0 引　言

航运业的发展在全球经济一体化形成过程的作用至关重要，目前大约80%的世界贸易通过海上运输实现^[1]。而船舶推进系统主要依靠柴油机提供动力，船舶能耗与排放对资源和环境的影响已日趋严重。氢能作为未来的终极能源，在当前倡导“双碳”的大背景下，燃料电池推进系统由于其绿色、高效率和零排放的优势，被认为是未来船舶理想的电力推进方式^[2]。

但是，由燃料电池全面替代传统能源成为船舶主要动力还需克服许多技术难题。相较于其他动力电池，PEMFC存在功率输出特性偏软和缺乏安全、高效储氢技术的问题，其尚只应用于常在港区运行的游船、作业船、渡轮和游艇等这些航线固定且动力系统的工况变化相对有规律的船舶上^[3-5]。这是由于在港区也容易布置氢的储运设施，且在上述船舶采用氢燃料动力系统容量相对较小，也有利于改善港区的空气质量^[6-8]。2006年德国实施ZEMSHIP项目，建造设计了燃料电池游船Alsterwasser号，推进系统包含2台48 kW的PEMFC和一组铅酸电池^[9]。2015年韩国釜山的一艘20 m长的燃料电池游船，配有功率为50 kW的PEMFC和47 kWh的锂电池^[10]。近年来，燃料电池船舶装机容量有逐步变大的趋势，2019年的Water-Go-Round号渡轮配置了360 kW的PEMFC等^[6]。在国内，也有燃料电池游船开发的相关报道。然而，相较于陆上载具，船舶的吨位大、大功率设备也较多，针对船舶上典型的非线性、高阶次大惯性系统的能量管理系统设计更为复杂^[3-4]。这些因素加剧了实现能量管理的难度。因此，为了应对船舶在实际运行复杂的工况，需要对电力推进系统中各个环节进行实时监测。对于PEMFC而言，需要实现对于氢/空气单元、水热管理中的流体温度、压力、流量以及湿度进行监测^[11]，还需要对PEMFC电堆进行单体电池电压的巡检^[12]，实现数据可视和故障报警。LabVIEW因具有较好的通信协议扩展性^[13]，以及图形编程的优势，常与PLC一起被用于PEMFC发电系统的设计开发^[13]。

本文以LabVIEW作为上位机，设计船舶电力推进系统输出功率的实时监控系统。首先，该系统利用PLC和FLUKE数据采集仪以及串口协议采集电力推进系统各硬件数据，通过Modbus通信协议传递给上位机LabVIEW，创建人机交互界面，实现船舶电力推进系统输出功率的可视化实时检测与通信控制。其次，为了实现PEMFC正常运行，该系统可以实现单燃料电池堆单点池电压巡检、氢/空气流量以及水热管理单元。最后，模拟船舶运行工况，考察在实现燃料电池与锂电池能量分配的过程中，PEMFC温度、DC/DC变换器的输出电压以及能量管理系统的响应时间。

1 实验平台

燃料电池船舶电力推进平台结构如图1所示，该平台选用某双体游船为原型船。图1给出了原型船一次航行过程中左侧电机的运行状况，详细参数见文献[15]。该系统采用5 kW水冷型PEMFC电堆，电堆工作由供氢单元、供气单元、水热管理单元以及单点池巡检单元支持。由于燃料电池电压的极化曲线受输出电流影响，在电堆后增加一级直流变换器稳压至母线电压48 V。此外，系统配置48 V200 Ah锂电池与PEMFC燃料电池堆组成电力推进系统，补足燃料电池偏软特性及吸收制动过程中电机产生的反馈功率，电机为直流无刷电机。该系统的主要参数如表1所示。

图1中氢、空气以及水热管理管路分别为实线、双点划线及点划线，其中箭头代表流体的流动方向。氢气支路用于燃料电池阴极燃料的供应；空气用于燃料电池阳极氧气的供应；水路则为燃料电池的水热管理单元，用于稳定燃料电池的工作温度，控制气体的加湿量。

图1中实线连接的线路模拟负载，平台的模拟负载包括两部分：直流电子负载IT8818以及模拟船舶螺旋桨运行时的机械负载。其中，直流电子负载用于燃料电池的活化与测功；模拟负载基于母型船电力推进系统设计，包括10 千瓦级电涡流制动器、转矩转速功率测量仪和程控电源等组成，用于进行模拟机桨负载与燃料电池间的适配性实验。

2 监控系统

完善船用燃料电池电力推进系统的关键是燃料电池推进系统输出功率需要和船舶运行工况相适配。考虑到船舶的运行工况是连续变化的，以及延长燃料电池的使用寿命，需要在燃料电池推进系统配备相应的能量缓冲装置—蓄电池。其控制策略为：通过燃料电池电堆水热管理控制以及氢流量调节等手段，维持PEMFC电堆在最优功率区域工作，依据锂电池的荷电状态（SOC），设定锂电池的状态机控制。当工况过大，燃料电池放电量不足以维持船舶运行，蓄电池需要向系统放电。为满足要求，保证PEMFC电堆以及实验平台稳定在最佳工作区域，对系统设计设置以下3项技术目标：

1）燃料电池水热管理系统能够使燃料电池发电系统在最佳工作温度区间运行，其误差允许值为±2 ℃；

2）燃料电池发电系统经DC/DC变换器升压后，其输出电压波纹系数不高于5%；

3）船用燃料电池电力推进系统相关的能量管理系统，其响应时间为1 s。

为了实现图1所示的实验平台以及上述要求，还需要建立相应的监控系统，采用LabVIEW作为上位机，PLC以及数据采集仪作为下位机，对整个系统进行监测和控制。监控系统原理如图2所示。

1）PLC

质量流量计、压力变送器以及温度变送器等模/信号PLC进行采集，氢/空气的流量MFC控制信号以及空气开关的数电信号都由PLC的AX561模块进行控制。通过CPU模块与子模块的扩展即可实现数据的采集与变量控制。

2）数据采集器

对于PEMFC而言，单电池电压是判断其运行状况的重要指标。为了在测试过程中，及时掌握燃料电池的使用状况，设置PEMFC单电池电压巡检报警系统。出现电压低于0.65 V开始报警，降低电堆输出电流密度；低于0.5 V切断电流回路，及时关闭氢/空供气，以免膜电极催化剂失效。

巡检系统选用FLUKE～2638A多功能采集器，内置的2块采集板卡，具有20路电压信号和2路电流信号模拟输入通道。实验平台采用的电堆是由30片单片电池组成，剩余的采样接口用于测试燃料电池、DC/DC变换器的输入输出侧电压以及其他AI信号。

3）锂电池组BMS

锂电池BMS主要是用于对锂电池数据采集、监控以及均衡控制，采集包括锂电池电压、电流、温度，根据所采集的数据设置上下限，当超出阈值时，及时报警处理。

4）电机控制器

推进电机不仅可以通过手柄设置，也可通过R485串口协议将转速指令传递给变频器，实现推进电机的远程控制。电涡流制动器的数据采集以及转矩设置，也可以通过R485串口协议实现将监测数据传递上位机，通过LabVIEW的VISA Serial相关函数实现数据的读取与指令的发送。

5）DC/DC变换器

设置DC/DC的输出电压U_DC，通过调节U_DC实现燃料电池输出功率与电力推进系统功率需求实现匹配。

6）电子负载

IT8818支持SCPI通信协议，通过LabVIEW的VISA丰富的串口通信函数，实现变负载的指令发送以及回路电流进行读取。

3 测试与结果

为了减少双向直流变换器对于发电系统的输出效率的影响，该平台锂电池直接并入母线，（见图3），通过DC/DC变换器输出电压实现电力推进平台对于模拟工况的测试。

依据设置好的状态机能量管理策略，改变DC/DC变换器输出电压，若U_DC增大，PEMFC的输出电流I_fc会随之增大，同时锂电池的输出电流I_BA减少，从而进行燃料电池与锂电池间的能量管理，如下式：

$ {P_{L{\text{oad}}}} = \eta \times {P_{FC}} + {P_{BA}}。$

(1)

式中： $ {P_{L{\text{oad}}}} $ 为母线负载功率，为电机的模拟负载； $ {P_{FC}} $ 为PEMFC的输出功率， $ \eta $ 为直流变换器的转换效率，约86%； $ {P_{BA}} $ 锂电池的输出功率。

由机械负载模拟船舶1300～1400 r/min间的运行工况，测试时长660 s。首先，由锂电池进行放电带动电动机运行，待电机转速稳定1400 r/min后，逐级提高U_DC电压，实现PEMFC与锂电池的能量分配。考察在整个过程中，PEMFC工作温度、DC/DC变换器的输出电压波纹系数以及能量管理系统的响应时间。测试过程的母线电压以及负载和功率分配如图4所示。

从图4 (a)可以发现，母线电压UBA与UDC直接存在电压差，这主要是欧姆损失造成的压降。母线电压随着UDC增大而增大。同时，按照图4 (b)所示的功率分配：PEMFC的输出功率逐步增大，锂电池则减小功率输出，母线上总功率维持在7.2 kW左右。此过程中PEMFC工作温度为水热管理单元中的冷却水出口温度T_out。运行设备使其处于图4 (b)所示的工况下，采用带Pt100的温度传感器数据采集设备进行测量，记录下PEMFC工作温度T_out，以及巡检过程中30片单燃料电池电压平均值，结果如图5所示。

从图5 (a)可以看出，PEMFC的温度被控制在67 ℃～70 ℃之间，满足水热管理系统能够使燃料电池发电系统在最佳工作温度区间运行，其误差允许值为±2 ℃的要求。

在550 s后，待U_DC初始值稳定后，设置U_DC设定值47.57 V，点击触发按钮，利用FLUKE直接读取U_DC值的阶跃时间，如图6 (a)所示。PEMFC输出功率达到3.6 kW，测试对象为DC/DC变换器的输出电压，用FLUKE记录的测量DC/DC变换器输出电压纹波值（峰峰值），并记录采样时长100 s内U_DC的值，统计该时段内的平均值，如图6 (b)所示。

从图6 (a)可发现，在t=549设定目标值后，1 s后达到目标值，满足能量管理的设计要求。同时，从图5 (b)可以看出，PEMFC电堆的单点池平均电压高于0.65 V，没有触发报警，确保了燃料电池与蓄电池的正常使用。

纹波系数公式为：

$ \delta = \frac{{\left| {{{\text{U}}_{DC}} - U_{DC}^{AVG}} \right|}}{{{U_{DC}}}} \times 100\text{%} 。$

(2)

从图6 (b)数据可得其输出电压波纹系数平均值仅为3.23%，满足燃料电池发电系统经直流变换器升压后，其输出电压波纹系数不高于5%的要求。

4 结　语

本文基于LabVIEW设计燃料电池船舶电力推进系统实验平台的监控系统，依据对于燃料电池工作温度、DC/DC变换器的波纹系数和能量管理的响应进行试验测试，结果表明：

1）燃料电池水热管理单元能够使PEMFC在最佳工作温度区间运行，其误差允许值为±2 ℃；

2）燃料电池发电系统经DC/DC变换器升压后，其输出电压波纹系数不高于5%；

3）船用燃料电池电力推进系统相关的能量管理系统，其响应时间为1 s，且控制精度要满足设计要求,确保燃料电池与蓄电池的正常使用。

表明该监控系统可以实现设计的技术指标，为PEMFC在船舶上的监测控制提供了可行方案。但本文验证的工况相对简单，下一步的研究将聚焦于更为复杂工况下的能量管理算法实现。