水下机器人多能源混合储能系统的协调能量管理研究

Nowadays, lithium batteries or fuel cells are usually used to supply power for underwater vehicles. The two power sources have some problems such as low operating efficiency and low output-power in the underwater and low-temperature conditions, such that the cruising duration and maneuverability of the underwater vehicles are limited. In addition, the power sources are affected by the underwater environment, their performance degradation would be accelerated and service life would be shortened. Therefore, how to improve the operating efficiency and extending the service life of the power sources is a difficult problem for the energy storage systems and energy management of the underwater vehicles. In this project, the fuel cell/lithium battery/supercapacitor hybrid energy storage system of the underwater vehicle is the research object. By studying the high-efficiency operating characteristics and performance degradation mechanism of the power sources, a new compound topology is proposed for the multi-source hybrid energy storage system. Then, the optimized configuration would be carried out. Furthermore, the switching rules for the operating modes, the coordination control mechanism of the multi-source and the optimal energy distribution method for the multi-source hybrid energy storage system would be studied. Finally, it would achieve coordinated energy management for the multi-source hybrid energy storage system. On this basis, the operating efficiency of the energy storage system in the underwater vehicle can be effectively improved. Moreover, the service life of the power sources would be extended. The research results of this project would provide a new theoretical basis for the coordination control and energy management of the multi-sources in the underwater vehicles. It would be valuable to improve the power performance and economy of the underwater vehicles, both in theory and in application.

现有的水下机器人多采用锂电池或燃料电池进行能量供给，这两种能源在水下低温条件下工作效率低、输出功率不足等问题将导致水下机器人的续航时间和机动作业能力受到限制。并且，受水下工作环境的影响，能源的性能退化加速和使用寿命缩短。因此，如何提高工作效率和延长能源的使用寿命是水下机器人储能系统和能量管理面临的难题。本项目以水下机器人的燃料电池/锂电池/超级电容混合储能系统为研究对象：通过研究多能源的高效工作特性和性能退化机理，提出一种多能源混合储能系统的新型复合式拓扑结构，并进行优化配置，进而研究多能源混合储能系统的工作模式切换规则、多能源协同控制机制和能量分配优化方法，最终实现多能源混合储能系统的协调能量管理，有效提高水下机器人储能系统的工作效率和延长能源的使用寿命。项目研究成果将为水下机器人多能源的协调控制和能量管理提供新的理论基础，对改善水下机器人的动力性、经济性具有重要的理论意义和应用价值。

水下机器人采用燃料电池或锂电池作为主能源供能时，燃料电池和锂电池将面临水下低温工作条件，导致这两种能量源发生不同程度的性能衰减。相应能源动力系统的输出功率和工作效率降低，这将导致水下机器人的续航时间和机动作业能力下降。并且，受水下工作环境的影响，燃料电池和锂电池性能退化和寿命衰减加速。在现有能源供给技术的条件下，可以充分利用不同能源的性能优势，将燃料电池、锂电池和超级电容组成多能源混合储能系统来提高能源动力系统的工作效率和延长能源的使用寿命。 .本项目的主要研究内容包括：针对水下低温工作环境特点，开展了主能源燃料电池和锂电池的性能衰减和建模研究；针对水下航行器的工作任务或运行模式需求，研究了多能源混合储能系统的新型复合式拓扑结构，并进行优化配置；基于燃料电池和锂电池性能衰减机理和相应的拓扑结构，研究了多能源混合储能系统的工作模式切换和协同控制能量管理策略；基于试验平台测试结果，研究了多能源混合储能系统的能量管理优化方法。最终，实现了多能源混合储能系统协调能量管理，有效提高了水下机器人能源动力系统的运行效率和延长能源的使用寿命。.本项目研究有助于提升水下机器人储能系统的整体性能，不仅对提升我国海洋国防实力具有重要的意义，而且可以推广至民用领域的水下机器人，在渔业资源探测、水下搜救、海底管道检修等方面发挥重要作用。基于本项目研究成果，发表论文8篇，其中SCI收录论文6篇，《西安交通大学学报》期刊论文2篇，参加国际会议2次，申请国家发明专利8项，已经获得国家发明专利授权6项。此外，依托项目研究成果，新增陕西省重点研发计划项目1项。