燃料电池混合电源的能量管理系统

news2024/10/6 20:29:59

这个例子显示了燃料电池混合电源的能量管理系统。

这个例子展示了燃料电池混合电源的能量管理系统。

电路描述
本文给出了基于燃料电池的多电动飞机应急动力系统的仿真模型。随着MEA中起落架和飞控系统的电气化程度的提高，常规应急电源系统(冲压式空气涡轮或空气驱动发电机)的峰值电力负荷增加。因此，在较低的飞机速度下，产生的功率几乎为零，冲压空气涡轮(RAT)/空气驱动发电机(ADG)存在过载的潜在风险。为了确保MEA的安全着陆，需要一个更强大的应急电源系统。该模型提出了一种基于燃料电池、锂离子电池和超级电容器的备用应急电源系统。该例子还为燃料电池混合电源提供了不同的能量管理系统。

燃料电池混合动力系统是根据庞巴迪飞机的典型应急飞行剖面设计的，由以下部分组成:

一个12.5千瓦(峰值)，30-60伏质子交换膜燃料电池电源模块(FCPM)，标称功率为10千瓦。

48v, 40ah，锂离子电池系统。

291.6 V, 15.6 F，超级电容器系统(6个48.6v电池串联)

一个12.5千瓦的燃料电池DC/DC升压变换器，具有可调节的输出电压和输入电流限制。

两个DC/DC转换器用于电池系统的放电(4kw升压转换器)和充电(1.2 kW降压转换器)。这些变换器也输出电压调节与电流限制。一般情况下，也可以采用单台双向DC/DC变换器来减轻电力系统的重量。

一个15kva, 270v直流，200v交流，400hz逆变系统。

具有可变视在功率和功率因数的三相交流负载，以模拟MEA紧急负载概况。

一个15千瓦的保护电阻，以避免超级电容器和电池系统过充电。

一个能源管理系统，它根据给定的能源管理策略在能源之间分配电力。我们实施了五种能源管理策略，分别是:

状态机控制策略

经典PI控制策略

频率解耦与状态机控制策略

等效消耗最小化策略(ECMS)

外部能量最大化策略(EEMS)

示范
演示了燃料电池混合应急动力系统在5分钟紧急着陆场景下的性能。在这种情况下，燃料电池混合动力系统在以下情况下提供必要的负载:

当主发电机丢失时立即(通常由航空电子和APU电池系统假设，直到RAT/ADG完全部署)。

紧急液压泵启动。

襟翼/板条运动和起落架下降。

滑行和乘客疏散(当RAT/ADG不可用时，通常也由航空电子和APU电池系统承担)。

根据所选择的能量管理策略的类型，能量管理系统通过燃料电池和电池DC/DC转换器的参考信号(输出电压和最大电流)控制每个能量源设备的功率。双击能源管理系统模块，选择状态机控制策略。启动模拟。双击Measurements块。打开功率示波器(显示270 V直流母线的功率分布)以及燃料电池、电池、超级电容和负载示波器。以下解释了在模拟紧急着陆情景中发生的情况:

在t = 0 s时，主要的负载由主发电机提供，燃料电池混合动力系统开启，为不太可能的紧急着陆情况做好准备。

在t = 5s时，燃料电池开始以最佳功率(约1kw)给电池充电。

在t = 40s时，所有的发电机都丢失了。燃料电池混合动力系统承担了基本的负荷。此时，由于超级电容器的快速动态，所需的额外负载功率立即由超级电容器提供，而燃料电池功率增加缓慢。

在t = 45s时，超级电容放电至直流母线电压要求(270v)以下，电池开始供电，将母线电压稳压至270v。

在t = 48.5 s时，直流母线或超级电容电压达到270v，电池缓慢降为零。燃料电池提供总负载功率，并继续为超级电容器充电。

在t = 60s时，紧急液压泵启动，超级电容器提供额外的瞬态负载功率，而燃料电池功率增长缓慢。

在t = 61.5 s时，电池开始在线将直流母线电压调节到270 V，并通过提供所需的额外负载功率来帮助燃料电池。

在t = 70 s时，燃料电池达到其最大功率(由于其DC/DC转换器输入电压范围，FCPM功率限制为9 kW)，额外的负载功率由电池提供。

在t = 110 s时，电池也达到其最大功率(4kw)，超级电容器提供额外的负载功率。

在t = 125 s时，负载功率降至燃料电池最大功率以下。由于燃料电池动力学缓慢，在瞬态期间额外的燃料电池功率被转移到超级电容器。

在t = 126 s时，直流母线电压达到270v，电池功率降为零。

在t = 130 s时，第二个紧急液压泵开启，燃料电池混合动力系统的行为与第一个液压泵开启时相似。