摘 要

现如今，电动船舶的开发与研究正在逐步的开展中。在这种情况下，将燃料电池（FC）作为动力源整合在混合动力系统中可能是一个有趣的解决方案，因为它们的高效率和低排放，还有无噪音振动以及高模块化等优点使得它在未来有很大的发展空间。但燃料电池在船舶上的应用尚处于起步当中，所以本文采用多电飞机来进行不同能量策略的模拟试验的。本文中考虑的燃料电池混合系统包括燃料电池，锂-离子电池和超级电容器，以及相关的DC / DC和DC / AC转换器，并借助Matlab中的SimPowerSystems(SPS)工具箱对多电飞机能量管理策略进行了仿真模拟试验，以氢消耗、电池/超级电容器的充电状态和整体系统效率为标准来分析各种能量管理策略的性能，最终选出了最优的能量管理策略。

论文主要研究了燃料电池混合系统的几种较为常见能量管理策略：状态机控制策略、经典PI控制策略、模糊逻辑控制策略、以及频率去耦的模糊逻辑控制策略和基于状态的EMS策略，并分析它们的原理以及燃料电池、锂-离子电池和超级电容器这三种能量源的功率分配。

关键词： 燃料电池；混合动力系统；能量管理策略

Abstract

Nowadays, the development and research of electric ships are being carried out gradually. In this case, integrating the fuel cell (FC) as a power source in a hybrid system may be an interesting solution because of their high efficiency and low emissions, and different power supply energy management strategies for fuel consumption, dynamic Performance of these power supply life has a great impact. The fuel cell mixing systems considered in this paper include fuel cells, lithium-ion batteries and super-capacitors, as well as related DC / DC and DC / AC converters, and the use of Matlab SPS toolbox for multi-electric aircraft energy management strategy Simulation experiments were conducted to analyze the performance comparison of various energy management strategies based on hydrogen consumption, charge state of battery / super-capacitor and overall system efficiency. Finally, the optimal energy management strategy was selected.

   This paper mainly studies several common energy management strategies of fuel cell hybrid system: state machine control strategy, classical PI control strategy, fuzzy logic control strategy, and frequency decoupling and fuzzy logic control strategy, and analyze their principles and fuel cell , Lithium-ion batteries and super-capacitors of the three energy sources of power distribution.

   Key words: fuel cell; hybrid system; energy management strategy

目录

第1章绪论 1

1.1：国内外研究 1

1.2目的及意义 1

1.3论文的主要研究工作 2

第2章 混合动力系统的架构以及建模 3

2.1 系统的原理与组成 3

2.2 系统的建模 3

2.2.1 燃料电池模型 4

2.2.2 锂-离子电池模型 5

2.2.3 超级电容器模型 7

2.2.4直流/直流转换器模型 8

2.2.5直流/交流转换器模型 10

2.2.6应急负荷模型 10

2.2.7本章小结 11

第3章 能量管理策略 12

3.1状态机控制策略 13

3.2模糊逻辑控制策略 15

3.3频率解耦和模糊逻辑控制策略 18

3.4经典PI控制策略 21

3.5基于状态的EMS策略 21

3.6本章小结 24

1. 仿真与实验结果 25

第5章总结与展望 33

参考文献 34

致谢 35

第1章 绪论

1.1：国内外研究

随着全球经济的持续发展，船舶废弃物排放对环境的污染日益严重，IMO海上环境保护委员会（MEPC）早在2008年5月就通过了MARPOL 公约VI的修正案，严格限制船舶大气污染物的排放。在这样的大背景下，混合动力电动船的节能减排优势日益显著，这也是未来船舶技术革新的突破方向。

早在上个世纪七十年代，电动船就出现在人们的视野当中了，不过因为当时的科技条件受限，电动船采用的是直流发电，并且无法调整船的速度，所以在那个年代电动船的适用范围比较小。

船用燃料电池的研发始于21世纪，主要是以欧洲的造船强国为中心发展起来的。2009年12月由挪威船级社研发的第一艘由燃料电池进行供电运行的船舶正式开始运营，这个项目的完成预示着船舶动力系统的改革换代。并且从2009年起，韩国的大宇造船公司也开始了对燃料电池的研究，当时其最大的实验功率可达3MW。

自二十世纪九十年代中期以来，开始研究燃料电池在船舶应用的主要的生产厂家为加拿大Ballard公司、德国的Siemens公司以及HDW造船公司等。早在1896年，美国的W.W.Jacques就曾描述到大型以燃料电池作为动力的电力推进船舶。

而燃料电池船舶在国内的研究才仅仅是一个开端，从二十世纪90年代起，国内的各大科研机构和大学院校纷纷开始了对燃料电池的研究，不过研究的主要方向还是集中于航空航天和电动汽车领域。国内对于燃料电池在船舶领域上的研究进度缓慢，鲜有成功的案例，即使有成功的案例，如上海海事大学研制的天翔1号实验船和北京富源燃料电池公司推出的BDA富源一号游艇，其推进功率也仅仅在1400W左右，与国外相比仍有较大差距。因此，燃料电池在船舶上的应用，尤其是在内河小型船舶电力推进领域有着广阔的发展空间。