CN113428335B - 一种改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统及其控制方法 - Google Patents

一种改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种改进的船用燃料电池顶推船‑驳船混合动力系统及其控制方法，顶推船系统包括超级电容、第一DC/DC、燃料电池系统、第二DC/DC、第一逆变器、电机、推进器、第二逆变器、第一生活负载和整船能量管理与控制系统；驳船系统包括锂电池、第三逆变器、第二生活负载。系统采用燃料电池、超级电容和锂电池方案，可以满足单独驳船工作时的能量需求；单独顶推船工作时，超级电容和燃料电池系统配合工作，能够更好地满足推进系统变化的功率需求；顶推船和驳船连接在一起工作时，燃料电池、超级电容和锂电池互相配合，能够更好地满足功率和能量需求，能够减少锂电池的使用，降低对燃料电池系统的性能要求，大幅度降低了整个系统的成本。

Description

一种改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统及其控 制方法
技术领域
本发明涉及清洁可再生能源在船舶电力推进中应用的领域，尤其是涉及一种改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统及其控制方法。
背景技术
由于氢燃料动力系统存在安全隐患，将氢燃料动力系统安装在顶推船，乘客和货物在驳船，实现氢燃料动力系统与货物、乘客分离，能够提升其安全性。单独的燃料电池系统作为船舶动力系统，存在启动较慢、功率输出不稳定、寿命低等问题，单独的锂电池作为船舶动力系统，存在续航里程短，质量重等问题，因此将锂离子电池和燃料电池组合成的混合动力电池系统可以同时满足环保、节能以及可持续发展的要求，广泛用于新能源船舶领域。若在顶推船和驳船上均配置锂电池，则存在能源浪费，成本较高的问题；若只在顶推船上配置锂电池，则驳船上没有能源；若只在驳船上配置锂电池，则顶推船上的燃料电池功率需求频繁变化，响应慢，对燃料电池系统寿命影响较大。因此将燃料电池系统和超级电容布置在顶推船上，锂电池布置在驳船上，在顶推船和驳船没有连接的时候，顶推船和驳船都有能量供应，保证各自的能量需要，顶推船还能通过超级电容进行快速功率调节；当顶推船和驳船连接的时候，燃料电池、锂电池和超级电容相互配合，则可以采用增程式、混合式等多种模式运行，保证动力性，提升节能效果。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，而提供一种改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统及其控制方法，本系统中采用一个锂电池方案，布置在驳船上，既能满足驳船的生活负载没有外接电源设备条件下的能量需求，又能为顶推船氢燃料系统调节功率需求，降低对燃料电池系统的性能要求，同时采用外接充电设备和外接电源设备为整个系统供电，大幅度降低了整个系统的成本。
实现本发明目的技术方案是：
一种改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，所述混合动力系统包括顶推船部分和驳船部分；
所述顶推船部分包括超级电容、第一DC/DC、燃料电池系统、第二DC/DC、第一逆变器、电机、推进器、第二逆变器、第一生活负载和整船能量管理与控制系统；
顶推船上的燃料电池系统产生的电能经过第二DC/DC电压转变后接入顶推船上的直流母线；
顶推船上的第一DC/DC、第一逆变器和第二逆变器分别与顶推船上的直流母线连接；
第一DC/DC与超级电容连接；
第一逆变器依次连接电机和推进器；
第二逆变器与第一生活负载连接；
顶推船上的直流母线通过第一DC/DC给超级电容充放电；
顶推船上的直流母线通过第一逆变器给电机供能，进而带动推进器；
顶推船上的直流母线通过第二逆变器为第一生活负载供电；
所述驳船部分包括锂电池、第三逆变器、第二生活负载；
驳船上锂电池和第三逆变器分别与驳船上的直流母线连接，第三逆变器与第二生活负载连接；
驳船上的直流母线给锂电池充放电；
驳船上的直流母线通过第三逆变器为第二生活负载供电；
顶推船上的直流母线通过第一快速插头与驳船上的直流母线连接，第二逆变器变换后的电能通过第二快速插头为驳船上的第二生活负载供电；快速插头布置在顶推船或者驳船上；
所述燃料电池系统、第一DC/DC、第二DC/DC、锂电池、第一逆变器、第二逆变器、第三逆变器分别与整船能量管理与控制系统连接；整船能量管理与控制系统采集信息，并控制与其连接的各系统，根据各个系统所处状态，及时调整工作模式，达到节能减排的目的。
所述电机与推进器为一组单推进系统，或者为二组双推进器系统。
所述顶推船上的第一生活负载和驳船上的第二生活负载通过外接电源设备供电；
所述驳船上的锂电池通过外接充电设备进行充电。
所述燃料电池系统包括质子交换膜燃料电池、空气供应系统、氢气供应系统、氮气吹扫系统、冷却水系统、氢气瓶及控制系统，可以是一组或者多组燃料电池系统。
所述锂电池是磷酸铁锂电池或者其他类型的锂电池，包括电池管理系统，为一组或者多组锂电池系统。
所述生活负载是指冰箱、空调、照明等设备。
本发明改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，其工作模式主要包括：纯电锂电池模式、纯燃料电池模式、增程式模式、混合动力模式、单独驳船纯锂电池模式、单独驳船外接能源模式、单独顶推船纯燃料电池模式、单独顶推船外接能源模式。
所述纯电锂电池模式：第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，燃料电池系统关闭，锂电池为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电。
所述纯燃料电池模式：第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，燃料电池系统开启，锂电池关闭，燃料电池系统为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电。
所述增程式模式：第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，燃料电池系统开启，燃料电池系统为锂电池充电，燃料电池系统为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电。
所述混合动力模式：第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，燃料电池系统开启，燃料电池系统和锂电池共同为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电。
所述单独驳船纯锂电池模式：第一快速插头和第二快速插头处于断开状态，锂电池通过第三逆变器为第二生活负载供电。
所述单独驳船外接能源模式：第一快速插头和第二快速插头处于断开状态，外接电源设备为驳船第二生活负载供电，外接充电设备为锂电池充电直到SOC达到顶限。
所述单独顶推船纯燃料电池模式：第一快速插头和第二快速插头处于断开状态，燃料电池系统为推进器和第一生活负载供电。
所述单独顶推船外接能源模式：第一快速插头和第二快速插头处于断开状态，外接电源设备为顶推船第一生活负载供电。
所述工作模式中，超级电容在整个模式中用于快速调节功率需求变化，当需求功率快速上升时，优先通过超级电容进行放电，当功率需求下降时，优先通过超级电容进行充电。
本发明改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统的控制方法为：
第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，当锂电池SOC大于下限，且推进器、第一生活负载和第二生活负载功率之和小于锂电池最大功率时，采用纯电锂电池模式，此时第三逆变器关闭，第一生活负载和第二生活负载均通过第二逆变器供电；
第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，当锂电池SOC大于下限，且推进器、第一生活负载和第二生活负载功率之和大于锂电池最大功率，且处于燃料电池系统最佳功率区间时，采用纯燃料电池模式，此时第三逆变器关闭，第一生活负载和第二生活负载均通过第二逆变器供电；
第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，当锂电池SOC大于下限，且推进器、第一生活负载和第二生活负载功率之和大于锂电池最大功率，且大于燃料电池系统最佳功率区间，则采用混合动力模式，此时第三逆变器关闭，第一生活负载和第二生活负载均通过第二逆变器供电；
第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，当锂电池SOC小于下限，则采用增程式模式，在功率分配方面，优先考虑顺序为推进器、第二生活负载、第一生活负载、锂电池充电；
在第一快速插头和第二快速插头断开前，若锂电池SOC小于下限，则采用增程式模式，直到锂电池SOC超过上限；
第一快速插头和第二快速插头处于断开状态，当没有外接电源和充电设备时，则采用驳船纯锂电池模式、单独顶推船纯燃料电池模式；
第一快速插头和第二快速插头处于断开状态，当有外接电源和充电设备时，则采用单独驳船外接能源模式、单独顶推船纯燃料电池模式；
在工作模式发生切换时，通过超级电容快速调节功率需求，当需求功率快速上升时，优先通过超级电容进行放电，当功率需求下降时，优先通过超级电容进行充电。
控制方法中，所述SOC的下限为40%，SOC的底线为20%，SOC的上限为80%，SOC的顶限为95%。
本发明的有益效果
（1）将燃料电池系统安装在顶推船，与乘客或者货物所在的驳船分开，既能提升安全性，又能提高燃料电池系统顶推船的利用率；
（2）将燃料电池系统和超级电容布置在顶推船上，锂电池布置在驳船上，在顶推船和驳船没有连接的时候，顶推船和驳船都有能量供应，保证各自的能量需要，顶推船还能通过超级电容进行快速功率调节；当顶推船和驳船连接的时候，燃料电池、锂电池和超级电容相互配合，则可以采用增程式、混合动力等多种模式运行，优先通过超级电容进行功率调节，保证动力性的快速响应，降低对燃料电池和锂电池的要求，提升节能效果；
（3）在顶推船和驳船连接的时候，第二生活负载可以通过第二快速插头从顶推船获得能量，此时第三逆变器处于关闭状态，采用一个逆变器即可实现对顶推船和驳船生活负载功能，减少了能源浪费；当顶推船和驳船处于断开时，第二生活负载通过第三逆变器从锂电池获得能量，提升了其环境适应性。第二生活负载可以从不同路径获得能量来源，提升了其灵活性；
（4）通过外接充电设备对锂电池充电，通过外接电源设备对顶推船、驳船的生活负载供电，外部能量补充，减少氢燃料的消耗，降低了成本；
（5）本系统中整船能量管理与控制系统，考虑了动力系统和生活负载的能量需求，能够对整个能量系统进行管理，实现节能减排，降低了成本；
（6）本系统采用燃料电池系统、锂电池和超级电容配合，只采用一个锂电池，降低了锂电池成本；顶推船和驳船单独或者连接在一起运行时，均具有能量供应和功率调节功能，适应性强，降低了对燃料电池系统和锂电池的需求，降低了成本，提升了寿命。
附图说明
图1为本发明改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明内容作进一步的详细说明，但不是对本发明的限定。
参照图1，一种改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，包括顶推船部分和驳船部分；
顶推船部分包括超级电容、第一DC/DC、燃料电池系统、第二DC/DC、第一逆变器、电机、推进器、第二逆变器、第一生活负载和整船能量管理与控制系统；
顶推船上的燃料电池系统产生的电能经过第二DC/DC电压转变后接入顶推船上的直流母线；
顶推船上的第一DC/DC、第一逆变器和第二逆变器分别与顶推船上的直流母线连接；
第一DC/DC与超级电容连接；
第一逆变器依次连接电机和推进器；
第二逆变器与第一生活负载连接；
顶推船上的直流母线通过第一DC/DC给超级电容充放电；
顶推船上的直流母线通过第一逆变器给电机供能，进而带动推进器；
顶推船上的直流母线通过第二逆变器为第一生活负载供电；
驳船部分包括锂电池、第三逆变器、第二生活负载；
驳船上锂电池和第三逆变器分别与驳船上的直流母线连接，第三逆变器与第二生活负载连接；
驳船上的直流母线给锂电池充放电；
驳船上的直流母线通过第三逆变器为第二生活负载供电；
顶推船上的直流母线通过第一快速插头与驳船上的直流母线连接，第二逆变器变换后的电能通过第二快速插头为驳船上的第二生活负载供电；快速插头布置在顶推船或者驳船上；
燃料电池系统、第一DC/DC、第二DC/DC、锂电池、第一逆变器、第二逆变器、第三逆变器分别与整船能量管理与控制系统连接；整船能量管理与控制系统采集信息，并控制与其连接的各系统，根据各个系统所处状态，及时调整工作模式，达到节能减排的目的。
电机与推进器为一组单推进系统，或者为二组双推进器系统。
顶推船上的第一生活负载和驳船上的第二生活负载通过外接电源设备供电；
驳船上的锂电池通过外接充电设备进行充电。
燃料电池系统包括质子交换膜燃料电池、空气供应系统、氢气供应系统、氮气吹扫系统、冷却水系统、氢气瓶及控制系统，可以是一组或者多组燃料电池系统。
锂电池是磷酸铁锂电池或者其他类型的锂电池，包括电池管理系统，为一组或者多组锂电池系统。
生活负载是指冰箱、空调、照明等设备。
锂电池SOC的下限为40%，SOC的底线为20%，SOC的上限为80%，SOC的顶限为95%。
本发明混合动力系统的工作模式和控制方法，发明内容部分已详细说明，实施例不再赘述。本发明系统中采用一个锂电池方案，布置在驳船上，既能满足驳船的生活负载在没有外接电源设备条件下的能量需求，又能为顶推船燃料系统调节功率需求，降低对燃料电池系统的性能要求，同时采用外接充电设备和外接电源设备为整个系统供电，大幅度降低了整个系统的成本。

Claims (8)

1.一种改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，其特征在于：
所述混合动力系统包括顶推船部分和驳船部分；
所述顶推船部分包括超级电容、第一DC/DC、燃料电池系统、第二DC/DC、第一逆变器、电机、推进器、第二逆变器、第一生活负载和整船能量管理与控制系统；
顶推船上的燃料电池系统产生的电能经过第二DC/DC电压转变后接入顶推船上的直流母线；
顶推船上的第一DC/DC、第一逆变器和第二逆变器分别与顶推船上的直流母线连接；
第一DC/DC与超级电容连接；第一逆变器依次连接电机和推进器；
第二逆变器与第一生活负载连接；
顶推船上的直流母线通过第一DC/DC给超级电容充放电；
顶推船上的直流母线通过第一逆变器给电机供能，进而带动推进器；
顶推船上的直流母线通过第二逆变器为第一生活负载供电；
所述驳船部分包括锂电池、第三逆变器、第二生活负载；
驳船上锂电池和第三逆变器分别与驳船上的直流母线连接，第三逆变器与第二生活负载连接；
驳船上的直流母线给锂电池充放电；
驳船上的直流母线通过第三逆变器为第二生活负载供电；
顶推船上的直流母线通过第一快速插头与驳船上的直流母线连接，第二逆变器变换后的电能通过第二快速插头为驳船上的第二生活负载供电；快速插头布置在顶推船或者驳船上；
所述燃料电池系统、第一DC/DC、第二DC/DC、锂电池、第一逆变器、第二逆变器、第三逆变器分别与整船能量管理与控制系统连接；整船能量管理与控制系统采集信息，并控制与其连接的各系统，根据各个系统所处状态，及时调整工作模式。
2.根据权利要求1所述的改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，其特征在于：所述电机与推进器为一组单推进系统，或者为二组双推进器系统。
3.根据权利要求1所述的改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，其特征在于：所述顶推船上的第一生活负载和驳船上的第二生活负载通过外接电源设备供电；
所述驳船上的锂电池通过外接充电设备进行充电。
4.根据权利要求1所述的改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，其特征在于：所述燃料电池系统包括质子交换膜燃料电池、空气供应系统、氢气供应系统、氮气吹扫系统、冷却水系统、氢气瓶及控制系统，是一组或者多组燃料电池系统。
5.根据权利要求1所述的改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，其特征在于：所述锂电池包括电池管理系统，为一组或者多组锂电池系统。
6.根据权利要求1-5任一项所述的改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，其特征在于：
所述混合动力系统的工作模式包括：纯电锂电池模式、纯燃料电池模式、增程式模式、混合动力模式、单独驳船纯锂电池模式、单独驳船外接能源模式、单独顶推船纯燃料电池模式、单独顶推船外接能源模式；
所述纯电锂电池模式：第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，燃料电池系统关闭，锂电池为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电；
所述纯燃料电池模式：第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，燃料电池系统开启，锂电池关闭，燃料电池系统为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电；
所述增程式模式：第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，燃料电池系统开启，燃料电池系统为锂电池充电，燃料电池系统为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电；
所述混合动力模式：第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，燃料电池系统开启，燃料电池系统和锂电池共同为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电；
所述单独驳船纯锂电池模式：第一快速插头和第二快速插头处于断开状态，锂电池通过第三逆变器为第二生活负载供电；
所述单独驳船外接能源模式：第一快速插头和第二快速插头处于断开状态，外接电源设备为驳船第二生活负载供电，外接充电设备为锂电池充电直到SOC达到顶限；
所述单独顶推船纯燃料电池模式：第一快速插头和第二快速插头处于断开状态，燃料电池系统为推进器和第一生活负载供电；
所述单独顶推船外接能源模式：第一快速插头和第二快速插头处于断开状态，外接电源设备为顶推船第一生活负载供电；
所述工作模式中，超级电容在整个模式中用于快速调节功率需求变化，当需求功率快速上升时，优先通过超级电容进行放电，当功率需求下降时，优先通过超级电容进行充电。
7.根据权利要求1-5任一项所述的改进的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法为：
第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，当锂电池SOC大于下限，且推进器、第一生活负载和第二生活负载功率之和小于锂电池最大功率时，采用纯电锂电池模式，此时第三逆变器关闭，第一生活负载和第二生活负载均通过第二逆变器供电；
第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，当锂电池SOC大于下限，且推进器、第一生活负载和第二生活负载功率之和大于锂电池最大功率，且处于燃料电池系统最佳功率区间时，采用纯燃料电池模式，此时第三逆变器关闭，第一生活负载和第二生活负载均通过第二逆变器供电；
第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，当锂电池SOC大于下限，且推进器、第一生活负载和第二生活负载功率之和大于锂电池最大功率，且大于燃料电池系统最佳功率区间，则采用混合动力模式，此时第三逆变器关闭，第一生活负载和第二生活负载均通过第二逆变器供电；
第一快速插头和第二快速插头处于连接状态，当锂电池SOC小于下限，则采用增程式模式，在功率分配方面，优先考虑顺序为推进器、第二生活负载、第一生活负载、锂电池充电；
在第一快速插头和第二快速插头断开前，若锂电池SOC小于下限，则采用增程式模式，直到锂电池SOC超过上限；
第一快速插头和第二快速插头处于断开状态，当没有外接电源和充电设备时，则采用驳船纯锂电池模式、单独顶推船纯燃料电池模式；
第一快速插头和第二快速插头处于断开状态，当有外接电源和充电设备时，则采用单独驳船外接能源模式、单独顶推船纯燃料电池模式；
在工作模式发生切换时，通过超级电容快速调节功率需求，当需求功率快速上升时，优先通过超级电容进行放电，当功率需求下降时，优先通过超级电容进行充电。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述SOC的下限为40%，SOC的底线为20%，SOC的上限为80%，SOC的顶限为95%。
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