将该混合动力能量管理与控制策略应用于上海某环境监测单位执法船，实船分析中发现：利用混合动力船舶电力推进系统可以年节省油耗约29.2%,年减少排放约29.5%。进一步通过能效分析证实混合动力船舶相比于其他单能源动力船舶具有以下优点: 减少燃料消耗，降低排放，提高燃料燃烧效率，保护环境; 在电池供电模式下可运行在受保护的水域，如城市水源地，运行水域范围扩大; 可减少柴电机组的装机容量，降低制造成本，具有较好的应用价值和市场推广前景。吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室的张琳等人提出了混合动力汽车复合电源的控制策略，复合电源的控制目标是兼顾整车动力性和燃油经济性，充分利用超级电容瞬时大电流充放电的优势，减小电流对蓄电池的冲击，尽可能多的进行制动能量回收。根据控制目标设计了驱动模式功率分配策略，制动能量回收策略。在混合动力系统中设计完备的能量回收策略，有助于降低成本、提高效率，具有较好的应用价值，利于市场推广。Ameni Kadri等人提出了混合能源管理算法，并指出功率平衡在混合动力系统的控制中起着非常重要的作用，它直接决定混合动力系统的稳定性。开发了一种基于规则的能源管理系统，以支持混合系统不同元素之间的能量流。

1.3.2.辅助储能单元的控制策略研究

中国电力科学研究院的桑丙玉等人以超级电容和蓄电池组成的混合储能为例，分析比较了几种拓扑结构的优缺点，总结出拓扑结构选取的一般原则。在二级低通滤波原理的基础上，提出了基于电池充放电功率限制的混合储能平滑波动功率控制方法。并通过设置电池充放电功率限值，对滤波输出功率进行修正。由超级电容补偿波动尖峰，充放利用超级电容反应快、循环寿命长及瞬间大电流充放电的特点，有效延长电池使用寿命。

1.3.3.燃料电池技术及其船舶应用现状

大连海事大学轮机工程学院的李斌在文章指出使用燃料电池发电和传统热机如柴油机及燃气轮机相比，具有很多优点，如高效率，低排放，低噪声，良好的组件或部件承载能力，多样化的燃料选择，热电齐供，低操作／维修成本。同时也指出了燃料电池应用于船舶的主要问题有价格与操作成本、燃料供应与提取、技术成熟度、安全和入籍问题等。燃料电池是一项新技术，相对成本较高， 这对商业推广来说是主要的障碍。现在燃料电池的初投资费用约是普通柴油机的6倍，但在柴油机的使用寿命之内，使用燃料电池所节省的燃料费用总量约是初投资费用增加量的一半。上海海事大学电工电子中心的黄允千等人在文章中还更进一步的补充说明了燃料电池的一些优点，如安装自由度高，易发展自动化。文章中还指出了一些适合装备燃料电池的船舶，如LNG船，游艇及小型客船，科学考察船，并对其适用性进行了分析。关于国外的应用现状文中也做了一些介绍：1997年8月, 德国西门子公司己经将300kw重8t的FEMFC电池用于2003年服役的德国海军新型2 12 级潜水艇上，日本研制的世界第一艘采用氢氧燃料电池动力的深海科学考察巡航器已经试航。燃料电池技术在船舶上的应用前景非常广阔，但受制于当前技术水平和成本考虑暂时未能广泛应用。

设计任务、重点研究内容、技术方案及进度安排

1.1.设计任务

1.了解燃料电池的基本概念、工作原理和输出特性，特别涉及到质子交换膜燃料电池（PEMFC）；

2. 了解燃料电池作为主推进动力在船舶上的应用现状，分析其作为船舶主动力的优劣势及改进方式；

3. 学习燃料电池混合动力系统中，燃料电池和辅助储能单元（蓄电池/超级电容）的工作方式及结构组成，优化设计动力系统的结构；

4. 学习基本的DC/DC变换器（BOOST/BUCK）工作原理和变换器的控制方式。

1.2.设计需要重点解决的问题与技术方案

1.2.1. 重点解决的问题：

（1）研究混合动力系统中燃料电池和辅助能源间的功率分配，在满足船舶正常航行的前提下，提出适用于船舶燃料电池混合动力系统的能量控制策略；

（2）研究燃料电池、辅助储能单元、DC/DC变换器及推进负载的数学模型，然后在Matlab/Simulink仿真环境下建立仿真模型

（3）在Simulink环境下进行仿真实验验证其可行性。

1.2.2. 技术方案

（1）通过查阅国内外关于混合动力系统的能量管理与控制策略的资料，分析得到混合动力系统中燃料电池和辅助能源间的功率分配关系，并建立相应的数学模型，利用MATLABSIMULINK软件在计算机上仿真验证；

（2）通过查阅国内外关于辅助储能单元的控制策略研究的资料，分析功率型和能量型混合储能不同拓扑结构的优缺点，选取合适的混合储能拓扑结构，根据频谱图确定滤波时间常数的混合储能控制方法，并使用MATLABSIMULINK软件在计算机上建立仿真模型的数学模型，以便进行仿真验证；

（3）基于前期建立的模型研究及相关资料，提出适用于船舶燃料电池混合动力系统的能量控制策略，在MATLAB SIMULINK软件环境中，搭建数学模块，进行控制系统仿真实验，并对所得仿真结果进行分析。