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燃料電池是一種新型清潔能源，其電源系統(tǒng)直接通過氫氧電化學反應把化學能轉(zhuǎn)換成電能，效率通常高于其他發(fā)電裝置，在反應過程中不涉及到燃燒，可以長時間不間斷地工作，同時兼具普通化學電源能量轉(zhuǎn)換效率高和常規(guī)發(fā)電機組連續(xù)工作時間長兩種優(yōu)勢，能與飛行器推進分系統(tǒng)共用燃料，實現(xiàn)整個航天器系統(tǒng)的優(yōu)化，對航天器性能提升和未來深空探測任務具有非常重要的意義。

對于燃料電池，國內(nèi)外已有諸多研究。國內(nèi)中科院大連化學物理研究所、中船等研究機構(gòu)面向燃料電池車、潛艇、無人機等應用平臺，已完成了燃料電池電源系統(tǒng)的驗證，但其更偏重于電堆的特性[1-3]，重點對電堆進行研究，而非電源系統(tǒng)；部分高校也開展了燃料電池電源系統(tǒng)的研究，但其只提出了系統(tǒng)方案或構(gòu)建了系統(tǒng)仿真模型[4-6]，未研制實際系統(tǒng)進行試驗驗證。

國外研究相對較早，已在20世紀70年代實現(xiàn)了燃料電池電源系統(tǒng)的在軌應用，但此后空間應用研究相對較少。近些年國外對于燃料電池電源系統(tǒng)的研究更多面向民用領域，例如Souleman Njoya Motapon等[7]通過理論分析建立了燃料電池電源系統(tǒng)的半物理仿真平臺，對多種控制算法進行了試驗驗證，并得到理想的結(jié)果，但其應用領域為民用飛機、民用客車等，未面向空間應用。

本文面向燃料電池電源系統(tǒng)的空間應用，依據(jù)某航天器任務期間的功耗需求，通過理論分析、仿真驗證等途徑，設計并實現(xiàn)了1 kW燃料電池電源系統(tǒng)，并進行了半載階躍試驗測試。測試結(jié)果表明，1 kW燃料電池電源系統(tǒng)工作正常、穩(wěn)定，能夠滿足航天器應用需求。

1 燃料電池電源系統(tǒng)設計

某航天器為100 V母線設計，任務期間功耗需求如表1所示。

表1 某航天器功耗需求

與表1相對應的功耗如圖1所示。

圖1 某航天器功耗Fig.1 A spacecraft’s power consumption diagram

為滿足航天器任務期間的用電需求，燃料電池電源系統(tǒng)采用了燃料電池和蓄電池的架構(gòu)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示[8]。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall system architecture diagram

圖2所示的燃料電池電源系統(tǒng)中，燃料電池作為發(fā)電設備，通過氫氣氧氣電化學反應把化學能轉(zhuǎn)換成電能，為后級提供能量；同時，考慮到燃料電池輸出存在饑餓效應，需配置蓄電池作為輔助供電設備，用于在負載功率突變時，維持母線的穩(wěn)定；另外，配置由DC/DC變換器構(gòu)成的燃料電池放電調(diào)節(jié)器(FCDR)，用于為負載提供能量；配置由DC/DC變換器構(gòu)成的蓄電池放電調(diào)節(jié)器(BDR)和蓄電池充電調(diào)節(jié)器(BCR)，用于蓄電池的充放電并穩(wěn)定輸出母線。整個系統(tǒng)在控制器的統(tǒng)一調(diào)配下工作，既能為負載提供所需能量，又能保證輸出母線的穩(wěn)定。

燃料電池電源系統(tǒng)的輸出電壓與航天器母線電壓一致，為100 V。系統(tǒng)各部分的功率等級分析如下。

從表1和圖1可以看出，航天器任務期間的功耗常值為1 008.5 W，因此，可以設定系統(tǒng)中燃料電池的額定輸出功率為1 kW，剩余瞬時功率通過蓄電池進行調(diào)節(jié)。

根據(jù)表1的航天器功耗需求表，對各運行階段蓄電池的充放電功率需求進行分析，分析結(jié)果如表2所示。

從表2的蓄電池充放電功率需求表可知，蓄電池最大放電能量為506.8 W·h，最大放電功率為61.5 W;蓄電池最大充電能量為6 W·h，最大充電功率為1.5 W。為滿足空間蓄電池長壽命使用的需求，蓄電池需按“淺充淺放”的原則進行設計，同時考慮到蓄電池在放電末端可能承受的大電流沖擊，蓄電池最大放電深度一般要求不超過總能量的40%，因此，系統(tǒng)中蓄電池的能量不能小于1 267 W·h。

表2 蓄電池充放電功率需求

通過上述分析，按圖2所示的總體架構(gòu)，選用額定輸出功率為1 kW的電堆輔以能量不小于1 267 W·h的蓄電池，并配置相應的調(diào)節(jié)器，即可滿足某航天器任務期間的功耗需求。

2 燃料電池電源系統(tǒng)建模

為了驗證系統(tǒng)總體架構(gòu)和功率參數(shù)的有效性，以上述某航天器所需的1 kW燃料電池電源系統(tǒng)為研究對象，建立仿真模型，系統(tǒng)各部件模型如下所述。

2.1 燃料電池模型

燃料電池模型選用了MATLAB/Simulink/SimPowerSystems工具箱中的“Fuel Cell Stack”模型。本文對燃料電池電源系統(tǒng)進行研究，對于燃料電池的控制參數(shù)，如氣流率、壓力、燃料純度等，可不予考慮。為此，系統(tǒng)選用了燃料電池的簡化模型，等效模型如圖3所示[9-10]。

圖3 燃料電池等效模型Fig.3 Fuel cell equivalent model diagram

圖3中，N為燃料電池片數(shù)；A為塔菲爾系數(shù)；Eoc為開路電壓；i0為交換電流；Vfc為輸出電壓；ifc為輸出電流；Td為建立時間；rohm為內(nèi)阻。由圖3可得，燃料電池的輸出電壓、電流關系式如下式所示。

(1)

2.2 蓄電池模型

相較于氫鎳電池、鎳鎘電池等蓄電池類型，鋰離子電池具有更高的能量密度和效率，因此本系統(tǒng)的蓄電池選用鋰離子電池[11]。蓄電池模型選用MATLAB/Simulink/SimPowerSystems工具箱中的“Battery”模型，等效模型如圖4所示[12-13]。

圖4 蓄電池等效模型Fig.4 Storage battery equivalent model diagram

圖4中，E為空載電壓;E0為恒定電壓;K為極化電壓;Q為電池容量;A為指數(shù)電壓;B為指數(shù)容量;r為內(nèi)阻;Vbatt為輸出電壓;Ibatt為輸出電流。由圖4可得，蓄電池輸出電壓、電流的關系如下式所示。

Ibatt·r

(2)

2.3 FCDR模型

FCDR作為燃料電池放電調(diào)節(jié)器，將燃料電池輸出的能量經(jīng)DC/DC變換后，傳遞到負載端。系統(tǒng)中所用的燃料電池輸出電壓范圍為20～30 V，負載母線電壓為100 V，因此，F(xiàn)CDR采用Boost電路加電流環(huán)的設計，將FCDR設計為恒流源，在需求母線電壓下，為負載提供能量[14]。FCDR的matlab模型如圖5所示。

圖5 FCDR模型Fig.5 FCDR model diagram

圖5中FCDR輸出電流值Iconst由V_ref參數(shù)設定，關系式如下所示。

Iconst=V_ref/0.02

(3)

2.4 BDR模型

BDR作為蓄電池放電調(diào)節(jié)器，在負載功率突然增大時，為負載提供能量補給，維持母線電壓穩(wěn)定。系統(tǒng)中所用的鋰離子電池輸出電壓范圍為30～60 V，負載母線電壓為100 V，因此BDR采用Boost電路加電壓環(huán)的設計，將BDR設計為恒壓源，為負載提供能量的同時穩(wěn)定母線電壓。BDR的matlab模型如圖6所示。

圖6 BDR模型Fig.6 BDR model diagram

圖6中BDR輸出電壓值由V_ref電壓設定，根據(jù)負載母線100 V的要求，設置V_ref為100 V，將BDR設定為100 V輸出的恒壓源。

2.5 BCR模型

BCR作為蓄電池充電調(diào)節(jié)器，與蓄電池內(nèi)置管理單元配合，共同完成負載功率突然變小時，通過為蓄電池充電的方式，消耗負載母線多余能量，維持負載母線穩(wěn)定的功能。負載母線電壓為100 V，蓄電池電壓為30～60V，因此，BCR采用BUCK電路加前置電壓環(huán)的設計，保證BCR輸入電壓即負載母線電壓的恒定。BCR的matlab模型如圖7所示。

圖7 BCR模型Fig.7 BCR model diagram

圖7中BCR輸入電壓值由V_ref電壓設定，此處將V_ref的值設為100 V，保證給蓄電池充電時，負載母線穩(wěn)定在100 V。

2.6 控制器模型

控制器是燃料電池電源系統(tǒng)的“大腦”，能夠根據(jù)負載變化，調(diào)節(jié)能量分配，保持母線穩(wěn)定，本系統(tǒng)選用狀態(tài)機控制方法作為能量管理策略。所謂狀態(tài)機控制方法，即將全過程工況分為幾個不同狀態(tài)，并確定各狀態(tài)的觸發(fā)條件，實際運行過程中，根據(jù)觸發(fā)條件實現(xiàn)狀態(tài)切換，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行[15]。

根據(jù)燃料電池電源系統(tǒng)運行工況，將整個系統(tǒng)分成4種狀態(tài)：

1)關機狀態(tài)。這種狀態(tài)將一直維持，直到系統(tǒng)得到開機的指令；當系統(tǒng)中出現(xiàn)不可恢復的故障的時候，系統(tǒng)進入關機狀態(tài)。

2)等待狀態(tài)。當負載功率與給定功率相差不大的時候處于等待狀態(tài)。

3)充電狀態(tài)。當負載功率突然變小時，啟動BCR為蓄電池充電，對母線多余能量進行消耗。

4)放電狀態(tài)。當負載功率突然增大時，啟動BDR，蓄電池放電為負載補給能量。

根據(jù)燃料電池電源系統(tǒng)的4種狀態(tài)，梳理得到系統(tǒng)事件如表3所示，進而得到系統(tǒng)管理狀態(tài)圖如圖8所示。

表3 系統(tǒng)事件表

圖8 系統(tǒng)管理狀態(tài)圖Fig.8 System management state diagram

依照圖8的燃料電池電源系統(tǒng)管理狀態(tài)圖，構(gòu)建控制器的matlab模型，如圖9所示。

圖9 控制器模型Fig.9 Controller model diagram

3 仿真分析

將燃料電池、蓄電池、FCDR、BDR、BCR、控制器的模型按圖2架構(gòu)互聯(lián)，搭建系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行仿真驗證，仿真參數(shù)如表4所示。

表4 系統(tǒng)仿真參數(shù)表

按表4的系統(tǒng)仿真參數(shù)，運行仿真模型，由于本系統(tǒng)燃料電池采用簡化模型，忽略燃料電池本身的控制，因此，以FCDR恒流源輸出電流的變化代替負載的變化，驗證系統(tǒng)運行狀態(tài)是否正常。設定如下兩種系統(tǒng)運行工況：

(1)負載功率突降工況

負載功率為500 W，F(xiàn)CDR初始輸出電流5 A，在仿真時間為1 s時，F(xiàn)CDR輸出電流變?yōu)? A，在此工況下得到的仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 仿真結(jié)果1Fig.10 Simulation result diagram 1

對圖10的仿真結(jié)果進行分析：系統(tǒng)開始仿真后，由關機狀態(tài)進入待機狀態(tài)，由于燃料電池存在饑餓效應，在負載500 W的功率需求下，系統(tǒng)由待機狀態(tài)進入放電狀態(tài)，蓄電池經(jīng)歷一個很短暫的放電過程，直到燃料電池輸出達到負載需求，蓄電池不再對外放電，系統(tǒng)由放電狀態(tài)進入待機狀態(tài)；在1 s的仿真時間時，F(xiàn)CDR輸出電流變?yōu)? A，超過負載需求，母線能量過剩，啟動蓄電池充電，系統(tǒng)由待機狀態(tài)進入充電狀態(tài)。整個系統(tǒng)運行過程，狀態(tài)轉(zhuǎn)換正常，不同狀態(tài)之間的切換，母線最大波動不超過4 V，符合空間應用要求。

(2)負載功率突增工況

負載功率為500 W，F(xiàn)CDR初始輸出電流5 A，在仿真時間為1 s時，F(xiàn)CDR輸出電流變?yōu)?.1 A，在此工況下得到的仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 仿真結(jié)果2Fig.11 Simulation result diagram 2

對圖11的仿真結(jié)果進行分析：在1 s的仿真時間之前，系統(tǒng)運行狀態(tài)與圖10相同；在仿真時間為1 s時，F(xiàn)CDR輸出電流變?yōu)?.1 A，不能滿足負載需求，啟動蓄電池放電，系統(tǒng)由待機狀態(tài)進入放電狀態(tài)。整個系統(tǒng)運行過程，狀態(tài)轉(zhuǎn)換正常，不同狀態(tài)之間的切換，母線波動最大值為2 V，符合空間應用要求。

從上述仿真結(jié)果可以看出，1 kW燃料電池電源系統(tǒng)原理正確，系統(tǒng)能量管理有效可行。

4 試驗驗證

為了驗證1 kW燃料電池電源系統(tǒng)的有效可行，以上述原理和仿真為基礎，研制了1 kW燃料電池電源系統(tǒng)樣機，并進行了試驗驗證。

燃料電池為自研質(zhì)子交換膜燃料電池，額定輸出功率為1 kW，開路電壓28 V，額定工作點[45A,22V]；鋰電池為3節(jié)串聯(lián)，總?cè)萘繛?3 A·h，標稱輸出電壓36 V。

負載階躍試驗的正常工作負載為500 W，減載試驗為500 W階躍到100 W，加載試驗為500 W階躍到1 000 W，試驗結(jié)果如圖12所示。

從圖12的測試結(jié)果可以看出，負載由500 W階躍到100 W時，母線電壓最大波動量為4 V，調(diào)節(jié)時間約為20 μs；負載由500 W階躍到1 000 W時，母線電壓最大波動量為2 V，調(diào)節(jié)時間約為10 μs。試驗結(jié)果表明，1 kW燃料電池電源系統(tǒng)工作正常、穩(wěn)定，能夠滿足航天器應用需求。

圖12 試驗測試結(jié)果Fig.12 Experiment and test result

5 結(jié)束語

通過對燃料電池的優(yōu)勢分析及對燃料電池電源系統(tǒng)的建模仿真和設計實現(xiàn)，得出如下結(jié)論：

1)燃料電池相比于蓄電池等其他能源，具有更高的效率和比能量，在深空探測等大功率航天器應用場合，具有無可比擬的優(yōu)勢。

2)依據(jù)某航天器任務期間的功耗需求，采用燃料電池和蓄電池架構(gòu)建立的1 kW燃料電池電源系統(tǒng)仿真模型，經(jīng)仿真試驗表明，模型正確，可有效指導1 kW燃料電池電源系統(tǒng)的設計實現(xiàn)。

3)設計實現(xiàn)的1 kW燃料電池電源系統(tǒng)，經(jīng)半載階躍試驗驗證，其母線波動小于5 V，調(diào)節(jié)時間小于25 μs，且在整個運行過程中，系統(tǒng)工作正常、穩(wěn)定，能夠滿足航天器應用需求。

為更好匹配航天器不同應用工況，后續(xù)將在再生燃料電池電源系統(tǒng)、光伏-燃料電池電源系統(tǒng)及多能源高效管理系統(tǒng)等多個方向開展研究。