AUV燃蓄混合电池功率适配与协调控制研究

摘要

针对用蓄电池作为能供系统的水下无人潜航器(AUV)经常需要回到母船或岸基进行充电,不能够实现长期水下航行的问题,对燃料电池AUV的结构和硬件构成做了详细的分析,提出并设计了一种适用于AUV的新能源系统--闭式循环燃料电池系统,此系统具有低噪声、液态水量变化不引起AUV姿态变化、在AUV排水量不变的情况下提高其水下续航能力等优点。本文研究的燃料电池系统需要在AUV内部这个特殊的环境下工作,由于该密闭空间内没有空气,所以本文选用纯氢/纯氧燃料电池,并将一般的在开放环境下工作的燃料电池系统改进为闭式循环燃料电池系统。针对闭式循环燃料电池系统给出了具体的控制方案,运用SIMENS300 PLC作为控制器的核心,为整个控制系统搭建了一个稳定性强的硬件平台。
　　 根据实际情况为燃料电池系统、辅助能源系统、AUV推进系统和DC/DC转换器建立数学模型,每个模型的输入输出能够相互衔接,为之后章节的进一步研究打好基础。
　　 本文研究燃料电池与AUV之间的功率匹配。为了实现闭式循环燃料电池系统与AUV输出功率匹配控制,依据燃料电池的化学、热工流体等特性建立了其数学模型,通过仿真实验分析得到了影响质子交换膜燃料电池(PEM FC)输出电压的主要因素。提出一种基于BP算法和模糊规则的功率匹配控制策略。仿真实验结果表明,闭式循环燃料电池及其控制系统能满足与AUV推进功率匹配的要求。本文还研究了燃料经济性,燃料电池AUV每次接受作业任务之前需要预算携带的氢气质量和氧气质量。
　　 本文进一步研究燃蓄混合电池与AUV之间的功率匹配,提出一种基于模糊控制的功率协调分配策略。协调考虑AUV的工作模式、AUV的功率需求和蓄电池的剩余电量,控制燃料电池系统的输出功率和蓄电池的输出功率,做到与AUV的功率需求相匹配。仿真实验结果表明,协调功率分配策略能满足与AUV推进功率匹配的要求,为下一步的实验系统研制奠定了基础。本文将燃料电池和蓄电池进行比较,得到针对AUV不同的作业任务选取不同的电池系统的结论。闭式循环燃料电池系统将成为AUV的AIP新能源系统,增强AUV的续航能力。本文所提出的功率匹配策略都经过了仿真验证,能够满足AUV的技术指标,基本形成了具有自主知识产权的燃料电池AUV的雏形。