一种船舶油氢光电复合动力系统和能量管理方法

本发明属于直接转变化学能为电能的方法或装置领域，具体涉及一种船舶油氢光电复合动力系统和能量管理方法。

背景技术：

1、随着全球温室效应的加剧，世界各国对于工业、商业和运输业活动的碳排放量也有进一步的管控。随着环保意识的抬头，各种具有燃油需求的产业优先被纳入相关的考虑。其中，交通运输产业可谓是目前各类活动与燃油最直接相关的产业之一，而船舶业的油耗和温室气体排放是兹待解决的重要问题。

2、船舶动力系统一般为柴油机驱动螺旋桨或喷泵，且船舶运行过程中柴油机更多处于较高转速及较高功率区域，导致排放性能较差。新能源船舶一般分为纯电动船舶、混合动力船舶、氢燃料电池船舶以及复合动力船舶。纯电动船舶由动力电池提供能源，电机用于驱动螺旋桨或喷泵，该动力系统由于电池的能量密度限制，续驶里程较难保证，当前岸电功率难以支持船舶快充，充电时间较长，且长续航要求下电池重，成本高。混合动力船舶由柴油机与电动机共同驱动，无需考虑充电问题，可以由发动机提供主要动力，电机用以回收能量，调节发动机工作区域。但由于船舶的制动能量回收策略较难实现，无法完全发挥出混合动力的优越性。同时，柴油机不能频繁启停也制约了混动船舶的应用，动力电池的soc会限制船舶最高动力持续时间，影响动力性能。氢能作为清洁能源，是未来使用能源发展的方向，将氢能应用于船舶交通领域能够有效解决船舶领域的排放问题。但氢燃料电池造价昂贵，氢气价格也较高，这都导致了氢燃料电池船舶的成本问题。复合动力船舶使用至少一个发电机组、一个燃料电池以及一个动力电池，连接在直流组网上并通过逆变器驱动电动机，该构型能够将各动力源功率进行再分配，较为符合当前船舶发展趋势，但柴油发电机组存在由于能量二次转换导致的效率问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种船舶油氢光电复合动力系统和能量管理方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种船舶油氢光电复合动力系统，包括氢气罐、燃料电池、dc/dc、功率分配装置、动力电池、螺旋桨、减速器、电机、常开离合器和内燃机；氢气罐、燃料电池、dc/dc、功率分配装置、动力电池通过线路依次连接；内燃机和电机通过常开离合器机械连接，电机、减速器、螺旋桨依次机械连接；氢气罐为氢气存储装置，被配置为用于存储氢气；燃料电池为氢燃料电池，被配置为用于将氢气转换为电能并输出；dc/dc 为直流转直流变压装置，被配置为用于将燃料电池的电压转换至与动力电池及电机所需电压一致；功率分配装置，被配置为用于燃料电池功率、动力电池功率、生活用电功率以及电机需求功率的分配；动力电池，包括各种类型的锂电池，被配置为用于提供或回收电能；螺旋桨，被配置为用于作为整船的驱动装置；减速器为齿轮组，被配置为用于对整船进行减速；电机为驱动发电一体机，能够正转、倒转，被配置为用于实现各转速下的驱动及发电；内燃机，被配置为用于将化学能转换为机械能并输出。

3、优选地，该复合动力系统还包括光伏电池，光伏电池通过 dc/dc、动力电池电连接至功率分配装置，从而保证整船的电功率来源。

4、优选地，该复合动力系统还包括dc/ac，dc/ac 为直流转交流变换器，被配置为用于将直流母线中的直流电转换为交流电。

5、优选地，该复合动力系统还包括生活用电装置，功率分配装置根据生活用电装置的需求将部分直流电通过dc/ac转换为交流电供生活用电装置使用，保证整船的电能输出。

6、优选地，该复合动力系统还包括油箱，油箱与内燃机通过管路连接。

7、优选地，常开离合器包括湿式离合器；内燃机包括柴油内燃机、汽油内燃机、氨内燃机、lng内燃机、甲醇内燃机以及氢内燃机。

8、优选地，氢气罐为液氢罐。

9、此外，本发明还提到一种能量管理方法，该方法采用如上所述的一种船舶油氢光电复合动力系统，具体包括如下步骤：步骤1：整船状态识别与需求计算；通过船上的各种传感器搜集到的信号进行整船状态识别，并计算整船需求转矩以及电机所需电功率；步骤2：内燃机与电机转矩分配策略；步骤3：燃料电池与动力电池功率分配策略；将燃料电池与动力电池的功率进行合理分配，并限制燃料电池的功率变化率，保证燃料电池寿命。

10、优选地，步骤1中，船上的各种传感器搜集到的包括船速、驱动油门开度、制动油门开度、前进/倒退挡位信号；整船状态分为起动状态、前进状态、倒退状态、制动状态以及停泊状态；起动状态为当船速为0且油门开启时的状态；前进状态为船速大于0时且油门开启时的状态；倒退状态为船速小于0时且油门开启时的状态；制动状态是船速大于0且制动油门开启的状态；停泊状态是船速为0且抛锚时的状态；整船需求转矩计算方法：当前驱动油门开度与当前整船当前转速下转矩外特性之积，如式（1）所示：

11、 （1）；电机所需电功率计算方法：根据电机需求转矩与电机转速以及电机效率，计算得出如式（2）所示：

12、（2）；式中，为电机转速，为电机需求转矩，为电机关于转速、转矩的效率函数。

13、优选地，步骤2中，在不同船舶状态下对内燃机与电机之间进行转矩分配，分配转矩为整船需求转矩，其控制方法如下：以电动机为动力源进行工作，避开内燃机工作不经济的区域，此时内燃机需求转矩以及电机需求转矩分配如式（3）所示：

14、（3）。

15、步骤2.2：前进状态；前进状态是船舶的主要运行状态，前进状态中根据整船需求转矩以及内燃机的万有特性划分不同的前进状态工作模式，包括纯电动前进，内燃机直驱以及联合驱动三种模式；纯电动模式是指此时的需求驱动转矩全部由电机承担，进入此模式的判定条件如式（4）所示：

16、（4）；式中为根据发动机相同转速下的效率划分出的发动机转矩线，由标定产生；此时的转矩分配如式（5）所示：

17、（5）；内燃机直驱模式是指此时的需求转矩全部由内燃机承担，进入此模式的判定条件如式（6）所示：

18、（6）；式中为根据发动机相同转速下的效率划分出的发动机转矩线，由标定产生，与共同划分出发动机的高效区；此时的转矩分配如式（7）所示

19、（7）；联合驱动模式是指此时的需求转矩由内燃机和电机共同承担，进入此模式的判定条件如式（8）所示：

20、（8）；根据需求转矩的不同内燃机工作在不同的转矩线上与电机同时驱动船舶，转矩分配如式（9）所示：

21、（9）；式中，为电机的额定外特性；为发动机外特性。

22、步骤2.3：倒退模式；倒退模式下，螺旋桨反转，驱动整船倒退；螺旋桨反转通过两种方式实现，常用方式为电机反转，此时内燃机与电机之间的常开离合器脱开，内燃机不工作，电机反转，转矩为需求转矩，如式（10）所示：

23、（10）；当氢气罐内氢气不足，且动力电池soc不足时，此时氢燃料电池与动力电池的功率不足以支持电机的功率，减速器挂倒挡，发动机正转经过减速器驱动螺旋桨反转，此时发动机转矩按照转矩线工作，电机为动力电池充电，如式（11）所示：

24、（11）。

25、步骤2.4：制动模式；制动模式下，螺旋桨减速至0后反转，为整船减速，螺旋桨反转方式与倒退模式一致；螺旋桨减速采用电机负转矩减速，此时常开离合器脱开，发动机转矩为0，电机转矩为负值，电机转矩通过当前螺旋桨转速计算得来，采用pid算法或模糊算法进行计算，采用pid算法转矩分配如式（12）所示。

26、（12）；式中、、分别为pid控制的比例系数、积分系数以及微分系数，为当前螺旋桨转速，pid算法控制目标为转速为0。

27、步骤2.5：停泊模式；停泊模式下，船舶抛锚，发动机与电机的转矩均为0，如式（13）所示：

28、（13）。

29、本发明所带来的有益技术效果：本发明采用氢燃料电池、动力电池以及光伏电池作为能量源，内燃机通过离合器连接电机并传递给螺旋桨驱动或制动整船，具体优点如下：1、采用内燃机与电机共同驱动，保证动力性的前提下，调整发动机的工作区域，在过高/过低负荷下能够提升内燃机的经济性，从而有效降低整船的运行成本；2、本发明采用氢燃料电池主要为电机提供能量来源，动力电池soc不受限制，能够更好的发挥动力性能；3、由于存在内燃机与氢燃料电池，能够同时降低两个动力源的规格，从而降低新能源船舶的购置成本，在某些船型下可以使用汽油机代替原有的柴油机，进一步降低成本；4、soc完全由氢燃料电池调控，内燃机在非必要情况下不参与发电，且划定发动机的高效区，从而避免内燃机发电情况下能量二次转换带来的效率损失。