CN105550462A - 内河渡船混合动力系统动力电池组存储能量与电池模块数量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种推进功率周期性变化的串联型内河渡船混合动力系统动力电池组存储能量与电池模块数量计算方法，通过该方法可以计算动力电池组存储的总能量、并联支路数和电池模块总数，使动力系统既满足船舶航行需求又优化系统运行性能，提高内河渡船整体经济性。所述方法包括5个步骤：一、计算混合动力系统多个功率流路径的效率；二、计算发电机输出的恒定功率；三、计算动力电池组瞬时功率和标称存储能量；四、计算动力电池组并联支路数与模块数量；五、计算动力电池组总并联支路数与模块数量。

Description

内河渡船混合动力系统动力电池组存储能量与电池模块数量计算方法

技术领域

本发明涉及一种内河渡船混合动力系统动力电池参数设计方法，尤其涉及推进功率周期性变化的串联型混合动力系统动力电池组标称存储能量与电池模块数量计算方法。

背景技术

混合动力技术，增强燃油经济性，减少废气和噪声等污染，有助于缓解能源环境问题。船舶混合动力推进技术结合柴电动力推进和纯电池动力推进的优点，有效提升燃油经济性能，减少船舶排放对大气的污染，同时增强船舶的续航能力。内河渡船的航线固定、推进功率有规律的周期性变化，非常适用于柴油发电机和动力电池的混合动力推进。

在内河渡船混合动力系统中，动力电池是一种储能设备，辅助发电机提供推进动力或存储发电机剩余电能，起着推进功率的“削峰填谷”作用，降低发电机的配置功率。根据船舶推进功率需求，合理设计动力电池的参数，可以有效减小电池体积与重量，优化动力系统运行效率，提升动力系统经济性。

发明内容

本发明的目的是提供一种内河渡船混合动力系统动力电池组存储能量与电池模块数量计算方法，通过该方法可以计算动力电池组存储的总能量、并联支路数和电池模块总数，使动力系统既满足船舶航行需求又优化系统运行性能，提高内河渡船整体经济性。

为了实现上述目的，本发明内河渡船混合动力系统动力电池组存储能量与电池模块数量计算方法，其特征在于船舶推进动力由发电机和动力电池提供能量，船舶的航线固定并且推进功率有规律的周期性变化。动力电池具有两种工况：

(1)当推进功率大于发电机输出功率时，动力电池处于放电状态与发电机同时提供推进功率；

(2)当推进功率小于发电机输出功率时，发电机提供推进功率并将剩余功率向动力电池充电。

基于渡船经过一个单航次航行后动力电池存储的能量基本维持不变的约束条件，根据单航次推进瞬时功率曲线和动力系统各设备效率，计算发电机输出的恒定功率。

根据单航次推进瞬时功率曲线和发电机输出的恒定功率，计算动力电池组瞬时功率曲线及其瞬时能量曲线，获得动力电池组需存储的有效能量值。

本发明的技术方案如下：

一种串联型混合动力系统动力电池组存储能量与电池模块数量计算方法，其特征在于包括以下步骤：

一、计算混合动力系统多个功率流路径的效率：

(1)发电机向推进电机供电时的动力系统效率η_str：

η_str＝η_rect·η_inv·η_mot(1)

式中，η_rect是AC/DC整流器效率；η_inv是DC/AC逆变器效率；η_mot是推进电机效率，

(2)动力电池向推进电机供电时的动力系统效率η_dis：

η_dis＝η_b,dis·η_dcdc·η_inv·η_mot(2)

式中，η_b,dis是电池放电效率；η_dcdc是DC/DC变换器效率，

(3)发电机向动力电池充电时的动力系统效率η_ch：

η_ch＝η_rect·η_dcdc·η_b,ch(3)

式中，η_b,ch是电池充电效率；

二、计算发电机输出的恒定功率：

动力电池组的工作状态不是充电就是放电两种，其瞬时功率p_Batt(t)为：

$p_{Batt}\left(t\right)=\frac{p_{Batt}^{+}\left(t\right)}{{\mathrm{\η}}_{dis}}+p_{Batt}^{-}\left(t\right)\·{\mathrm{\η}}_{ch}---\left(4\right)$

式中，p⁺ _Batt(t)是推进器获得的电池放电功率，正值；p^- _Batt(t)是发电机输出的充电功率，负值；

在渡船运行期间，包括航行与靠泊上下客，柴油发电机始终恒速运行输出恒定功率；当推进功率大于发电机输出功率时，动力电池处于放电状态与发电机同时提供推进功率；当推进功率小于发电机输出功率时，发电机提供推进功率并将剩余功率向动力电池充电；动力系统功率平衡式为：

$\frac{p_{Batt}^{+}\left(t\right)}{{\mathrm{\η}}_{dis}}+p_{Batt}^{-}\left(t\right)\·{\mathrm{\η}}_{ch}=p_{pro}\left(t\right)-P_{Gen}\·{\mathrm{\η}}_{str}---\left(5\right)$

其中，P_pro(t)是单航次瞬时推进功率；

渡船经过一个单航次后，动力电池中的能量应与航行前相同，即：

${\∫}_0^T(\frac{p_{Batt}^{+}\left(t\right)}{{\mathrm{\η}}_{dis}}+p_{Batt}^{-}(t)\·{\mathrm{\η}}_{ch})dt=0---\left(6\right)$

将p⁺ _Batt(t)和p^- _Batt(t)作如下变换：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{Batt}^{+}\left(t\right)=\frac{\left|p_{Batt}\left(t\right)\right|+p_{Batt}\left(t\right)}{2}\\ p_{Batt}^{-}\left(t\right)=\frac{\left|p_{Batt}\left(t\right)\right|-p_{Batt}\left(t\right)}{2}\end{array}\right.---\left(7\right)$

根据(4)和(5)，可得：

p_Batt(t)＝p_pro(t)-P_Gen·η_str(8)

将(8)与(7)代入(6)，可得：

$\begin{array}{c}(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{dis}}+{\mathrm{\η}}_{ch}){\∫}_0^T\left|p_{pro}\right(t)-P_{Gen}\·{\mathrm{\η}}_{str}|dt\\ +(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{dis}}-{\mathrm{\η}}_{ch}){\∫}_0^T{p}_{pro}\left(t\right)dt-(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{dis}}-{\mathrm{\η}}_{ch})P_{Gen}\·{\mathrm{\η}}_{str}\·T=0\end{array}---\left(9\right)$

根据单航次推进瞬时功率和系统效率，求出发电机输出功率P_Gen。

三、计算动力电池组瞬时功率和标称存储能量

求得发电机输出功率P_Gen后，由(8)得到动力电池组单航次瞬时功率p_Batt(t)；对(8)作积分运算，获得单航次中动力电池组瞬时能量E_Batt(t)；

根据动力电池组瞬时能量E_Batt(t)曲线，得到动力电池组能量单航次变化量△E_Batt；考虑动力电池的允许放电深度DoD，得到动力电池组标称存储能量E_Batt：

$E_{Batt}=\frac{{\mathrm{\ΔE}}_{Batt}}{DoD}---\left(10\right)$

四、计算动力电池组并联支路数与模块数量

(1)按动力电池放电工况计算

假设电池模块的放电平均电压为V_m,dis，电池模块允许的放电电流为I_m,dis，单航次放电时间为t_dis，则电池模块在单航次内放电释放的能量为：

$E_{Batt,dis}^1=V_{m,dis}\·I_{m,dis}\·t_{dis}---\left(13\right)$

根据单航次放电能量，可得到电池模块数：

$n_{Batt,dis}^{\′}=\frac{E_{Batt}}{E_{Batt,dis}^1}---\left(14\right)$

串联模块放电期间总电压V^s _dis应不低于DC/DC变换器输入端最低允许电压V_min,dcdc；因此，根据DC/DC电压要求，计算支路模块串联数为：

$n_{Batt,dis}^{\′\′}=\frac{V_{dis}^S}{V_{m,dis}}\≥\frac{V_{min,dcdc}}{V_{m,dis}}---\left(15\right)$

由放电工况得到并联支路数为：

$B_{Batt,dis}=ceiling\left(\frac{max(n_{Batt,dis}^{\′},n_{Batt,dis}^{\′\′})}{n_{Batt,dis}^{\′\′}}\right)---\left(16\right)$

由放电工况得到总模块数为：

n_Batt,dis＝B_Batt,dis·n"_Batt,dis(17)

(2)按动力电池充电工况计算

假设电池模块的充电平均电压为V_m,ch，电池模块允许的充电电流为I_m,ch，单航次充电时间为t_ch，则电池模块在单航次内充电获得的能量为：

$E_{Batt,ch}^1=V_{m,ch}\·I_{m,ch}\·t_{ch}---\left(18\right)$

根据单航次充电能量，可得到电池模块数：

$n_{Batt,ch}^{\′}=\frac{E_{Batt}}{E_{Batt,ch}^1}---\left(19\right)$

串联模块充电期间总电压V^s _ch应不低于DC/DC变换器输入端最低允许电压V_min,dcdc；因此，根据DC/DC电压要求，计算支路模块串联数为：

$n_{Batt,ch}^{\′\′}=\frac{V_{ch}^S}{V_{m,ch}}\≥\frac{V_{min,dcdc}}{V_{m,ch}}---\left(20\right)$

由充电工况得到并联支路数为：

$B_{Batt,ch}=ceiling\left(\frac{max(n_{Batt,ch}^{\′},n_{Batt,ch}^{\′\′})}{n_{Batt,ch}^{\′\′}}\right)---\left(21\right)$

由充电工况得到总模块数为：

n_Batt,ch＝B_Batt,ch·n"_Batt,ch(22)

五、计算动力电池组总并联支路数与模块数量

动力电池组既要满足放电工况，又要满足充电工况，因此，最终的动力电池组总并联支路数为：

B_Batt＝max(B_Batt,dis,B_Batt,ch)(23)

最终的动力电池组总电池模块数为：

n_Batt＝max(n_Batt,dis,n_Batt,ch)(24)

附图说明

图1是本发明的内河渡船混合动力系统结构图；

图2是本发明的推进瞬时功率曲线；

图3是本发明的动力电池组瞬时功率曲线；

图4是本发明的动力电池组瞬时能量曲线；

具体实施方式

如图1所示，本发明内河渡船混合动力系统结构包括动力系统控制器、柴油发电机、AC/DC变流器、动力电池组、DC/DC变流器、直流母排、DC/AC变流器、推进电动机。

本发明的目的在于提供一种内河渡船混合动力系统动力电池组参数设计方法，包括以下步骤：

1计算混合动力系统各功率流路径的效率

(1)发电机向推进电机供电时的动力系统效率η_str：

η_str＝η_rect·η_inv·η_mot(1)

式中，η_rect是AC/DC整流器效率；η_inv是DC/AC逆变器效率；η_mot是推进电机效率。

(2)动力电池向推进电机供电时的动力系统效率η_dis：

η_dis＝η_b,dis·η_dcdc·η_inv·η_mot(2)

式中，η_b,dis是电池放电效率；η_dcdc是DC/DC变换器效率。

(3)发电机向动力电池充电时的动力系统效率η_ch：

η_ch＝η_rect·η_dcdc·η_b,ch(3)

式中，η_b,ch是电池充电效率。

2计算发电机输出的恒定功率

动力电池组的工作状态不是充电就是放电两种，其瞬时功率p_Batt(t)为：

$p_{Batt}\left(t\right)=\frac{p_{Batt}^{+}\left(t\right)}{{\mathrm{\η}}_{dis}}+p_{Batt}^{-}\left(t\right)\·{\mathrm{\η}}_{ch}---\left(4\right)$

式中，p⁺ _Batt(t)是推进器获得的电池放电功率，正值；p^- _Batt(t)是发电机输出的充电功率，负值。

在渡船运行期间，包括航行与靠泊上下客，柴油发电机始终恒速运行输出恒定功率。当推进功率大于发电机输出功率时，动力电池处于放电状态与发电机同时提供推进功率；当推进功率小于发电机输出功率时，发电机提供推进功率并将剩余功率向动力电池充电。因此，动力系统功率平衡式为：

$\frac{p_{Batt}^{+}\left(t\right)}{{\mathrm{\η}}_{dis}}+p_{Batt}^{-}\left(t\right)\·{\mathrm{\η}}_{ch}=p_{pro}\left(t\right)-P_{Gen}\·{\mathrm{\η}}_{str}---\left(5\right)$

渡船经过一个单航次后，动力电池中的能量应与航行前相同，即：

${\∫}_0^T(\frac{p_{Batt}^{+}\left(t\right)}{{\mathrm{\η}}_{dis}}+p_{Batt}^{-}(t)\·{\mathrm{\η}}_{ch})dt=0---\left(6\right)$

将p⁺ _Batt(t)和p^- _Batt(t)作如下变换：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{Batt}^{+}\left(t\right)=\frac{\left|p_{Batt}\left(t\right)\right|+p_{Batt}\left(t\right)}{2}\\ p_{Batt}^{-}\left(t\right)=\frac{\left|p_{Batt}\left(t\right)\right|-p_{Batt}\left(t\right)}{2}\end{array}\right.---\left(7\right)$

根据(4)和(5)，可得：

p_Batt(t)＝p_pro(t)-P_Gen·η_str(8)

将(8)与(7)代入(6)，可得：

$\begin{array}{c}(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{dis}}+{\mathrm{\η}}_{ch}){\∫}_0^T\left|p_{pro}\right(t)-P_{Gen}\·{\mathrm{\η}}_{str}|dt\\ +(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{dis}}-{\mathrm{\η}}_{ch}){\∫}_0^T{p}_{pro}\left(t\right)dt-(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{dis}}-{\mathrm{\η}}_{ch})P_{Gen}\·{\mathrm{\η}}_{str}\·T=0\end{array}---\left(9\right)$

因此，根据单航次推进瞬时功率和系统效率，可求出发电机输出功率P_Gen。

图2是本发明的推进瞬时功率曲线。在单航次时间内，实时采集同类柴电动力船舶的推进变频器功率信号，检测获得推进瞬时功率p_pro(t)。t₀时刻渡船起航，推进功率与螺旋桨转速近似于立方关系；t₁时刻渡船航行至对岸靠泊，上下乘客，螺旋桨处于怠速，推进功率近似为零；t₂时刻渡船上下乘客结束，开始新的航次；渡船单航次时间为T。

3计算动力电池组瞬时功率和标称存储能量

求得发电机输出功率P_Gen后，由(8)得到动力电池组单航次瞬时功率p_Batt(t)，如图3所示。图3是本发明的动力电池组瞬时功率曲线，p_Batt(t)＝p_pro(t)-P_Gen·η_str，是推进瞬时功率与发电机所提供的平均有效推进功率之差。发电机输出功率PGen为恒定值，因此动力电池组瞬时功率曲线的形状与推进瞬时功率曲线相同，正值表示电池放电，负值表示电池充电。

对(8)作积分运算，获得单航次中动力电池组瞬时能量E_Batt(t)，如图4所示。图4是本发明的动力电池组瞬时能量曲线，对动力电池组单航次瞬时功率p_Batt(t)作积分获得，放电期间电池能量减小，充电期间电池能量增加。能量变化的最大值与最小值之差△E_Batt为动力电池组单航次能量变化量，即动力电池的有效存储能量。

根据动力电池组瞬时能量E_Batt(t)曲线，得到动力电池组能量单航次变化量△E_Batt。考虑动力电池的允许放电深度DoD，得到动力电池组标称存储能量E_Batt：

$E_{Batt}=\frac{{\mathrm{\ΔE}}_{Batt}}{DoD}---\left(10\right)$

4计算动力电池组并联支路数与模块数量

(1)按动力电池放电工况计算

假设电池模块的放电平均电压为V_m,dis，电池模块允许的放电电流为I_m,dis，单航次放电时间为t_dis，则电池模块在单航次内放电释放的能量为：

$E_{Batt,dis}^1=V_{m,dis}\·I_{m,dis}\·t_{dis}---\left(13\right)$

根据单航次放电能量，可得到电池模块数：

$n_{Batt,dis}^{\′}=\frac{E_{Batt}}{E_{Batt,dis}^1}---\left(14\right)$

串联模块放电期间总电压V^s _dis应不低于DC/DC变换器输入端最低允许电压V_min,dcdc。因此，根据DC/DC电压要求，计算支路模块串联数为：

$n_{Batt,dis}^{\′\′}=\frac{V_{dis}^S}{V_{m,dis}}\≥\frac{V_{min,dcdc}}{V_{m,dis}}---\left(15\right)$

由放电工况得到并联支路数为：

$B_{Batt,dis}=ceiling\left(\frac{max(n_{Batt,dis}^{\′},n_{Batt,dis}^{\′\′})}{n_{Batt,dis}^{\′\′}}\right)---\left(16\right)$

由放电工况得到总模块数为：

n_Batt,dis＝B_Batt,dis·n"_Batt,dis(17)

(2)按动力电池充电工况计算

假设电池模块的充电平均电压为V_m,ch，电池模块允许的充电电流为I_m,ch，单航次充电时间为t_ch，则电池模块在单航次内充电获得的能量为：

$E_{Batt,ch}^1=V_{m,ch}\·I_{m,ch}\·t_{ch}---\left(18\right)$

根据单航次充电能量，可得到电池模块数：

$n_{Batt,ch}^{\′}=\frac{E_{Batt}}{E_{Batt,ch}^1}---\left(19\right)$

串联模块充电期间总电压V^s _ch应不低于DC/DC变换器输入端最低允许电压V_min,dcdc。因此，根据DC/DC电压要求，计算支路模块串联数为：

$n_{Batt,ch}^{\′\′}=\frac{V_{ch}^S}{V_{m,ch}}\≥\frac{V_{min,dcdc}}{V_{m,ch}}---\left(20\right)$

由充电工况得到并联支路数为：

$B_{Batt,ch}=ceiling\left(\frac{max(n_{Batt,ch}^{\′},n_{Batt,ch}^{\′\′})}{n_{Batt,ch}^{\′\′}}\right)---\left(21\right)$

由充电工况得到总模块数为：

n_Batt,ch＝B_Batt,ch·n"_Batt,ch(22)

5计算动力电池组总并联支路数与模块数量

动力电池组既要满足放电工况，又要满足充电工况，因此，最终的动力电池组总并联支路数为：

B_Batt＝max(B_Batt,dis,B_Batt,ch)(23)

最终的动力电池组总电池模块数为：

n_Batt＝max(n_Batt,dis,n_Batt,ch)(24)

Claims (1)

1.一种串联型混合动力系统动力电池组存储能量与电池模块数量计算方法，其特征在于包括以下步骤：

一、计算混合动力系统多个功率流路径的效率：

(1)发电机向推进电机供电时的动力系统效率η_str：

η_str＝η_rect·η_inv·η_mot(1)

式中，η_rect是AC/DC整流器效率；η_inv是DC/AC逆变器效率；η_mot是推进电机效率，

(2)动力电池向推进电机供电时的动力系统效率η_dis：

η_dis＝η_b,dis·η_dcdc·η_inv·η_mot(2)

式中，η_b,dis是电池放电效率；η_dcdc是DC/DC变换器效率，

(3)发电机向动力电池充电时的动力系统效率η_ch：

η_ch＝η_rect·η_dcdc·η_b,ch(3)

式中，η_b,ch是电池充电效率；

二、计算发电机输出的恒定功率：

动力电池组的工作状态不是充电就是放电两种，其瞬时功率p_Batt(t)为：

式中，p⁺ _Batt(t)是推进器获得的电池放电功率，正值；p^- _Batt(t)是发电机输出的充电功率，负值；

在渡船运行期间，包括航行与靠泊上下客，柴油发电机始终恒速运行输出恒定功率；当推进功率大于发电机输出功率时，动力电池处于放电状态与发电机同时提供推进功率；当推进功率小于发电机输出功率时，发电机提供推进功率并将剩余功率向动力电池充电；动力系统功率平衡式为：

其中，P_pro(t)是单航次瞬时推进功率；

渡船经过一个单航次后，动力电池中的能量应与航行前相同，即：

将p⁺ _Batt(t)和p^- _Batt(t)作如下变换：

根据(4)和(5)，可得：

p_Batt(t)＝p_pro(t)-P_Gen·η_str(8)

将(8)与(7)代入(6)，可得：

根据单航次推进瞬时功率和系统效率，求出发电机输出功率P_Gen。

三、计算动力电池组瞬时功率和标称存储能量

求得发电机输出功率P_Gen后，由(8)得到动力电池组单航次瞬时功率p_Batt(t)；对(8)作积分运算，获得单航次中动力电池组瞬时能量E_Batt(t)；

根据动力电池组瞬时能量E_Batt(t)曲线，得到动力电池组能量单航次变化量△E_Batt；考虑动力电池的允许放电深度DoD，得到动力电池组标称存储能量E_Batt：

四、计算动力电池组并联支路数与模块数量

(1)按动力电池放电工况计算

假设电池模块的放电平均电压为V_m,dis，电池模块允许的放电电流为I_m,dis，单航次放电时间为t_dis，则电池模块在单航次内放电释放的能量为：

根据单航次放电能量，可得到电池模块数：

串联模块放电期间总电压V^s _dis应不低于DC/DC变换器输入端最低允许电压V_min,dcdc；因此，根据DC/DC电压要求，计算支路模块串联数为：

由放电工况得到并联支路数为：

由放电工况得到总模块数为：

n_Batt,dis＝B_Batt,dis·n"_Batt,dis(17)

(2)按动力电池充电工况计算

假设电池模块的充电平均电压为V_m,ch，电池模块允许的充电电流为I_m,ch，单航次充电时间为t_ch，则电池模块在单航次内充电获得的能量为：

根据单航次充电能量，可得到电池模块数：

串联模块充电期间总电压V^s _ch应不低于DC/DC变换器输入端最低允许电压V_min,dcdc；因此，根据DC/DC电压要求，计算支路模块串联数为：

由充电工况得到并联支路数为：

由充电工况得到总模块数为：

n_Batt,ch＝B_Batt,ch·n"_Batt,ch(22)

五、计算动力电池组总并联支路数与模块数量

动力电池组既要满足放电工况，又要满足充电工况，因此，最终的动力电池组总并联支路数为：

B_Batt＝max(B_Batt,dis,B_Batt,ch)(23)

最终的动力电池组总电池模块数为：

n_Batt＝max(n_Batt,dis,n_Batt,ch)(24)。