CN110758708A - 一种舰船燃料电池混合推进***和能量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舰船燃料电池混合推进***和能量控制方法，以燃料电池和蓄电池组混合作为推进***的动力源，能源管理模块、混合动力源和推进***模块连接形成混合推进***。在舰船航行过程中，当舰船需求功率处于燃料电池最佳功率区间时，由燃料电池为推进***模块供电；当舰船所需功率大于燃料电池最佳功率区间时，燃料电池和蓄电池组共同为推进***模块供电；当燃料电池故障或原料不足时，蓄电池组为船舶进行应急供电。本发明能够实现真正意义上的无污染、零排放，并将能源利用达到最优化。

Description

一种舰船燃料电池混合推进***和能量控制方法

技术领域

本发明涉及舰船动力***技术领域，尤其涉及一种舰船燃料电池混合推进***和能量控制方法。

背景技术

船舶是现阶段交通工具的一种，尤其是在货运行业，因其可以装载大量的货物而被广泛运用于海运中。但在提倡智能船舶、绿色海洋的现状下，之前大量使用传统的柴油机驱动船舶会对自然环境造成很大影响，因此，发展混合动力船舶具有非常重大的意义，而节能、环保是船舶动力设计的前提。

例如，中国专利文献CN102120488A公开了“混合动力船舶电力推进***及实施方法”，以动力电池作为电力推进***主电源、以柴电机组作为辅助电源的混合动力船舶电力推进***及实施方法。船舶靠泊停航时，由岸电对动力电池进行充电，储存电能；正常航行时，由动力电池对电力推进***供电；航行中一旦动力电池的储能用尽或发生故障，则辅助柴电机组自动起动投入运行，继续为电力推进***供电，维持船舶航行；在应急状态下，动力电池与柴电机组联合为电力推进***供电，以保证船舶的航行安全。上述专利文献中的推进***在动力电池的储能用尽或发生故障时采用柴电机组为推进***供电，然而柴电机组运行时会产生污染，整个电力推进***无法做到实现真正意义上的无污染、零排放，同时上述专利文献不能够根据船舶航行工况合理分配动力电池、柴电机组的能源供给，无法使整个推进***能源利用最优化。

发明内容

本发明主要解决现有的舰船混合推进***无法做到实现真正意义上的无污染、零排放以及能源利用无法达到最优化的技术问题：提供一种舰船燃料电池混合推进***和能量控制方法，采用燃料电池和蓄电池组作为混合动力源为推进***供电，实现真正意义上的无污染、零排放，利用舰船内部的能源管理模块根据舰船航行工况合理分配燃料电池和蓄电池组的能源供给，使能源利用达到最优化。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的舰船混合推进***包括推进***模块、能源管理模块和动力源模块，所述动力源模块包括燃料电池和蓄电池组，所述能源管理模块包括燃料电池管理单元、蓄电池组管理单元、处理单元和监测动力源模块的监测单元，所述推进***模块包括控制单元和驱动机构；所述燃料电池输出端和蓄电池组输出端并联连接在直流母线上，所述直流母线输出端与所述控制单元输入端连接，所述控制单元输出端与所述驱动机构输入端连接，所述推进***模块反馈输出端和监测单元输出端与所述处理单元输入端连接，所述处理单元输出端与所述燃料电池管理单元输入端和蓄电池组管理单元输入端连接。

推进***模块将舰船的航行工况反馈输出到能源管理模块中的处理单元，处理单元根据舰船的航行工况进行航行所需负载功率的计算，监测模块将燃料电池和蓄电池组的相关数据(燃料电池原料的数量、电池温度、燃料利用率等)传输到能源管理模块中的处理单元，处理单元根据燃料电池和蓄电池组的相关数据进行燃料电池最佳功率、燃料电池最佳效率和蓄电池组SOC值的计算，并对上述数据进行比对判别，再选择相适宜的工作模式，将选择的工作模式发送到燃料电池管理单元和蓄电池组管理单元，燃料电池管理单元和蓄电池组管理单元根据工作模式控制启动相应的动力源为推进***供电。采用燃料电池和蓄电池组的电电混合推进***，能够实现真正意义上的无污染、零排放，能源控制过程为闭环控制，可以实时根据舰船航行工况合理分配燃料电池和蓄电池组的能源供给，使能源利用达到最优化。

作为优选，所述的舰船氢燃料电池混合推进***还包括单向DC-DC变换器，所述燃料电池输出端与所述单向DC-DC变换器输入端连接，所述单向DC-DC变换器输出端与所述蓄电池组输出端并联连接在直流母线上。

燃料电池的输出电压经过单向DC-DC变换器变压稳压后与直流母线电压等级匹配，燃料电池的功率输出与直流母线的电压之间没有耦合关系，且DC-DC为单向变化器，其输出作为被控对象，主动量为燃料电池的输出功率，能够控制燃料电池输出功率在允许的小范围内波动。

作为优选，所述的舰船氢燃料电池混合推进***还包括双向DC-DC变换器，所述蓄电池组通过双向DC-DC变换器与所述燃料电池并联连接在直流母线上。

燃料电池与直流母线连接，蓄电池组经过双向DC-DC变换器后与直流母线连接，可减轻辅助蓄电池组的体积和重量，使蓄电池组充放电双向可控，有利于实现参数优化。

作为优选，所述的燃料电池为质子交换膜燃料电池。

质子交换膜燃料电池启动速度快，特别适于用作动力电池；能量转化效率高，通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能；可实现零排放，其唯一的排放物是纯净水(及水蒸气)，没有污染物排放；且氢气是一种可再生的绿色环保能源。

作为优选，所述的蓄电池组充电端与燃料电池连接。

当蓄电池组SOC值低于设定值，燃料电池为蓄电池组充电，使蓄电池的电量始终保持在安全工作范围，延长蓄电池组的使用寿命，并尽可能维持较高电量为船舶启动、加速等工况提供峰值功率。

本发明的舰船燃料电池混合推进***的能量控制方法，包括下列步骤：

S1、推进***模块将舰船航行过程中的工况反馈到处理单元，监测模块将监测到的燃料电池和蓄电池组的数据传输到处理单元；

S2、处理单元根据采集到的工况计算负载功率P_load，根据监测到的数据计算燃料电池最佳功率P_FC、燃料电池最佳效率η_FC和蓄电池组SOC值；

S3、处理单元根据监测到燃料电池的数据判断燃料电池是否出现故障或原料不足，若燃料电池出现故障或原料不足，则选择蓄电池组应急推进工作模式，反之，则进行步骤S4；

S4、判断0＜P_load＜P_FC且η_FC≥60％，若否，则选择燃料电池和蓄电池组并联推进工作模式，反之，则进行步骤S5；

S5、判断40％≤SOC≤90％，若是，则选择纯燃料电池推进工作模式B，反之，则选择纯燃料电池推进工作模式A。

纯燃料电池推进A工作模式：当舰船需求功率处于燃料电池最佳功率区间时，由燃料电池为推进***模块供电；同时，蓄电池组SOC值低于设定值，燃料电池为蓄电池组充电；纯燃料电池推进B工作模式：当舰船需求功率处于燃料电池最佳功率区间时，由燃料电池为推进***模块供电；同时，蓄电池组SOC值不低于设定值，燃料电池无需为蓄电池组充电；燃料电池和蓄电池组并联推进工作模式：当船舶处于启动、加速、转弯等工况时，即所需功率大于燃料电池最佳功率区间时，燃料电池保持在最佳功率区间，不足功率由蓄电池组提供，燃料电池和蓄电池组共同为推进***模块供电；蓄电池组应急推进工作模式：燃料电池故障或原料不足时，蓄电池组作为应急电源为船舶进行应急供电。根据舰船航行工况合理分配燃料电池和蓄电池组的能源供给，使能源利用达到最优化，保持燃料电池始终平稳的工作在一个工作区域，避免工作点大幅度偏移，在该工作区域内，燃料电池输出效率是为最佳；保障蓄电池组的剩余电量始终保持在安全工作范围内，延长蓄电池组的使用寿命；当燃料电池发生故障或原料耗尽时，蓄电池组能够提供继续为推进***供电，保障舰船安全运行。

本发明的有益效果是：1)推进***的动力源采用燃料电池和蓄电池组电电混合，实现真正意义上的无污染、零排放；2)根据舰船航行工况合理分配燃料电池和蓄电池组的能源供给，使能源利用达到最优化，节约经济。

附图说明

图1是本发明***的一种无DC-DC变换器直接并联结构示意图。

图2是本发明***的一种有DC-DC变换器直接并联结构示意图。

图3是本发明***的一种间接并联结构示意图。

图4是本发明***的一种反馈电路原理图。

图5是本发明方法的一种流程框图。

图中1、动力源模块，11、燃料电池，12、蓄电池组，2、能源管理模块，21、燃料电池管理单元，22、蓄电池组管理单元，23、处理单元，24、监测单元，3、推进***模块，31、控制单元，32、发动机，33、螺旋桨，4、双向DC-DC转换器，5、单向DC-DC转换器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：本实施例的一种舰船燃料电池混合推进***，如图1所示，包括推进***模块3、能源管理模块2和动力源模块1，动力源模块包括燃料电池11和蓄电池组12，能源管理模块包括燃料电池管理单元21、蓄电池组管理单元22、处理单元23和监测单元24，推进***模块包括控制单元31和驱动机构，驱动机构包括发动机32和螺旋桨33；燃料电池输出端和蓄电池组输出端并联连接在直流母线上，直流母线输出端与所述控制单元输入端连接，控制单元输出端与发动机输入端连接，发动机输出端与螺旋桨连接，推进***模块反馈输出端和监测单元输出端与处理单元输入端连接，处理单元输出端与燃料电池管理单元输入端和蓄电池组管理单元输入端连接，蓄电池充电端与燃料电池连接，监测单元输入端与燃料电池和蓄电池组相连，监测单元用于实时对燃料电池和蓄电池组进行监测。

在本实施例中，燃料电池采用质子交换膜燃料电池(proton exchange membranefuel cell，英文简称PEMFC)，由氢气和氧气作为原材料，其唯一的排放物是纯净水(及水蒸气)，无污染物排放，实现零排放；推进***模块通过反馈电路将航行工况反馈给能源管理模块的处理单元，如图4所示，包括电源U_S、电阻R_S、电阻R_l、电阻R_f、电阻R_L和放大电路集成芯片U₁,电源U_S的正极与电阻R_S的一端连接，电阻R_S的另一端与芯片U₁的引脚1连接，芯片U₁的引脚3与电阻R_l的一端和电阻R_f的一端连接，芯片U₁的引脚2与电阻R_L的一端和电阻R_f的另一端连接，芯片U₁的引脚4、电阻R_L的另一端、电阻R_l的另一端和电源U_S的负极均接地。

推进***主要有两种连接结构：直接并联结构和间接并联结构，直接并联结构中又分有无DC-DC变换器，图1所示的为直接并联结构无DC-DC变换器。

直接并联结构有DC-DC变换器如图2所示，与直接并联结构无DC-DC变换器相比，其增加了DC-DC变换器，DC-DC变换器为双向DC-DC变换器4，蓄电池组通过双向DC-DC变换器与燃料电池的输出端并联连接在直流母线上，直流母线输出端与所述控制单元输入端连接，控制单元输出端与发动机输入端连接，发动机输出端与螺旋桨连接，推进***模块反馈输出端和监测单元输出端与处理单元输入端连接，处理单元输出端与燃料电池管理单元输入端和蓄电池组管理单元输入端连接，蓄电池充电端与燃料电池连接，监测单元输入端与燃料电池和蓄电池组相连，监测单元用于实时对燃料电池和蓄电池组进行监测。

燃料电池与直流母线连接，蓄电池组经过双向DC-DC变换器后与直流母线连接，可减轻辅助蓄电池组的体积和重量，使蓄电池组充放电双向可控，有利于实现参数优化。

间接并联结构如图3所示，其中DC-DC变换器为单向DC-DC变换器5,燃料电池的输出端与单向DC-DC变换器的输入端连接，单向DC-DC变换器的输出端与蓄电池组的输出端并联连接在直流母线上，直流母线输出端与所述控制单元输入端连接，控制单元输出端与发动机输入端连接，发动机输出端与螺旋桨连接，推进***模块反馈输出端和监测单元输出端与处理单元输入端连接，处理单元输出端与燃料电池管理单元输入端和蓄电池组管理单元输入端连接，监测单元输入端与燃料电池和蓄电池组相连，监测单元用于实时对燃料电池和蓄电池组进行监测。

燃料电池的输出电压经过单向DC-DC变换器变压稳压后与直流母线电压等级匹配，燃料电池的功率输出与直流母线的电压之间没有耦合关系，且DC-DC为单向变化器，其输出作为被控对象，主动量为燃料电池的输出功率，能够控制燃料电池输出功率在允许的小范围内波动。

推进***模块通过反馈电路将航行工况反馈给能源管理模块的处理单元，推进***模块将舰船的航行工况反馈输出到能源管理模块中的处理单元，处理单元根据舰船的航行工况进行航行所需负载功率的计算，监测模块将燃料电池和蓄电池组的相关数据(燃料电池原料的数量、电池温度、燃料利用率等)传输到能源管理模块中的处理单元，处理单元根据燃料电池和蓄电池组的相关数据进行燃料电池最佳功率、燃料电池最佳效率和蓄电池组SOC值的计算，并对上述数据进行比对判别，再选择相适宜的工作模式，并将已经选择的工作模式发送到燃料电池管理单元和蓄电池组管理单元。当燃料电池出现故障或原料不足时，选择蓄电池组应急推进工作模式，蓄电池组管理单元控制蓄电池组输出舰船航行所需功率，燃料电池管理单元不工作；当燃料电池正常，舰船航行所需功率处于燃料电池最佳功率区间且蓄电池组SOC值低于设定值时，选择纯燃料电池推进工作模式A，燃料电池管理单元控制燃料电池输出舰船航行所需功率，并为蓄电池组充电，蓄电池组管理单元不工作；当燃料电池正常，舰船航行所需功率处于燃料电池最佳功率区间且蓄电池组SOC值不低于设定值时，选择纯燃料电池推进工作模式B，燃料电池管理单元控制燃料电池输出舰船航行所需功率，蓄电池组管理单元不工作；当燃料电池正常，舰船航行所需功率大于燃料电池最佳功率区，选择燃料电池和蓄电池组并联推进工作模式，燃料电池管理单元控制燃料电池的输出功率保持在最佳功率区间，蓄电池组管理单元控制蓄电池组输出舰船航行所需的剩余部分功率。

本实施例的一种舰船燃料电池混合推进***的能量控制方法，如图5所示，包括下列步骤：

S1、推进***模块将舰船航行过程中的工况反馈到处理单元，监测模块将监测到的燃料电池和蓄电池组的数据传输到处理单元；

S2、处理单元根据采集到的工况计算负载功率P_load，根据监测到的数据计算燃料电池最佳功率P_FC、燃料电池最佳效率η_FC和蓄电池组SOC值；

S3、处理单元根据监测到燃料电池的数据判断燃料电池是否出现故障或原料不足，若燃料电池出现故障或原料不足，则选择蓄电池组应急推进工作模式，反之，则进行步骤S4；

S4、判断0＜P_load＜P_FC且η_FC≥60％，若否，则选择燃料电池和蓄电池组并联推进工作模式，反之，则进行步骤S5；

S5、判断40％≤SOC≤90％，若是，则选择纯燃料电池推进工作模式B，反之，则选择纯燃料电池推进工作模式A。

推进***模块将航行工况反馈给能源管理模块的处理单元，处理单元根据舰船的航行工况进行航行所需负载功率的计算，监测模块将燃料电池和蓄电池组的相关数据(燃料电池原料的数量、电池温度、燃料利用率等)传输到能源管理模块中的处理单元，处理单元根据燃料电池和蓄电池组的相关数据进行燃料电池最佳功率、燃料电池最佳效率和蓄电池组SOC值的计算，并对上述数据进行比对判别，再进行工作模式的选择，对燃料电池进行判别，若燃料电池故障或原料不足，则选择蓄电池组应急推进工作模式，蓄电池组作为应急电源为舰船进行应急供电。若燃料电池无故障且原料充足，则对舰船航行工况和蓄电池组的SOC值进行判别，若舰船航行所需功率处于燃料电池最佳功率区间0＜P_load＜P_FC、燃料电池效率η_FC≥60％，且蓄电池组SOC值低于设定值40％时，则选择纯燃料电池推进工作模式A，燃料电池为推进***模块供电的同时也为蓄电池组充电；若舰船航行所需功率处于燃料电池最佳功率区间0＜P_load＜P_FC、燃料电池效率η_FC≥60％且蓄电池组SOC值不低于设定值(40％≤SOC≤90％)时，则选择纯燃料电池推进工作模式B，燃料电池只需为推进***模块供电。若船舶处于启动、加速、转弯等工况(即所需功率大于燃料电池最佳功率区间，P_load＞P_FC)或者燃料电池效率η_FC＜60％，则选择燃料电池和蓄电池组并联推进工作模式，燃料电池的输出保持在最佳功率区间，不足功率由蓄电池组提供，燃料电池和蓄电池组共同为推进***模块供电。

Claims (6)

1.一种舰船燃料电池混合推进***，其特征在于包括推进***模块、能源管理模块和动力源模块，所述动力源模块包括燃料电池和蓄电池组，所述能源管理模块包括燃料电池管理单元、蓄电池组管理单元、处理单元和监测动力源模块的监测单元，所述推进***模块包括控制单元和驱动机构；所述燃料电池输出端和蓄电池组输出端并联连接在直流母线上，所述直流母线输出端与所述控制单元输入端连接，所述控制单元输出端与所述驱动机构输入端连接，所述推进***模块反馈输出端和监测单元输出端与所述处理单元输入端连接，所述处理单元输出端与所述燃料电池管理单元输入端和蓄电池组管理单元输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种舰船燃料电池混合推进***，其特征在于还包括单向DC-DC变换器，所述燃料电池输出端与所述单向DC-DC变换器输入端连接，所述单向DC-DC变换器输出端与所述蓄电池组输出端并联连接在直流母线上。

3.根据权利要求1所述的一种舰船燃料电池混合推进***，其特征在于还包括双向DC-DC变换器，所述蓄电池组通过双向DC-DC变换器与所述燃料电池并联连接在直流母线上。

4.根据权利要求1或2所述的一种舰船燃料电池混合推进***，其特征在于所述蓄电池组充电端与燃料电池连接。

5.根据权利要求1所述的一种舰船燃料电池混合推进***，其特征在于所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。

6.一种舰船燃料电池混合推进***的能量控制方法，适用于权利要求1～5所述***，其特征在于包括下列步骤：

S1、推进***模块将舰船航行过程中的工况反馈到处理单元，监测模块将监测到的燃料电池和蓄电池组的数据传输到处理单元；

S2、处理单元根据采集到的工况计算负载功率P_load，根据监测到的数据计算燃料电池最佳功率P_FC、燃料电池最佳效率η_FC和蓄电池组SOC值；

S3、处理单元根据监测到燃料电池的数据判断燃料电池是否出现故障或原料不足，若燃料电池出现故障或原料不足，则选择蓄电池组应急推进工作模式，反之，则进行步骤S4；

S4、判断0＜P_load＜P_FC且η_FC≥60％，若否，则选择燃料电池和蓄电池组并联推进工作模式，反之，则进行步骤S5；

S5、判断40％≤SOC≤90％，若是，则选择纯燃料电池推进工作模式B，反之，则选择纯燃料电池推进工作模式A。

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