CN114671001A - 一种船舶燃料电池功率管理方法及管理系统 - Google Patents

一种船舶燃料电池功率管理方法及管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种船舶燃料电池功率管理方法及管理系统，方法包括S1、若连接岸电电源、则判定为充电模式并执行S5；否则判定为航行模式并执行S2；S2、分析蓄电池单元的电量和船舶用电负荷；当蓄电池单元的电量处于高电量时执行S5；处于中电量时执行S3；处于低电量时执行S4；S3、船舶用电负荷处于N档负荷区间时，将燃料电池的输出功率控制在相同档次的N档功率区间内；其中N为≥三的自然数；S4、船舶用电负荷处于N档负荷区间内时，将燃料电池的输出功率控制在高一档次的N+1档功率区间内；S5、燃料电池停止运行。系统用于方法的实施。本发明可有效减少燃料电池起停和功率变化次数，降低损耗，提高发电效率。

Description

一种船舶燃料电池功率管理方法及管理系统
技术领域
本发明属于船舶技术领域，尤其涉及一种船舶燃料电池功率管理方法及管理系统。
背景技术
目前，在船舶领域，提出了一种混合动力系统，该混合动力系统包括氢燃料电池和锂电池单元；氢燃料电池是基于氢气和氧气在电解质中的扩散反应产生电能，其动态响应速度与其扩散速度有关；若频繁起停、功率频繁变动则会增加损耗、影响其使用寿命和性能。
鉴于此，亟需设计一种船舶燃料电池功率管理方法及管理系统，可有效减少燃料电池起停和功率变化次数，降低损耗，提高发电效率。
发明内容
旨在克服上述现有技术中存在的不足，本发明解决的技术问题是，提供了一种船舶燃料电池功率管理方法及管理系统；可有效减少燃料电池起停和功率变化次数，降低损耗，提高发电效率。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种船舶燃料电池功率管理方法，包括：
S1、对船舶的当前模式进行分析判定，若船舶连接岸电电源、则判定处于充电模式时，执行步骤S5；若船舶未连接岸电电源、则判定处于航行模式时，执行步骤S2；
S2、分析当前工况下的蓄电池单元的电量和船舶用电负荷；当所述蓄电池单元的电量处于高电量时，执行步骤S5；当所述蓄电池单元的电量处于中电量时，执行步骤S3；当所述蓄电池单元的电量处于低电量时，执行步骤S4；
S3、所述船舶用电负荷处于N档负荷区间内时，将燃料电池的输出功率控制在和所述N档负荷区间相同档次的N档功率区间内；其中N为大于等于三的自然数；
S4、所述船舶用电负荷处于N档负荷区间内时，将燃料电池的输出功率控制在比所述N档负荷区间高一档次的N+1档功率区间内；
S5、燃料电池停止运行，处于待机无功率输出状态。
进一步；N等于三；一档负荷区间为低档负荷区间，二档负荷区间为中档负荷区间，三档负荷区间为高档负荷区间；
一档功率区间为低档功率区间，二档功率区间为中档功率区间，三档功率区间为高档功率区间，四档功率区间为额定功率。
进一步；所述低档负荷区间内的所述船舶用电负荷小于总负荷的B1％；所述中档负荷区间内的所述船舶用电负荷大于等于总负荷的B1％且小于等于总负荷的A1％；所述高档负荷区间内的所述船舶用电负荷大于总负荷的A1％；其中0＜B1％＜A1％＜1。
进一步；所述低档功率区间内的所述燃料电池的输出功率大于最低运行功率且小于额定功率的B2％；所述中档功率区间内的所述燃料电池的输出功率大于等于额定功率的B2％且小于等于额定功率的A2％；所述高档功率区间内的所述燃料电池的输出功率大于额定功率的A2％；其中，(最低运行功率/额定功率)＜B2％＜A2％＜1。
进一步；步骤S4还包括：所述燃料电池的输出功率部分用于给所述蓄电池单元充电，当所述蓄电池单元的电量处于中电量时，停止充电，并返回执行步骤S3。
进一步；当所述蓄电池单元的电量等于中电量的最大极限值时，停止充电，返回执行步骤S3。
进一步；所述高电量是指所述蓄电池单元的当前电量大于总电量的a％；所述中电量是指所述蓄电池单元的当前电量大于等于总电量的b％且小于等于总电量的a％；所述低电量是指所述蓄电池单元的当前电量小于总电量的b％；其中0＜b％＜a％＜100％。
进一步；所述蓄电池单元为锂电池组；所述燃料电池为氢燃料电池。
本发明实施例还提供了一种船舶燃料电池功率管理系统，包括蓄电池单元、燃料电池；还包括船舶模式判定单元、蓄电池单元电量分析单元、船舶用电负荷分析单元以及燃料电池输出功率控制单元；
所述船舶模式判定单元用于对船舶的当前模式进行判定，若船舶连接岸电电源则判定处于充电模式；若船舶未连接岸电电源则判定处于航行模式；
所述蓄电池单元电量分析单元用于分析当前工况下所述蓄电池单元的电量是处于高电量、中电量还是低电量；
所述船舶用电负荷分析单元用于分析当前工况下船舶用电负荷处于N档负荷区间中的哪一档；其中N为大于等于三的自然数；
燃料电池输出功率控制单元用于在船舶处于充电模式或所述蓄电池单元的电量处于高电量时，控制所述燃料电池停止运行；还用于在所述蓄电池单元的电量处于中电量时，将所述燃料电池的输出功率控制在和所述N档负荷区间相同档次的N档功率区间内；还用于在所述蓄电池单元的电量处于低电量时，将所述燃料电池的输出功率控制在比所述N档负荷区间高一档次的N+1档功率区间内。
进一步；N等于三；一档负荷区间为低档负荷区间，二档负荷区间为中档负荷区间，三档负荷区间为高档负荷区间；
一档功率区间为低档功率区间，二档功率区间为中档功率区间，三档功率区间为高档功率区间，四档功率区间为额定功率。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果如下：
本发明中船舶燃料电池功率管理方法，包括：S1、若船舶连接岸电电源、则判定处于充电模式时，执行S5；否则判定处于航行模式时，执行S2；S2、分析当前工况下的蓄电池单元的电量和船舶用电负荷；当蓄电池单元的电量处于高电量时执行S5；处于中电量时执行S3；处于低电量时执行S4；S3、船舶用电负荷处于N档负荷区间内时，将燃料电池的输出功率控制在相同档次的N档功率区间内；其中N为大于等于三的自然数；S4、船舶用电负荷处于N档负荷区间内时，将燃料电池的输出功率控制在高一档次的N+1档功率区间内；S5、燃料电池停止运行。管理系统用于上述方法的实施。
船舶具有各运行工况相对稳定、电力负荷相对固定的特点；且本发明中，当船舶用电负荷处于N档负荷区间内时，将燃料电池的输出功率控制在相同档次的N档功率区间内或高一档次的档N+1功率区间内；简言之，即使当船舶用电负荷在N档负荷区间内变化，只要燃料电池的输出功率在相应档次功率区间内就无需随负荷变化而改变，此时依靠蓄电池单元削峰填谷对船舶用电负荷进行补偿。因此，燃料电池可以维持与电力负荷相对应的输出功率长时间持续运行，减少了频繁起停次数、更避免了燃料电池的输出功率随电力负荷进行实时频繁变化、降低了损耗，提高了发电效率。
附图说明
图1是本发明船舶燃料电池功率管理方法的流程图；
图2是本发明船舶燃料电池功率管理系统的原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
由图1所示，本实施例公开了一种船舶燃料电池功率管理方法，包括：
S1、对船舶的当前模式进行分析判定，若船舶连接岸电电源、则判定处于充电模式时(蓄电池单元处于充电状态)，执行步骤S5；若船舶未连接岸电电源、则判定处于航行模式时，执行步骤S2。
S2、分析当前工况下的蓄电池单元的电量和船舶用电负荷；当蓄电池单元的电量处于高电量时(船舶用电由蓄电池单元提供)，执行步骤S5；当蓄电池单元的电量处于中电量时，执行步骤S3；当蓄电池单元的电量处于低电量时，执行步骤S4。
S3、船舶用电负荷处于N档负荷区间内时，将燃料电池的输出功率控制在和N档负荷区间相同档次的N档功率区间内(且不随船舶用电负荷在N档负荷区间内的变化而改变)；其中N为大于等于三的自然数。即，当船舶用电负荷在N档负荷区间内变化时，只要燃料电池的输出功率在N档功率区间内就无需随负荷变化而改变；依靠蓄电池单元削峰填谷对船舶用电负荷进行补偿。可有效避免随负荷变化而实时变化。参见下文表一。
S4、船舶用电负荷处于N档负荷区间内时，将燃料电池的输出功率控制在比N档负荷区间高一档次的N+1档功率区间内(且不随船舶用电负荷在N档负荷区间内的变化而改变)。即，当船舶用电负荷在N档负荷区间内变化时，只要燃料电池的输出功率在N+1档功率区间内就无需随负荷变化而改变；依靠蓄电池单元削峰填谷对船舶用电负荷进行补偿。可有效避免随负荷变化而实时变化。参见下文表二。
S5、燃料电池停止运行，处于待机无功率输出状态。
本实施例中，N等于三；一档负荷区间为低档负荷区间，二档负荷区间为中档负荷区间，三档负荷区间为高档负荷区间；一档功率区间为低档功率区间，二档功率区间为中档功率区间，三档功率区间为高档功率区间，四档功率区间为额定功率。
其中，低档负荷区间内的船舶用电负荷小于总负荷的B1％；中档负荷区间内的船舶用电负荷大于等于总负荷的B1％且小于等于总负荷的A1％；高档负荷区间内的船舶用电负荷大于总负荷的A1％；其中0＜B1％＜A1％＜1。
低档功率区间内的燃料电池的输出功率大于最低运行功率且小于额定功率的B2％；中档功率区间内的所述燃料电池的输出功率大于等于额定功率的B2％且小于等于额定功率的A2％；高档功率区间内的燃料电池的输出功率大于额定功率的A2％；其中，(最低运行功率/额定功率)＜B2％＜A2％＜1。低档功率区间内的燃料电池的输出功率大于最低运行功率，可有效避免其性能的衰减。
高电量是指蓄电池单元的当前电量大于总电量的a％；中电量是指蓄电池单元的当前电量大于等于总电量的b％且小于等于总电量的a％；低电量是指蓄电池单元的当前电量小于总电量的b％；其中0＜b％＜a％＜1。
本实施例中，步骤S4还包括：燃料电池的输出功率部分用于给蓄电池单元充电，当蓄电池单元的电量处于中电量时，停止充电，并返回执行步骤S3。优选地，当蓄电池单元的电量等于中电量的最大极限值时(等于总电量的a％)，停止充电，返回执行步骤S3。
本实施例中，优选地蓄电池单元为锂电池组；燃料电池为氢燃料电池。
表一 中电量时燃料电池的输出功率
船舶用电负荷 氢燃料电池功率
低档负荷区间 低档功率区间
中档负荷区间 中档功率区间
高档负荷区间 高档功率区间
表二 低电量时燃料电池的输出功率
船舶用电负荷 氢燃料电池功率
低档负荷区间 中档功率区间
中档负荷区间 高档功率区间
高档负荷区间 额定功率
实施例二：
本实施例还公开了一种船舶燃料电池功率管理系统，用于实施例一船舶燃料电池功率管理方法的实施，船舶燃料电池功率管理系统具体包括蓄电池单元、燃料电池；还包括船舶模式判定单元、蓄电池单元电量分析单元、船舶用电负荷分析单元以及燃料电池输出功率控制单元。
船舶模式判定单元用于对船舶的当前模式进行判定，若船舶连接岸电电源则判定处于充电模式；若船舶未连接岸电电源则判定处于航行模式。
蓄电池单元电量分析单元用于分析当前工况下所述蓄电池单元的电量是处于高电量、中电量还是低电量。
船舶用电负荷分析单元用于分析当前工况下船舶用电负荷处于N档负荷区间中的哪一档；其中N为大于等于三的自然数。
燃料电池输出功率控制单元用于在船舶处于充电模式或蓄电池单元的电量处于高电量时，控制燃料电池停止运行；还用于在蓄电池单元的电量处于中电量时，将燃料电池的输出功率控制在和N档负荷区间相同档次的N档功率区间内；还用于在蓄电池单元的电量处于低电量时，将燃料电池的输出功率控制在比N档负荷区间高一档次的N+1档功率区间内。
上文所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块、或者二者的结合来实施。软件模块可以置于电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、单片机或处理器等技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了船舶燃料电池功率管理系统的组成及原理；比如船舶模式判定单元、蓄电池单元电量分析单元、船舶用电负荷分析单元以及燃料电池输出功率控制单元可以是一块集算法的处理芯片；也可以是存储在存储介质中的程序代码；这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。在此不做限制。
本发明中的燃料电池可以维持与船舶电力负荷相对应的输出功率长时间持续运行，减少了频繁起停次数、更避免了燃料电池的输出功率随电力负荷进行实时频繁变化、降低了损耗，提高了发电效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限值本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船舶燃料电池功率管理方法，其特征在于；包括：
S1、对船舶的当前模式进行分析判定，若船舶连接岸电电源、则判定处于充电模式时，执行步骤S5；若船舶未连接岸电电源、则判定处于航行模式时，执行步骤S2；
S2、分析当前工况下的蓄电池单元的电量和船舶用电负荷；当所述蓄电池单元的电量处于高电量时，执行步骤S5；当所述蓄电池单元的电量处于中电量时，执行步骤S3；当所述蓄电池单元的电量处于低电量时，执行步骤S4；
S3、所述船舶用电负荷处于N档负荷区间内时，将燃料电池的输出功率控制在和所述N档负荷区间相同档次的N档功率区间内；其中N为大于等于三的自然数；
S4、所述船舶用电负荷处于N档负荷区间内时，将燃料电池的输出功率控制在比所述N档负荷区间高一档次的N+1档功率区间内；
S5、燃料电池停止运行，处于待机无功率输出状态。
2.根据权利要求1所述的船舶燃料电池功率管理方法，其特征在于；N等于三；一档负荷区间为低档负荷区间，二档负荷区间为中档负荷区间，三档负荷区间为高档负荷区间；
一档功率区间为低档功率区间，二档功率区间为中档功率区间，三档功率区间为高档功率区间，四档功率区间为额定功率。
3.根据权利要求2所述的船舶燃料电池功率管理方法，其特征在于；所述低档负荷区间内的所述船舶用电负荷小于总负荷的B1％；所述中档负荷区间内的所述船舶用电负荷大于等于总负荷的B1％且小于等于总负荷的A1％；所述高档负荷区间内的所述船舶用电负荷大于总负荷的A1％；其中0＜B1％＜A1％＜1。
4.根据权利要求3所述的船舶燃料电池功率管理方法，其特征在于；所述低档功率区间内的所述燃料电池的输出功率大于最低运行功率且小于额定功率的B2％；所述中档功率区间内的所述燃料电池的输出功率大于等于额定功率的B2％且小于等于额定功率的A2％；所述高档功率区间内的所述燃料电池的输出功率大于额定功率的A2％；其中，(最低运行功率/额定功率)＜B2％＜A2％＜1。
5.根据权利要求1所述的船舶燃料电池功率管理方法，其特征在于；步骤S4还包括：所述燃料电池的输出功率部分用于给所述蓄电池单元充电，当所述蓄电池单元的电量处于中电量时，停止充电，并返回执行步骤S3。
6.根据权利要求5所述的船舶燃料电池功率管理方法，其特征在于；当所述蓄电池单元的电量等于中电量的最大极限值时，停止充电，返回执行步骤S3。
7.根据权利要求1至6任一项所述的船舶燃料电池功率管理方法，其特征在于；所述高电量是指所述蓄电池单元的当前电量大于总电量的a％；所述中电量是指所述蓄电池单元的当前电量大于等于总电量的b％且小于等于总电量的a％；所述低电量是指所述蓄电池单元的当前电量小于总电量的b％；其中0＜b％＜a％＜1。
8.根据权利要求1所述的船舶燃料电池功率管理方法，其特征在于；所述蓄电池单元为锂电池组；所述燃料电池为氢燃料电池。
9.一种船舶燃料电池功率管理系统，包括蓄电池单元、燃料电池；其特征在于；还包括船舶模式判定单元、蓄电池单元电量分析单元、船舶用电负荷分析单元以及燃料电池输出功率控制单元；
所述船舶模式判定单元用于对船舶的当前模式进行判定，若船舶连接岸电电源则判定处于充电模式；若船舶未连接岸电电源则判定处于航行模式；
所述蓄电池单元电量分析单元用于分析当前工况下所述蓄电池单元的电量是处于高电量、中电量还是低电量；
所述船舶用电负荷分析单元用于分析当前工况下船舶用电负荷处于N档负荷区间中的哪一档；其中N为大于等于三的自然数；
燃料电池输出功率控制单元用于在船舶处于充电模式或所述蓄电池单元的电量处于高电量时，控制所述燃料电池停止运行；还用于在所述蓄电池单元的电量处于中电量时，将所述燃料电池的输出功率控制在和所述N档负荷区间相同档次的N档功率区间内；还用于在所述蓄电池单元的电量处于低电量时，将所述燃料电池的输出功率控制在比所述N档负荷区间高一档次的N+1档功率区间内。
10.根据权利要求9所述的船舶燃料电池功率管理系统，其特征在于；N等于三；一档负荷区间为低档负荷区间，二档负荷区间为中档负荷区间，三档负荷区间为高档负荷区间；
一档功率区间为低档功率区间，二档功率区间为中档功率区间，三档功率区间为高档功率区间，四档功率区间为额定功率。
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