[發(fā)明專利]一種水下航行器燃料電池混合推進系統(tǒng)及控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010043003.9
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111204430B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王斌;王知雨;王朝暉
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: B63G8/08
• 分類號: B63G8/08;B63H21/17;B60L58/40;H02J7/00;H02M3/156
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 馬貴香

本發(fā)明公開了一種水下航行器燃料電池混合推進系統(tǒng)及控制方法，該系統(tǒng)包括質(zhì)子交換膜燃料電池、主DC?DC升壓變換器、輔助DC?DC升壓變換器、鋰電池組、水下推進電機及其逆變器；兩個DC?DC升壓變換器同向并聯(lián)組成雙DC?DC升壓變換系統(tǒng)接入PEMFC和鋰電池組之間，鋰電池組輸出端直接與水下推進電機的逆變器相連。雙DC?DC升壓變換系統(tǒng)根據(jù)PEMFC的工作狀態(tài)進行協(xié)同控制，并采用鋰電池組荷電狀態(tài)滯環(huán)控制實現(xiàn)PEMFC的工作狀態(tài)切換；本發(fā)明通過對雙DC?DC升壓變換系統(tǒng)的協(xié)同控制和鋰電池組荷電狀態(tài)滯環(huán)控制，實現(xiàn)燃料電池混合推進系統(tǒng)的高效率工作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水下航行器的動力推進系統(tǒng)領(lǐng)域，涉及一種水下航行器燃料電池混合推進系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)

水下航行器是應(yīng)用最為廣泛的海洋探索設(shè)備，隨著人們對海洋資源探索的不斷深入，水下航行器相關(guān)技術(shù)的研發(fā)目前受到了全世界各國的重視。動力推進系統(tǒng)對水下航行器而言十分重要，水下航行器下潛深度、機動靈活性和續(xù)航時間等都受到動力推進系統(tǒng)的影響。

與采用內(nèi)燃機推進系統(tǒng)的水下航行器相比，采用燃料電池推進系統(tǒng)的水下機器人具有噪聲小、能量轉(zhuǎn)化效率高、更環(huán)保等諸多優(yōu)點。尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，在具備高能量密度的同時，其工作溫度可控制在60攝氏度以下，便于操作和使用安全，因此是水下航行器推進系統(tǒng)的一種理想能量源。然而，燃料電池的功率輸出存在延遲響應(yīng)，并且功率輸出特性偏軟，輸出電壓將隨負(fù)載功率變化而不穩(wěn)定。因此，通常將PEMFC與鋰電池混合使用，提高燃料電池推進系統(tǒng)的功率輸出特性和電壓穩(wěn)定性。

PEMFC輸出功率受工作溫度的影響。在復(fù)雜的水下環(huán)境下，PEMFC最優(yōu)輸出功率將隨水下溫度的變化而變化。PEMFC的最優(yōu)輸出功率控制是典型的最大功率跟蹤控制問題。通常情況下，可以采用一個DC-DC變換器跟蹤PEMFC的最大功率輸出。但是，一個DC-DC變換器只有一個峰值效率工作點，不能有效匹配PEMFC在水下不同溫度條件下多個最優(yōu)輸出功率點。尤其是水下溫度偏低時，PEMFC的最優(yōu)輸出功率將明顯降低。另外在PEMFC待機時，即以最低輸出功率模式工作時，采用一個大功率DC-DC變換器，將導(dǎo)致很低的直流轉(zhuǎn)換效率。因此，如果僅采用一個大功率DC-DC變換器，在PEMFC大功率輸出時，可以實現(xiàn)較高的直流轉(zhuǎn)換效率，但在PEMFC小功率輸出或者待機時，大功率DC-DC變換器將以較低的直流轉(zhuǎn)換效率工作，最終導(dǎo)致整個燃料電池混合推進系統(tǒng)工作效率降低。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池混合推進系統(tǒng)工作效率降低的問題，本發(fā)明提供一種水下航行器燃料電池混合推進系統(tǒng)及控制方法。該燃料電池混合推進系統(tǒng)可根據(jù)PEMFC的輸出功率對主DC-DC升壓變換器和輔助DC-DC升壓變換器進行協(xié)同控制，并通過鋰電池組荷電狀態(tài)滯環(huán)控制實現(xiàn)PEMFC的工作狀態(tài)切換，保證燃料電池混合推進系統(tǒng)的高效率工作。

為實現(xiàn)上述功能，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種水下航行器燃料電池混合推進系統(tǒng)，其特征在于，包括質(zhì)子交換膜燃料電池、主DC-DC升壓變換器、輔助DC-DC升壓變換器、鋰電池組和水下推進電機；

所述主DC-DC升壓變換器和輔助DC-DC升壓變換器同向并聯(lián)后，作為雙DC-DC升壓變換系統(tǒng)接入質(zhì)子交換膜燃料電池和鋰電池組之間，使質(zhì)子交換膜燃料電池與水下推進電機的逆變器隔離；

所述鋰電池組輸出端直接與水下推進電機的逆變器相連。

進一步，所述水下航行器燃料電池混合推進系統(tǒng)的控制方法，包括：雙DC-DC升壓變換系統(tǒng)的兩個DC-DC升壓變換器根據(jù)PEMFC的工作狀態(tài)進行協(xié)同控制，并采用鋰電池組荷電狀態(tài)滯環(huán)控制實現(xiàn)PEMFC的工作狀態(tài)切換；

進一步，所述的PEMFC輸出功率需要與雙DC-DC升壓變換系統(tǒng)的功率相匹配，其中PEMFC最低輸出功率對應(yīng)于輔助DC-DC升壓變換器的峰值效率工作點，而PEMFC的峰值效率工作點對應(yīng)于主DC-DC升壓變換器峰值效率工作點與輔助DC-DC升壓變換器的峰值效率工作點之和；