CN105305517B

CN105305517B - 一种新能源混合动力船舶蓄电池组系统

Info

Publication number: CN105305517B
Application number: CN201410361446.7A
Authority: CN
Inventors: 李向舜; 杨幸; 陈伟; 朱国荣; 赵东明
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2019-01-29
Anticipated expiration: 2034-07-25
Also published as: CN105305517A

Abstract

本发明提供一种新能源混合动力船舶蓄电池组系统。包括有安装在混合动力船舶上的蓄电池组系统，其中混合动力船舶同时包括有风力发电系统和水力发电系统，所述的蓄电池组系统包括有充电控制系统，充电切换开关、蓄电池组、放电控制系统和放电切换开关；所述的充电控制系统分为风力充电控制器和水力充电控制器，两者共同连接充电切换开关；所述的放电控制系统为一个闭环控制系统，环路中包括有功率控制器和DC/DC变换器，并在环路中设置有放电深度检测装置。本发明系统采用多组蓄电池交替进行充放电，提高了蓄电池的放电效率以及优化其性能，合理分配了船舶主动力系统与辅助动力系统的输出功率。

Description

一种新能源混合动力船舶蓄电池组系统

技术领域

本发明涉及船舶新能源设备技术领域，尤其涉及到一种优化后的新能源混合动力船舶蓄电池组系统。

背景技术

开发新能源代替部分石化能源的燃烧可有效缓解节能减排的压力。风能作为一种清洁能源，具有很大的开发潜力。目前，利用风力发电已经得到普遍推广与应用，且我国的风力资源极为丰富，尤其是在沿海岛屿等地，而船舶作为一种交通工具在世界贸易中有着不可或缺的地位。如果将风力发电合理应用到船舶上，可在很大程度上减少石化能源的燃烧。另一方面，船舶在行驶过程中，相对于水具有一定的速度，也即水具有一定的动能，考虑利用水的动能进行发电代替落差式水力发电，此种发电形式也可为船舶行驶提供一定的能量。

目前，大多数船舶仍采用单柴油机作为船舶动力系统，考虑将清洁能源运用到船舶上的应用并不多，一些帆船利用风作用于风帆上的动力代替部分燃油。然而，由于风是多变的。因此，就需要特定形状的帆翼，且风帆易造成偏航，船舶航向不易控制。由于风能的间歇性缺陷，利用水力发电实现风力水力发电互补。水力发电作为人们日常生活中用电的主要来源方式，常规的水力发电是利用水位落差，将水的重力势能转化为动能，推动水轮机转动进行发电。在船舶行驶过程中，充分利用水流的相对速度这一优势进行水力发电，克服了需要水位落差这一缺点。

随着人们对节能减排这一意识的提高，混合动力汽车已在当前社会备受瞩目。本发明考虑将混合动力运用到船舶上，利用清洁能源发电为船舶提供动力。在混合电源中，辅助电源多采用单组电池供电，考虑更为连续地供电，可以利用两组蓄电池储能，交替为系统供电。关于影响蓄电池放电效率因素的问题已经有学者进行了研究，在此基础上，本发明以提高蓄电池的放电效率同时兼顾船舶系统需求功率为目的，对蓄电池组输出功率的问题进行讨论与控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述存在的技术不足，提供一种将风力发电和水力发电同时运用到船舶上作为船舶的辅助动力系统，并采用两组蓄电池交替进行充放电，提高蓄电池的放电效率以及优化其性能，合理分配船舶主动力系统与辅助动力系统的输出功率的新能源混合动力船舶蓄电池组系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种新能源混合动力船舶蓄电池组系统，包括有安装在混合动力船舶上的蓄电池组系统，其中混合动力船舶同时包括有风力发电系统和水力发电系统，其特征在于：所述的蓄电池组系统包括有充电控制系统，充电切换开关、蓄电池组、放电控制系统和放电切换开关；所述的充电控制系统分为风力充电控制器和水力充电控制器，两者共同连接充电切换开关；所述的放电控制系统为一个闭环控制系统，环路中包括有功率控制器和DC/DC变换器，并在环路中设置有放电深度检测装置。

在上述方案中，所述的蓄电池组有多组并联设置，分别对应风力发电系统和水力发电系统,两种发电系统均可为其中任意一组蓄电池充电。

在上述方案中，所述的充电切换开关同时控制多组蓄电池交替进行充电，改变蓄电池组的充电状态。

在上述方案中，所述的功率控制器连接并控制蓄电池组的输出功率，采用模糊控制算法规则推理出蓄电池组的输出功率，使其工作在限定的放电深度和输出功率之间，同时提高蓄电池组的放电效率。

在上述方案中，所述的DC/DC变换器是执行机构，分别与功率控制器和蓄电池组直接连通，根据功率控制器输出的信号，改变蓄电池组的输出功率。

在上述方案中，所述的蓄电池组构成控制系统的被控对象，其中放电切换开关同上述充电切换开关，控制蓄电池组交替放电。

在上述方案中，所述的放电深度检测装置，也分别与功率控制器和蓄电池组直接连通，将蓄电池组的放电深度反馈给功率控制器，同时以系统需求功率作为功率控制器的输入。

工作原理为：风力水力发电混合动力船舶系统中，其中风轮机和风力发电机通过支架立在船体上，水轮机安装在船体下方便于利用水流的动能，其它各部分安装在船体上，风力发电系统和水力发电系统可同时给蓄电池组充电。

风轮机在风流的推动下产生旋转，实现风能向机械能的转换；旋转的风轮机通过传动系统驱动风力发电机旋转，实现了机械能向电能的转换；风力充电控制器控制风力发电系统的充电状况，当蓄电池组超过其容量时，该控制器阻断蓄电池组的充电，同时它能够平稳给蓄电池组充电，以减少蓄电池组的损耗。

水轮机在水流的推动下产生旋转，实现水能向机械能的转换；旋转的水轮机通过传动系统驱动水力发电机旋转，实现了机械能向电能的转换；水力充电控制器控制水力发电系统的充电状况，当蓄电池组超过其容量时，该控制器阻断蓄电池组的充电，同时它能够平稳给蓄电池组充电，以减少蓄电池组的损耗。

充电切换开关能够让两组蓄电池交替进行充电，改变蓄电池组的充电状态，以保证蓄电池组能够更连续的为船舶行驶提供动力。

船舶在行驶的过程中需要消耗较多的能源，仅仅利用风力水力发电系统作为电源是达不到要求的。因此，需要燃油作为主电源辅助发电能源同时为船舶提供动力。合理分配主电源与辅助电源所提供的输出功率不仅可以优化蓄电池组的使用性能，延长其寿命，而且还能提高蓄电池组的供电效率。

本发明的有益效果在于：

本发明系统将风力发电和水力发电同时运用到船舶上作为船舶的辅助动力系统，并采用多组蓄电池交替进行充放电，提高了蓄电池的放电效率以及优化其性能，合理分配了船舶主动力系统与辅助动力系统的输出功率。

附图说明

图1是本发明实施例的风力水力发电系统框图；

图2是本发明实施例的蓄电池组输出功率控制框图；

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明作进一步的说明：

如图1图2所示的新能源混合动力船舶蓄电池组系统，包括有安装在混合动力船舶上的蓄电池组系统，其中混合动力船舶同时包括有风力发电系统和水力发电系统，所述的蓄电池组系统包括有充电控制系统，充电切换开关、蓄电池组、放电控制系统和放电切换开关；所述的充电控制系统分为风力充电控制器和水力充电控制器，两者共同连接充电切换开关；所述的放电控制系统为一个闭环控制系统，环路中包括有功率控制器和DC/DC变换器，并在环路中设置有放电深度检测装置；所述的蓄电池组有两组并联设置，分别对应风力发电系统和水力发电系统；所述的充电切换开关同时控制两组蓄电池交替进行充电，改变蓄电池组的充电状态；所述的功率控制器连接并控制蓄电池组的输出功率，优化蓄电池组的性能，使其工作在限定的放电深度和输出功率之间，同时提高蓄电池组的放电效率；所述的DC/DC变换器是执行机构，分别与功率控制器和蓄电池组直接连通，根据功率控制器输出的信号，改变蓄电池组的输出功率；所述的放电深度检测装置，也分别与功率控制器和蓄电池组直接连通，将蓄电池组的放电深度反馈给功率控制器，同时以系统需求功率作为功率控制器的输入。

通过充电切换开关，对两组蓄电池交替充电，当一组蓄电池充满电或另一组蓄电池剩余电量小于最低要求电量时，切换到另一组蓄电池充电。通过放电切换开关，对两组蓄电池交替放电，当放电的蓄电池组剩余电量小于最低要求电量时，切换到另一组蓄电池放电。充电切换开关和放电切换开关的共同作用保证蓄电池组更加连续的为系统供电。蓄电池组输出功率控制系统中，通过放电深度检测装置将蓄电池组的放电深度反馈给功率控制器，同时系统需求功率也作为功率控制器的输入；然后，通过功率控制器的控制策略调整蓄电池组的输出功率值，并将输出值输入到DC/DC变换器中；DC/DC变换器根据功率控制器的输入值改变蓄电池组的输出功率。

在控制算法上，主要体现在对蓄电池组输出功率的控制。首先，对蓄电池放电性能进行分析，可以发现蓄电池在放电时具有一定特性。当放电深度增加时，蓄电池的放电效率随之减小，且减小速率逐渐变大，而在一定的电流范围内，在同一放电深度下，当放电电流逐渐减小时，放电效率逐渐增大。因此，当放电深度逐渐增大时，适当减小蓄电池放电功率可提高其放电效率。根据该特性，可以得到蓄电池放电效率与输出功率及放电深度的非线性关系。然而，在考虑蓄电池组的输出功率时，如果单纯为了提高蓄电池组的输出效率，那么理想情况下，输出功率越小输出效率便越高，如此便达不到充分利用清洁能源的目的，故在提高蓄电池组输出功率的同时，需要兼顾考虑系统的需求功率。下面对几种情况下的功率分配问题进行分析。

1.当蓄电池组放电深度很小或较小时，随着输出功率减小，输出效率增加较小。此时，可以使蓄电池组输出很大的功率。

2.当蓄电池组放电深度适中时，随着输出功率的减小，输出效率增加适中。此时，如果系统需求功率很大，则使蓄电池输出很大的功率；其他情况下，则使蓄电池组输出较大的功率。

3.当蓄电池组放电深度较大时，随着输出功率的减小，输出效率增加较大。此时，如果系统需求功率很大，则使蓄电池组输出较大的功率；如果系统需求功率较大或适中时，则使蓄电池组输出适中的功率；其他情况下，则使蓄电池组输出较小功率。

4.当蓄电池组放电深度很大时，随着输出功率的减小，输出功率增加很大。此时，如果系统需求功率很大，则使蓄电池组输出适中的功率；如果系统需求功率较大，则使蓄电池组输出较小的功率；其他情况下，则使蓄电池组输出很小功率。

针对以上控制思想，功率控制器采用模糊控制算法，控制过程是根据系统需求功率P_r和蓄电池组放电深度DOD,按照一定的规则推理出蓄电池组的输出功率。因此，把系统需求功率P_r和蓄电池组放电深度DOD作为模糊控制器的输入，把蓄电池组的输出功率作为输出。模糊控制算法的具体过程分为以下几个部分。

1.论域变换

系统需求功率P_r的物理论域为[0,P_{r max}]，P_{r max}为系统需求的最大功率；放电深度DOD的物理论域为[0,0.9]；蓄电池组输出功率P_a的物理论域为[0,P_amax],P_amax为输出功率的最大值。将以上各个变量的物理论域乘以各自的量化因子得到模糊论域。这三个变量的模糊论域均取[0,1]。

2.隶属度函数设计

根据以上功率分配的分析，对各变量划分模糊子集。P_{r max}、DOD和P_a模糊子集均为{TB,B,M,S,TS}。采用三角函数作为各变量的隶属度函数。

3.模糊规则

根据上面对功率分配问题的分析，采用IF-THEN语句指定模糊规则，然后将各个规则合成。

4.论域反变换

将模糊控制器的输出量乘以比例因子得到蓄电池组输出功率P_a的实际量，该实际量即为控制的目标参数。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims

1.一种新能源混合动力船舶蓄电池组系统，包括有安装在混合动力船舶上的蓄电池组系统，其中混合动力船舶同时包括有风力发电系统和水力发电系统，其特征在于：所述的蓄电池组系统包括有充电控制系统，充电切换开关、蓄电池组、放电控制系统和放电切换开关；所述的充电控制系统分为风力充电控制器和水力充电控制器，两者共同连接充电切换开关，所述的蓄电池组由多组蓄电池并联设置，分别对应风力发电系统和水力发电系统,两种发电系统均可为其中任意一组蓄电池充电，所述的充电切换开关同时控制多组蓄电池交替进行充电，改变蓄电池组的充电状态；所述的放电控制系统为一个闭环控制系统，环路中包括有功率控制器和DC/DC变换器，并在环路中设置有放电深度检测装置，所述闭环控制系统具体的连接方式为：所述蓄电池组连接所述放电切换开关，所述蓄电池组连接所述放电深度检测装置，所述放电深度检测装置连接所述功率控制器，所述功率控制器连接所述DC/DC变换器，所述DC/DC变换器连接所述蓄电池组，从而构成闭环回路；所述的DC/DC 变换器是执行机构，根据功率控制器输出的信号，改变蓄电池组的输出功率；所述的放电深度检测装置，将蓄电池组的放电深度反馈给功率控制器，同时以系统需求功率作为功率控制器的输入；所述的功率控制器连接并控制蓄电池组的输出功率，采用模糊控制算法规则推理出蓄电池组的输出功率，通过对蓄电池放电性能进行分析，根据蓄电池的放电特性，在不同的放电深度下蓄电池具有不同的放电性能，因此，在模糊控制算法中，以蓄电池组的放电深度以及系统需求功率作为输入，按照模糊推理规则得出蓄电池组的输出功率，使蓄电池组工作在限定的放电深度和输出功率之间。