多电混合动力船舶外文翻译资料

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文摘:目前电力推进是船舶主推进系统标准形式。在此背景下，将燃料电池(FCS)作为混合动力系统的动力源是最受关注的方法，因为其具有高效率和低排放等优点。不同动力源的能源管理策略对其燃料消耗、动力性能和使用寿命等方面都有很大的影响。这篇论文介绍了一种低功率艇的混合动力FC/电池动力系统。混合动力系统由质子交换膜燃料电池(PEMFC)和蓄电池组构成。下面是混合动力系统各组成部分的数学模型。这些模型在Matlab/Simulink仿真环境下能够根据典型的驱动周期动态性能和功率分配进行模拟分析。在此系统中,提出了一种基于操作状态的高效能源管理系统。这个EMS策略决定了系统中每个组件的操作点使系统效率最大化。仿真结果验证了该算法的有效性、混合动力系统和实际船舶驱动周期的EMS。

1. 介绍

与船舶推进装置有关的排放物(，和)对温室效应、酸雨和空气污染等环境问题应承担主要责任。据报道来自船舶的二氧化碳排放量占全球二氧化碳排放总量的3%-5%，并在2010年达到10亿吨。据国际海事组织估计，如果不采取任何应对措施，船舶的二氧化碳排放量将会增加到2050年达到25亿吨。此外，船舶的排放量也是一个问题。据估计它会在2012年增加10%-20%左右，相当于世界上硫化物总负担的5.2%[1]。尽管《京都议定书》没有包含船舶排放的规定，但很多国家已经颁布了更严格的监管规定。例如，欧盟(EU)实施了更严格的规定来控制船舶在特别敏感的海域的排放量，包括西欧水域和波罗的海水域。在这些地区，船舶燃料中的硫含量不得超过0.1%。然而，大多数船用燃料的硫含量都超过0.1%。这就是开发绿色替代能源成为船舶推进系统的一个关键问题的原因。然而，燃料电池(FC)或其他可再生能源系统都具有高成本，功率密度和能量能量密度相对较低等特点，这都是替代能源系统在船舶上应用的技术障碍。

在船舶中最具前景的技术之一是燃料电池(FC system)。燃料电池包括:质子交换膜燃料电池(PEMFC)，碱性燃料电池(AFC)，磷酸燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电(MCFC)，固体氧化物燃料电池(SOFC)直接甲醇燃料电池(DMFC)。它们可以根据工作温度进行分类，工作温度范围在50 - 250°C的低温燃料电池包括质子交换膜燃料电池,碱性燃料电池和磷酸燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池工作范围在650 - 1000°C属于高温燃料电池。

在过去的几年里，燃料电池在船舶上应用得到了很好的发展[4 - 7]。到目前为止，大部分出口的燃料电池船舶都是由低温燃料电池驱动的，这是由于燃料电池的零排放、相对较高的功率密度和快速启动。它们特别适合低功率的船舶，如小型游乐船或客船，因为纯氢储存技术在这些船舶上相对容易实现，而且船舶能量自动化管理也不再是关键特征。另一方面，高温燃料电池，如MCFC, SOFC, PEMFC与reformer，是否更适合大型动力船舶，因为在这种情况下，燃料电池可以用传统燃料作为燃料来源，如柴油或煤气。在[8-11]中讨论了这个理论的可行性、评估和设计问题。

虽然燃料电池在船舶稳定运行状态下能很好的满足船舶所需的能量。但是对于瞬间电力需求的动态响应相对较差。动态电力需求的变化会给燃料电池反应膜施加一个严重的应力，从而减少燃料电池的寿命[3]。此外，用于船舶的燃料电池不能满足瞬时峰值功率要求，因为与传统内燃机相比，其成本更高。因此，可以将燃料电池与电池组组合以满足总电力需求。其杂化的程度取决于燃料电池的功率与混合动力汽车总功率要求的比值，其比值可以根据储能系统所占的比例来确定。通常情况下,燃料电池应该提供最小持续功率并且储能系统能包括峰值暂态需求或加速性能需求。对于燃料电池作为主要动力的船舶，电池必须至少能满足船舶的巡航功率。否则就会导致储能系统对能量的需求急剧增加。另一方面，与混合动力汽车相比，船舶可以提供更大的储能空间，所以可以安装储能容量更大的电池。在[12]中提出了一种具有单DC/DC升压变换器的混合燃料电池电力系统来满足要求。采用基于模糊逻辑的能量管理系统(EMS)。FC /电池/超级电容器混合动力公交车来分配能量在不同来源[13]。Wang等[14]对HEVs的不同能量管理策略进行了比较。

1. 多电混合动力船舶的描述

在本文中，我们将重点介绍如何将低功耗船舶的混合动力配置应用于船舶。本文的目的是研究将燃料电池与电池相联结用于低功率游艇推进器的混合动力系统的性能。 对于这个案例研究，提出一个有效的基于运行状态的最优EMS。 该EMS管理策略的实施为了使系统的每个组件都能达到其最高效率 。

本文组织如下：第2节介绍了混合动力的配置FC船的系统结构; 第3节介绍混合动力系统的建模; 第4节提出基于EMS的运行状态; 第5部分介绍了模拟和讨论;最后的结论在第6部分中总结。

在本文中，我们使用了一个与真正的符合通用规格的游船。 这些通用规格对应于“Alsterwasser”的多电混合动力船，可在[15]中找到。 这艘船已由欧盟资助的零排放船舶（Zemships）项目开发[6]。 目标是该项目于2006年底开始，并于2010年4月结束，旨在提供技术支持适用于水面船舶的解决方案。 FC船于2008年8月在汉堡成立。船长25.5米，宽5.20米，载客量100人。 船是配备两个80 kW的PEMFC和560 V / 360 A·h的缓冲电池。 这艘船是50公斤的氢气驱动，在350bar的压力下储存在船上。表1中显示了该船的参数。

表1.燃料电池（FC）船的参数（数据来自[6]）。 PEMFC：质子

交换膜燃料电池。

图1a显示了FC船的混合动力系统的配置。 FCS是通过升压转换器连接到直流母线，电池直接连接到直流母线。 图1b显示了用于对接和航行的船舶推进电机的典型动力驱动循环[15]。分析这个驾驶周期，可以评估所需电力系统的主要特点：

1、推进峰值功率约为110千瓦;

2、加速时间约为32秒（163-195秒）;

3、巡航功率约为40千瓦。

在电源周期内不考虑辅助电源，平均功率约为41 kW。

图1.（a）用于FC船的混合动力系统的配置; 和（b）典型的负载

推进马达的特性[15]。

1. FC /电池混合能量系统的建模

3.1质子交换膜电池

燃料电池是将化学能直接转换成电能的电化学装置，其中涉及一系列物理和化学反应。 图2显示了燃料电池的示意图。燃料电池由阳极，电解质和阴极组成。 质子交换膜燃料电池的电解质是全氟磺酸膜由于其优良的选择性渗透性，它可以传导质子或H 离子。

图2单个PEMFC的示意图

氢燃料被连续地供给到阳极电极。 氧气同时供给阴极。通过式（1）所示的氧化反应生成质子和离子。 正离子通过不传导电子的电解质交换膜从阳极流向阴极。如果外部电路连接，电子可以通过该电路产生电流。所有从阳极到阴极的正离子或负离子与氧气结合生成所示的水在等式（2）中。 整体化学反应由方程式（3）表示。

氧化反应：

（1）

还原反应：

（2）

总反应：

（3）

在本文中，考虑以下假设以获得简化的燃料电池模型：

1、 堆内充满氢气和空气，气体被认为是理想的;

2、流道中的压降被认为是微不足道的;

3、堆叠在65°C的恒定温度下运行;

4、堆内湿度保持不变;

5、假定烟囱不能在大量运输工况下工作。

燃料电池的理想开路电压可以通过Nernst方程获得，受反应物和产物的分压、温度、反应物浓度的影响。然后，燃料电池的输出电压是能斯特电压，激活电压，欧姆电压的函数下降和浓度电压[17,18]。 因此，燃料电池堆栈可以通过受控电压来建模与恒定电阻串联。 FC电压值可以定义如下：

（4）

其中是输出电压（V）; 是开路电压（V）; N是单元的数量; ATafel坡; 是输出电流（A）; 是交换电流（A）; 是内阻（Omega;）。 公开电路电压可以定义如下：

（5）

（6）

其中是电压常数，可由内部电流和Tafel斜率确定名义运行状态，其值小于或等于1; R是气体常数（8.3145 J / mol K）;T是操作温度（开尔文）; F是法拉第常数（96,485 A s / mol）; 是分压的（atm）; 是（atm）的分压。 气体分压可以计算如下：

（7）

（8）

其中是氢转化率; 氧转化率; x％是的百分比燃料中的氢; y％是氧化剂中氧的百分比; P燃料和P空气是供应压力的氢气和空气。 确定氢和氧的转化率如下：

（9）

（10）

其中和是以L / min为单位的氢气和空气的流量。所研究的燃料电池是额定功率为80kW的PEMFC。 总结了燃料电池的参数在表2中。

表2质子交换膜燃料电池参数

这个装置的放电特性曲线（V-I和P-I特性曲线）如图3所示。

图3.电压，功率与电流的典型特性曲线

在燃料电池中，辅机电源通常是必要的，因为辅机包括压缩机和冷却系统等。 辅机功率估计要求高达燃料电池混合动力系统总功率的30％。压缩机消耗了辅机电源功率的主要部分（高达93.5％）[19]。 燃料电池混合动力系统和燃料电池的典型功率曲线在图4a中显示并且仅考虑压缩机功耗。 可以发现输出功率与电流叠加近似成正比。 燃料电池的效率主要依靠其输出功率显示，在这项工作中考虑了辅助功耗，如下所示图4b。 从图3和图4中可以发现燃料电池混合动力系统在功率为98kw/h时的效率为5

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