CN111204430A - 一种水下航行器燃料电池混合推进系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下航行器燃料电池混合推进系统及控制方法，该系统包括质子交换膜燃料电池、主DC‑DC升压变换器、辅助DC‑DC升压变换器、锂电池组、水下推进电机及其逆变器；两个DC‑DC升压变换器同向并联组成双DC‑DC升压变换系统接入PEMFC和锂电池组之间，锂电池组输出端直接与水下推进电机的逆变器相连。双DC‑DC升压变换系统根据PEMFC的工作状态进行协同控制，并采用锂电池组荷电状态滞环控制实现PEMFC的工作状态切换；本发明通过对双DC‑DC升压变换系统的协同控制和锂电池组荷电状态滞环控制，实现燃料电池混合推进系统的高效率工作。

Description

一种水下航行器燃料电池混合推进系统及控制方法
技术领域
本发明属于水下航行器的动力推进系统领域，涉及一种水下航行器燃料电池混合推进系统及控制方法。
背景技术
水下航行器是应用最为广泛的海洋探索设备，随着人们对海洋资源探索的不断深入，水下航行器相关技术的研发目前受到了全世界各国的重视。动力推进系统对水下航行器而言十分重要，水下航行器下潜深度、机动灵活性和续航时间等都受到动力推进系统的影响。
与采用内燃机推进系统的水下航行器相比，采用燃料电池推进系统的水下机器人具有噪声小、能量转化效率高、更环保等诸多优点。尤其是质子交换膜燃料电池(PEMFC)，在具备高能量密度的同时，其工作温度可控制在60摄氏度以下，便于操作和使用安全，因此是水下航行器推进系统的一种理想能量源。然而，燃料电池的功率输出存在延迟响应，并且功率输出特性偏软，输出电压将随负载功率变化而不稳定。因此，通常将PEMFC与锂电池混合使用，提高燃料电池推进系统的功率输出特性和电压稳定性。
PEMFC输出功率受工作温度的影响。在复杂的水下环境下，PEMFC最优输出功率将随水下温度的变化而变化。PEMFC的最优输出功率控制是典型的最大功率跟踪控制问题。通常情况下，可以采用一个DC-DC变换器跟踪PEMFC的最大功率输出。但是，一个DC-DC变换器只有一个峰值效率工作点，不能有效匹配PEMFC在水下不同温度条件下多个最优输出功率点。尤其是水下温度偏低时，PEMFC的最优输出功率将明显降低。另外在PEMFC待机时，即以最低输出功率模式工作时，采用一个大功率DC-DC变换器，将导致很低的直流转换效率。因此，如果仅采用一个大功率DC-DC变换器，在PEMFC大功率输出时，可以实现较高的直流转换效率，但在PEMFC小功率输出或者待机时，大功率DC-DC变换器将以较低的直流转换效率工作，最终导致整个燃料电池混合推进系统工作效率降低。
发明内容
为解决现有技术中燃料电池混合推进系统工作效率降低的问题，本发明提供一种水下航行器燃料电池混合推进系统及控制方法。该燃料电池混合推进系统可根据PEMFC的输出功率对主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器进行协同控制，并通过锂电池组荷电状态滞环控制实现PEMFC的工作状态切换，保证燃料电池混合推进系统的高效率工作。
为实现上述功能，本发明的技术方案是：
一种水下航行器燃料电池混合推进系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池、主DC-DC升压变换器、辅助DC-DC升压变换器、锂电池组和水下推进电机；
所述主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器同向并联后，作为双DC-DC升压变换系统接入质子交换膜燃料电池和锂电池组之间，使质子交换膜燃料电池与水下推进电机的逆变器隔离；
所述锂电池组输出端直接与水下推进电机的逆变器相连。
进一步，所述水下航行器燃料电池混合推进系统的控制方法，包括：双DC-DC升压变换系统的两个DC-DC升压变换器根据PEMFC的工作状态进行协同控制，并采用锂电池组荷电状态滞环控制实现PEMFC的工作状态切换；
进一步，所述的PEMFC输出功率需要与双DC-DC升压变换系统的功率相匹配，其中PEMFC最低输出功率对应于辅助DC-DC升压变换器的峰值效率工作点，而PEMFC的峰值效率工作点对应于主DC-DC升压变换器峰值效率工作点与辅助DC-DC升压变换器的峰值效率工作点之和；
进一步，在燃料电池混合推进系统工作时，所述质子交换膜燃料电池的工作状态次序随质子交换膜燃料电池输出功率增加依次增加，并且PEMFC根据输出功率的大小依次分为5种工作状态：
在PEMFC启动时，工作状态为State＝0；
在PEMFC以最低输出功率工作模式工作时，工作状态为State＝1；
在PEMFC输出功率大于最低输出功率并且低于主DC-DC升压变换器峰值效率工作功率时，工作状态为State＝2；
在PEMFC的输出功率大于主DC-DC升压变换器峰值效率工作功率且小于PMEFC峰值效率工作功率时，工作状态为State＝3；
PMEFC以峰值效率工作模式工作时，工作状态为State＝4；
进一步，根据PEMFC的工作状态，在State＝0时，仅采用辅助DC-DC升压变换器以恒压输出工作模式工作，主DC-DC升压变换器处于空闲模式；在State＝1时，辅助DC-DC升压变换器以峰值效率工作模式工作，主DC-DC升压变换器处于空闲模式；在State＝2时，仅采用主DC-DC升压变换器以恒压输出工作模式工作，辅助DC-DC升压变换器切换至空闲模式；当State＝3时，主DC-DC升压变换器以峰值效率工作模式工作，同时辅助DC-DC升压变换器以最大功率跟踪控制模式工作；当State＝4时，主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器均以峰值效率工作模式工作；
进一步，采用锂电池组荷电状态滞环控制实现PEMFC的工作状态切换，锂电池组荷电状态的滞环控制区间为[0.8,0.9]，在锂电池组荷电状态高于区间上限值0.9时，强制使PEMFC以最低输出功率工作模式工作；在锂电池组荷电状态小于区间下限值0.8时，强制使PMEFC以峰值效率工作模式工作；当锂电池组荷电状态处于滞环控制区间时，PEMFC维持前一时刻工作状态；燃料电池混合推进系统工作时，必须在质子交换膜燃料电池启动后才能实施锂电池组荷电状态滞环控制。
进一步，通过控制辅助DC-DC升压变换器的工作电流来改变PEMFC的输出功率，同时，通过采集PEMFC的输出电压和输出电流计算PEMFC的输出功率，根据PEMFC输出功率的增加或减少控制辅助DC-DC升压变换器工作电流的增加或减少；
进一步，辅助DC-DC升压变换器最大功率跟踪控制等效为PEMFC最大输出功率跟踪控制：辅助DC-DC升压变换器需要根据相邻两次PEMFC输出功率之差进行调节，在当前时刻PEMFC输出功率采样值与前一时刻PEMFC输出功率采样值的差大于零时，增加辅助DC-DC升压变换器的工作电流使PEMFC输出电流增加；在当前时刻PEMFC输出功率采样值与前一时刻PEMFC输出功率采样值的差小于零时，减少辅助DC-DC升压变换器工作电流使PEMFC输出电流减少，最终实现PEMFC最大输出功率跟踪控制。
相对于现有技术，本发明所产生的有益效果是：
本发明针对水下航行器燃料电池混合推进系统，通过引入双DC-DC升压变换系统和相应的控制方法，克服了采用单一大功率DC-DC变换器不能有效匹配PEMFC在水下不同温度条件下多个最优输出功率点的缺陷，该燃料电池混合推进系统可根据PEMFC的输出功率对主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器进行协同控制，并通过锂电池组荷电状态滞环控制实现PEMFC的工作状态切换，保证燃料电池混合推进系统的高效率工作。在保证PEMFC高效率工作同时，也提高了相应的DC-DC升压变换系统的工作效率，最终将有效提高燃料电池混合推进系统的整体工作效率。
本发明的控制方法，基于所述的系统，通过双DC-DC升压变换系统的主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器根据质子交换膜燃料电池的工作状态进行协同控制，并采用锂电池组荷电状态滞环控制实现质子交换膜燃料电池的工作状态切换，保证燃料电池混合推进系统的高效率工作。
附图说明
图1是本发明实施例的燃料电池混合推进系统结构原理图；
图2是本发明实施例的不同工作温度下PEMFC输出功率与工作电流的关系图；
图3是本发明实施例的PEMFC不同工作状态时双DC-DC升压变换系统的协同控制示意图；
图4是本发明实施例的PEMFC最大功率跟踪控制流程图；
图5是本发明实施例的最大功率追踪控制时两个可变参数的变化流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，实施例用于说明本发明而不限制本发明的范围，部分参数可根据实际应用和部件的工作特性做相应匹配和调整。例如：实施例中辅助DC-DC升压变换器的峰值效率工作点为500W，实际应用中该值与PEMFC启动后的最低输出功率相关。
本实施例描述了一种水下航行器燃料电池混合推进系统，其具体结构原理图如图1所示，包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)、主DC-DC升压变换器、辅助DC-DC升压变换器、锂电池组、水下推进电机及其逆变器；
主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器同向并联组成双DC-DC升压变换系统并接入PEMFC和锂电池组之间，使PEMFC与水下推进电机的逆变器隔离；水下推进电机的逆变器直接与锂电池组输出端相连，锂电池对燃料电池混合推进系统起稳压作用。
PEMFC输出功率需要与双DC-DC升压变换系统的功率相匹配，其中PEMFC最低输出功率对应于辅助DC-DC升压变换器的峰值效率工作点，而PEMFC的峰值效率工作点对应于主DC-DC升压变换器峰值效率工作点与辅助DC-DC升压变换器的峰值效率工作点之和。
本实施例中不同工作温度下PEMFC输出功率与工作电流之间的关系图如图2所示。规定PEMFC的最低输出功率为500W，工作温度为55摄氏度时，PEMFC峰值效率对应的输出功率为3300W；其中：PEMFC最低输出功率对应于辅助DC-DC升压变换器的峰值效率工作点，所以辅助DC-DC升压变换器的峰值效率工作点为500W；PEMFC的峰值效率工作点对应于主DC-DC升压变换器峰值效率工作点与辅助DC-DC升压变换器的峰值效率工作点之和，所以主DC-DC升压变换器的峰值效率工作点为2800W。
当PEMFC的工作温度为15摄氏度或25摄氏度时，PEMFC的最大输出功率将低于2800W，对应的效率也会极大降低，因此，PEMFC启动至最低输出功率稳定工作后，相应的工作温度必须控制在35摄氏度以上。
水下航行器燃料电池混合推进系统的控制方法，包括：
双DC-DC升压变换系统的两个DC-DC升压变换器根据PEMFC的工作状态进行协同控制，并采用锂电池组荷电状态滞环控制实现PEMFC的工作状态切换。
PEMFC根据输出功率的大小依次分为5种工作状态：
在PEMFC启动时输出功率小于500W，工作状态为State＝0；
在PEMFC输出功率等于500W时，工作状态为State＝1；
在PEMFC输出功率大于500W并且低于2800W时，工作状态为State＝2；
在PEMFC的输出功率大于2800W且小于3300W时，工作状态为State＝3；PMEFC的输出功率等于3300W时，工作状态为State＝4。
在燃料电池混合推进系统工作时必须根据PEMFC的输出功率，依照所述工作状态的先后顺序依次切换相应的工作状态，并根据相应的工作状态对双DC-DC升压变换系统进行协同控制，如图3所示。
具体协同控制方法如下：
在State＝0时，仅采用辅助DC-DC升压变换器以常规的恒压输出工作模式工作，主DC-DC升压变换器处于空闲模式；
在State＝1时，辅助DC-DC升压变换器以峰值效率工作模式工作，主DC-DC升压变换器处于空闲模式；
在State＝2时，主DC-DC升压变换器以常规的恒压输出工作模式工作，辅助DC-DC升压变换器切换至空闲模式；
当State＝3时，主DC-DC升压变换器以峰值效率工作模式工作，同时辅助DC-DC升压变换器以最大功率跟踪控制模式工作；
当State＝4时，主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器均以峰值效率工作模式工作；
在启动PEMFC以后，采用锂电池组荷电状态滞环控制方法来控制PEMFC的工作状态切换；
锂电池组荷电状态的滞环控制区间为[0.8,0.9]；
在锂电池组荷电状态高于区间上限值0.9时，强制使PEMFC切换至最低输出功率工作模式工作；
例如：前一时刻的PEMFC的工作状态为State＝4且电池组荷电状态小于0.9，后一时刻电池组荷电状态大于0.9时，强制PEMFC工作状态依次序转变为State＝3、State＝2、State＝1，最终，PEMFC的工作状态为State＝1；
在锂电池组荷电状态小于区间下限值0.8时，强制使PMEFC以峰值效率工作模式工作；
例如：前一时刻的PEMFC的工作状态为State＝1且电池组荷电状态大于0.8，后一时刻电池组荷电状态小于0.8时，强制PEMFC工作状态依次序转变为State＝2、State＝3、State＝4，最终，PEMFC工作状态为State＝4；
当锂电池组荷电状态处于[0.8,0.9]区间时，PEMFC维持前一时刻的工作状态，State(t)＝State(t-1)；在实施锂电池组荷电状态滞环控制时，双DC-DC升压变换系统按照PEMFC工作状态进行协同控制。
在控制辅助DC-DC升压变换器以最大功率跟踪控制模式工作时，通过改变辅助DC-DC升压变换器的工作电流实现PEMFC的最大功率输出，因此辅助DC-DC升压变换器最大功率跟踪控制可以等效为PEMFC最大输出功率跟踪控制：
在改变辅助DC-DC升压变换器工作电流的同时，PEMFC的输出电压和输出电流会做出相应改变，通过采集PEMFC的输出电压和输出电流计算PEMFC的输出功率，然后根据PEMFC的输出功率的变化对PEMFC进行最大功率跟踪控制。
PEMFC最大功率跟踪控制流程图如图4所示，辅助DC-DC升压变换器需要根据相邻两次PEMFC输出功率之差进行调节，在启动后，对k-1时刻PEMFC的输出电流I(k-1)和输出电压VFC(k-1)进行采样，并计算PEMFC在此时的输出功率PFC(k-1)，在k时刻，通过调节辅助DC-DC升压变换器的工作电流使PEMFC的输出电流增加α×ΔI，并对k时刻PEMFC的输出电流I(k)和输出电压VFC(k)进行采样，计算PEMFC在此时的输出功率PFC(k)，当PFC(k)-PFC(k-1)>0时，通过调节辅助DC-DC升压变换器的工作电流使PEMFC的输出电流继续增加；反之，通过调节辅助DC-DC升压变换器的工作电流使PEMFC的输出电流减少。
在调节辅助DC-DC升压变换器电流时，通过两个可变参数α和β实现变步长最大功率追踪控制，定义当前时刻PEMFC输出功率采样值与前一时刻PEMFC输出功率采样值的差为PFC(k)-PFC(k-1)＝ΔP。可变参数α和β的变化如图5所示，当ΔP为正且数值较大时采用较大步长实现快速追踪，当ΔP为正且数值较小时，采用较小步长实现精确追踪，例如，当ΔP>100时，α＝2，而当0＜ΔP＜10时，α＝0.05；同理，当ΔP为负且绝对值较大时，采用较大的步长进行反向快速搜索，当ΔP为负且绝对值较小时，采用较小步长实现反向精确追踪，例如，当ΔP≤-10时，β＝0.1，而当-10＜ΔP＜0时，β＝0.01；最终，通过变步长算法快速精确追踪PEMFC的最大输出功率。
上述各种应用场景仅是本发明较佳的实施方式，只为体现本发明的燃料电池混合推进系统的特点，并非对本发明作任何形式上的限制，凡在本发明的精神和原则内做等同替换或修饰，均涵盖在本发明保护范围内。本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (8)

1.一种水下航行器燃料电池混合推进系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池、主DC-DC升压变换器、辅助DC-DC升压变换器、锂电池组和水下推进电机；
所述主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器同向并联后，作为双DC-DC升压变换系统接入质子交换膜燃料电池和锂电池组之间，使质子交换膜燃料电池与水下推进电机的逆变器隔离；
所述锂电池组输出端直接与水下推进电机的逆变器相连。
2.权利要求1所述的水下航行器燃料电池混合推进系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
双DC-DC升压变换系统的主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器根据质子交换膜燃料电池的工作状态进行协同控制，并采用锂电池组荷电状态滞环控制实现质子交换膜燃料电池的工作状态切换。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池最低输出功率对应于辅助DC-DC升压变换器的峰值效率工作点，质子交换膜燃料电池的峰值效率工作点对应于主DC-DC升压变换器峰值效率工作点与辅助DC-DC升压变换器的峰值效率工作点之和。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池的工作状态次序随质子交换膜燃料电池输出功率增加依次增加：
在质子交换膜燃料电池启动时，工作状态为State＝0；
在质子交换膜燃料电池以最低输出功率工作模式工作时，工作状态为State＝1；
在质子交换膜燃料电池输出功率大于最低输出功率并且低于主DC-DC升压变换器峰值效率工作功率时，工作状态为State＝2；
在质子交换膜燃料电池的输出功率大于主DC-DC升压变换器峰值效率工作功率且小于质子交换膜燃料电池峰值效率工作功率时，工作状态为State＝3；
质子交换膜燃料电池以峰值效率工作模式工作时，工作状态为State＝4。
5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述的锂电池组荷电状态滞环控制具体是指：
锂电池组荷电状态的滞环控制区间为[0.8,0.9]，在锂电池组荷电状态高于区间上限值0.9时，强制使质子交换膜燃料电池以最低输出功率工作模式工作；
在锂电池组荷电状态小于区间下限值0.8时，强制使质子交换膜燃料电池以峰值效率工作模式工作；
当锂电池组荷电状态处于该区间时，质子交换膜燃料电池维持前一时刻工作状态；在燃料电池混合推进系统工作时，必须在质子交换膜燃料电池启动后才能实施锂电池组荷电状态滞环控制。
6.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述的协同控制的具体方法为：
在State＝0时，辅助DC-DC升压变换器以恒压输出工作模式工作，主DC-DC升压变换器处于空闲模式；
在State＝1时，辅助DC-DC升压变换器以峰值效率工作模式工作，主DC-DC升压变换器处于空闲模式；
在State＝2时，主DC-DC升压变换器以恒压输出工作模式工作，辅助DC-DC升压变换器处于空闲模式；
当State＝3时，主DC-DC升压变换器以峰值效率工作模式工作，同时辅助DC-DC升压变换器以最大功率跟踪控制模式工作；
当State＝4时，主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器均以峰值效率工作模式工作。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述的辅助DC-DC升压变换器的最大功率跟踪控制是指：
通过控制辅助DC-DC升压变换器的工作电流来改变质子交换膜燃料电池的输出功率，并根据质子交换膜燃料电池输出功率的增加或减少决定辅助DC-DC升压变换器工作电流的增加或减少。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述的辅助DC-DC升压变换器工作电流的增加或减少控制具体是指：
辅助DC-DC升压变换器的工作电流需要根据相邻两次质子交换膜燃料电池输出功率之差进行调节，在当前时刻质子交换膜燃料电池输出功率采样值与前一时刻质子交换膜燃料电池输出功率采样值的差大于零时，增加辅助DC-DC升压变换器的工作电流使质子交换膜燃料电池输出电流增加；在当前时刻质子交换膜燃料电池输出功率采样值与前一时刻质子交换膜燃料电池输出功率采样值的差小于零时，减少辅助DC-DC升压变换器工作电流使质子交换膜燃料电池输出电流减少。
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