基于MATLAB平台的燃料电池系统建模及外特性仿真

陈新传，宋 强，黄 荣

（海军装备研究院，北京100161）

基于MATLAB平台的燃料电池系统建模及外特性仿真

陈新传，宋 强，黄 荣

（海军装备研究院，北京100161）

本文建立了燃料电池系统的数学模型，采用MATLAB/SIMULINK平台建立了燃料电池系统及动力系统的仿真模型；通过仿真计算，研究了燃料电池系统与动力系统之间的关系。结果表明，仿真模型具有良好的匹配性及适用性，该研究方法可以应用于燃料电池及动力系统的特性仿真、优化设计和控制系统的研究。

建模 仿真 MATLAB 燃料电池 动力系统

0 引言

燃料电池作为一种新型发电装置，与现在广泛使用的热机（燃气轮机、内燃机等）及其它发电方式相比，具有如下特点［1］：1）效率高；2）污染低；3）噪声低；4）使用范围广。质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有功率密度高、寿命长、运行可靠、环境友好等特性，并且启动迅速、达到满载时间短，是较为理想的新型动力源。

不依赖空气动力（AIP）潜艇是当今世界常规潜艇发展的主流方向，世界许多国家正在积极开发及研制燃料电池AIP潜艇，而燃料电池同动力系统之间的性能匹配是关键。本文将燃料电池与主电机、蓄电池组等全艇动力系统结合起来，建立燃料电池及潜艇动力系统数学模型，进行理论计算和仿真研究，并研究燃料电池系统在典型工况下的使用方法。

1 燃料电池动力系统组成

通常燃料电池动力系统由以下几部分组成：直流推进电机，柴油发电机组，蓄电池组，燃料电池AIP系统，直流电网，螺旋桨及船体等。

假设在国外某典型柴电常规潜艇动力系统配置的基础上，加装燃料电池AIP系统。图1所示为国际上典型的燃料电池AIP系统框图。

2数学模型的建立

2.1燃料电池电堆的数学模型

燃料电池电堆本体采用了在电化学基础之上的经验模型［2-3］，单电池的电压与阳极氢气压力、阴极氧气压力、电池温度以及电流密度等因素有关。

式中，PH2表示阳极氢气压力（atm），PO2表示阴极氢气压力（atm），T表示燃料电池的温度（K），j表示电流密度，X表示其它可能相关的系数。

为了简化计算，本文燃料电池电堆使用的数学模型是由曲线拟合得到的经典经验模型［4］，假设单电池电压是由以下几种电动势共同构成的。

ε1，ε2，ε3，ε4均为经验系数，可由试验数据拟合得出。为最大电流密度，文中取1.5 A·cm-2。

Vst为燃料电池电堆的总电压（V），N为燃料电池电堆内的电池个数。

2.2直流推进电机的数学模型

常规潜艇的直流推进电机一般为双绕组直流幅压电动机。根据使用工况的不同，可以由燃料电池单独供电，或者由燃料电池与蓄电池联合供电，国际上一般采用后者。根据电磁定律，直流推进电机的数学模型［5］，如下所示。

其中：

其中：

式中：E为铅酸蓄电池电压（V），Ra为电枢绕组的电阻（R），La为电枢绕组的电感（mH），J为电机的转动惯量（kg·m2），Cm、Ce为电机的电磁转矩系数和电势系数，φ为推进电机磁通（Wb），Mp为螺旋桨扭矩（N·m），MR、MFe、Mf、MZ、Md分别为机械损耗、铁耗、电机损耗、电刷摩擦损耗和附加损耗的等效力矩（N·m），QRH、QFeH、QZH分别为额定工况下的机械损耗、铁耗、电刷摩擦损耗。

3 仿真模型的建立

根据燃料电池数学模型，采用MATLAB/SIMULINK建立燃料电池电化学仿真模型，如图2所示。

根据直流推进电机的数学模型［5］，建立直流推进电机的仿真模型，如图3所示。

关于螺旋桨与艇体等推进负载模型，由于螺旋浆的机理模型、艇体的三维运动模型非常复杂，因此从螺旋桨的推进理论着手，在船模实验结果的基础上，采用螺旋桨阻力特性曲线以及敞水特性曲线来建立相应的水动力模型［6］，从而得到燃料电池动力系统推进负载的仿真模型，如图4示。

4 仿真结果及分析

4.1 经济航行工况稳态仿真

国外燃料电池 AIP概念的提出是为了降低噪声、提高续航力，潜艇执行远航任务大部分时间潜伏在水下，使用4节左右经济航速航行。潜艇4节经济航行工况稳态仿真结果如表所示。

国外某典型柴电常规潜艇水下经航工况的稳态仿真结果表明：1）全艇用电设备的功率并不大，燃料电池可单独供电，蓄电池处于浮充状态；2）燃料电池AIP系统比热气机AIP系统更具有优越性，使用燃料电池50%额定功率的时候，效率可高达61.2%；3）采用燃料电池AIP的潜艇水下续航力将大幅提高，军事效益十分显著。因此，国外专家大都认为燃料电池AIP是常规潜艇较理想的动力方案。

4.2 主电机经济航行向前进一转换的动态仿真

燃料电池系统供电，潜艇在经济航行和主电机航行之间的转换科目操纵时，艇体状态难以预测，此时动力系统能否保持正常运行非常重要。因此有必要对常规潜艇经航向主电机前进一转换的过程燃料电池性能进行仿真分析，动态仿真结果如下。

5 结论

本文分析了燃料电池动力系统的构成，建立了燃料电池动力系统、直流推进电机、推进负载等数学模型和仿真模型，对燃料电池供电航行的典型工况进行了稳态和动态仿真。结果表明，国外某典型柴电常规潜艇加装燃料电池动力系统能够满足水下典型工况的需求，将显著提高潜艇水下经航续航力，并可提高常规潜艇的水下机动作战能力，军事价值十分显著。因此，燃料电池AIP是常规潜艇较理想的动力方案，是未来常规潜艇AIP技术的发展方向。

［1]肖钢.燃料电池技术［M］.电子工业出版社，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]续智丹，黄海燕.质子交换膜燃料电池的半经验模型［J］. 机械工程学报，2007，43（10）:126-131.

［5]马守军，陈新传等.某潜艇×××分系统仿真研究（国防科技报告）.

［6]陈新传，马守军等.国外某潜艇动力系统仿真研究（国防科技报告）.

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

陈新传（1967-），男，高级工程师，硕士研究生导师。研究方向：潜艇动力系统及技术。