一种船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统及其控制方法与流程

一种船用燃料电池顶推船
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驳船混合动力系统及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及清洁可再生能源在船舶动力推进中应用的领域，尤其涉及一种船用燃料电池顶推船
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驳船混合动力系统及其控制方法。


背景技术：

2.传统的船舶主要以柴油机为主，对河流的污染较大，为了保护河流的生态环境，国家对新能源船舶领域提出了更高的要求，开发环保节能及可持续发展的新能源动力技术已提上日程。
3.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；而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，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。
4.公开号cn110758708a一种舰船燃料电池混合推进系统和能量控制方法，提出了一种舰船燃料电池混合推进系统，如图2所示，其中dc
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dc变换器为单向dc
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dc变换器，燃料电池的输出端与单向dc
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dc变换器的输入端连接，单向dc
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dc变换器的输出端与蓄电池组的输出端并联连接在直流母线上，直流母线输出端与所述控制单元输入端连接，控制单元输出端与发动机输入端连接，发动机输出端与螺旋桨连接，推进系统模块反馈输出端和监测单元输出端与处理单元输入端连接，处理单元输出端与燃料电池管理单元输入端和蓄电池组管理单元输入端连接，监测单元输入端与燃料电池和蓄电池组相连，监测单元用于实时对燃料电池和蓄电池组进行监测。上述专利中燃料电池系统与乘客、货物在同一个舰船中，当氢气发生泄漏时，会危机生命财产安全。燃料电池系统也没有考虑生活负载（如照明、空调等）系统的能量来源。
5.由于氢燃料系统的安全性备受关注，因此将氢燃料动力系统安装在顶推船，与乘客或者货物所在的驳船分开，既能提升安全性，又能提高氢燃料动力系统顶推船的利用率。而且在顶推船、驳船电力系统设计中考虑所有的用电设备能量来源和控制方法，对于节能减排具有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对上述现有技术的不足，而提供一种船用燃料电池顶推船
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驳船混合动力系统及其控制方法，通过对顶推船与驳船动力系统的设计，实现了燃料电池系统与驳船中乘客、货物的分离，能够提升安全性，同时应用多种模式的相互切换，既能实现节能减排，又能提升在紧急情况下的应急能力。
7.实现本发明目的技术方案是：一种船用燃料电池顶推船
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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燃料电池系统、第一dc/dc、第一锂电池、第一逆变器、第一生
活负载、第二逆变器、电机、推进器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一dc/dc电压转变后接入顶推船上的直流母线；顶推船上的第一锂电池、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；第一逆变器与第一生活负载连接；第二逆变器依次连接电机和推进器；顶推船上的直流母线对第一锂电池充放电；顶推船上的直流母线通过第一逆变器为第一生活负载供电；顶推船上的直流母线通过第二逆变器控制电机，进而带动推进器；所述驳船部分包括第二锂电池、第二dc/dc、第三逆变器、第二生活负载；驳船上的第二dc/dc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，第二dc/dc与第二锂电池连接；驳船上的直流母线通过第二dc/dc对第二锂电池充放电；驳船上的直流母线通过第三逆变器为第二生活负载供电；第二锂电池的放电功率大于第二生活负载的最大需求功率；顶推船上的直流母线通过快速插头与驳船上的直流母线连接；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、第一锂电池、第二锂电池、第一逆变器，第二逆变器和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。
8.所述顶推船上的第一锂电池和驳船上的第二锂电池分别连接外接充电设备充电。
9.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。
10.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、氢气瓶及控制系统等。
11.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。
12.所述生活负载包括船舶照明、空调等除动力系统以外的所有负载。
13.本发明船用燃料电池顶推船
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驳船混合动力系统，其工作模式主要包括：纯锂电池模式、纯燃料电池模式、第一混合动力模式、第二混合动力模式、增程式模式、混合增程式模式，应急模式和外接充电模式；第一混合动力模式和第二混合动力模式统称为混合动力模式；所述纯锂电池模式：燃料电池系统关闭，第一锂电池和第二锂电池共同为第一生活负载、电机、第二生活负载供电；所述纯燃料电池模式：燃料电池系统开启，燃料电池系统为第一生活负载、电机、第二生活负载供电，燃料电池系统不给第一锂电池或者第二锂电池充电；所述第一混合动力模式：燃料电池系统开启，燃料电池系统、第一锂电池、第二锂电池共同为第一生活负载、电机、第二生活负载供电，燃料电池系统不给第一锂电池或者第二锂电池充电；
所述第二混合动力模式：燃料电池系统开启，燃料电池系统和第二锂电池或者第一锂电池共同为第一生活负载、电机、第二生活负载供电，燃料电池系统不给第一锂电池或者第二锂电池充电；所述增程式模式：燃料电池系统开启，燃料电池系统为第一生活负载、电机、第二生活负载供电，燃料电池系统为第一锂电池或者第二锂电池充电；所述混合增程式模式：燃料电池系统开启，燃料电池系统和第一锂电池或者第二锂电池，共同为第一生活负载、电机、第二生活负载供电，燃料电池系统为第二锂电池或者第一锂电池充电；所述应急模式：若燃料电池系统关闭，且第一锂电池故障或者soc低于底线时，第二锂电池为第一生活负载、电机和第二生活负载供电；若燃料电池系统关闭，且第二锂电池故障或者soc低于底线时，第一锂电池为第一生活负载、电机和第二生活负载供电；所述外接充电模式：通过外接充电设备分别为第一锂电池或者第二锂电池充电；所述燃料电池系统始终工作在最佳功率区间。
14.本发明船用燃料电池顶推船
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驳船混合动力系统的控制方法，包括单独驳船控制，单独顶推船控制，以及顶推船和驳船共同控制。
15.所述单独驳船控制：若第二锂电池的soc高于下限时，第二锂电池为第二生活负载供电；靠岸时，若第二锂电池的soc低于顶限时，通过外接充电设备为第二锂电池充电，采用外接充电模式。
16.所述单独顶推船控制：若第一锂电池的soc高于下限时，第一生活负载和推进器的功率需求之和小于第一锂电池的功率，则第一锂电池为第一生活负载和推进器供电，采用纯锂电池模式；若第一锂电池的soc高于下限时，第一生活负载和推进器的功率需求之和大于第一锂电池的功率，但处于燃料电池系统的最佳功率区间，则启动燃料电池系统，燃料电池系统为第一生活负载和推进器供电，采用纯燃料电池模式；若第一锂电池的soc高于下限时，第一生活负载和推进器的功率需求之和大于第一锂电池的功率，也大于燃料电池系统的最佳功率区间，则启动燃料电池系统，燃料电池系统和第一锂电池为第一生活负载和推进器供电，采用混合动力模式；若第一锂电池的soc高于下限时，第一生活负载和推进器的功率需求之和大于第一锂电池的功率，小于燃料电池系统的最佳功率区间，则启动燃料电池系统，燃料电池系统为第一生活负载和推进器供电，燃料电池系统为第一锂电池充电，采用增程式模式；若第一锂电池的soc低于下限时，则启动燃料电池系统，若第一生活负载和推进器的功率需求之和小于燃料电池系统的最佳功率区间，则燃料电池系统为第一生活负载和推进器供电，燃料电池系统为第一锂电池充电，采用增程式模式；若第一锂电池的soc低于下限时，则启动燃料电池系统，若第一生活负载和推进器的功率需求之和等于燃料电池系统的最佳功率区间，则燃料电池系统为第一生活负载和推进器供电，采用纯燃料电池模式；若第一锂电池的soc低于下限时，则启动燃料电池系统，若第一生活负载和推进器的功率需求之和大于燃料电池系统的最佳功率区间，则燃料电池系统为第一生活负载和推
进器供电，采用纯燃料电池模式；在功率分配的时候，优先考虑推进器，其次是第一生活负载；靠岸时，若第一锂电池的soc低于顶限时，通过外接充电设备为第二锂电池充电，采用外接充电模式。
17.所述顶推船和驳船共同控制模式：若第一锂电池和第二锂电池的soc均高于下限，推进器、第一生活负载、第二生活负载功率需求之和小于第一锂电池和第二锂电池的功率之和，则第一锂电池和第二锂电池为电机、第一生活负载、第二生活负载供电，采用纯锂电池模式；在功率使用的时候，优先使用第一锂电池的功率，然后是第二锂电池；若第一锂电池和第二锂电池的soc均高于下限，电机、第一生活负载、第二生活负载功率需求之和大于第一锂电池和第二锂电池的功率之和，但处于燃料电池系统的最佳功率区间，则启动燃料电池系统，燃料电池系统为推进器、第一生活负载、第二生活负载供电，采用纯燃料电池模式；若第一锂电池和第二锂电池的soc均高于下限，电机、第一生活负载、第二生活负载功率需求之和大于第一锂电池和第二锂电池的功率之和，但小于燃料电池系统的最佳功率区间，则启动燃料电池系统，燃料电池系统为推进器、第一生活负载、第二生活负载供电，燃料电池系统为第一锂电池或者第二锂电池充电，采用增程式模式；若第一锂电池和第二锂电池的soc均高于下限，电机、第一生活负载、第二生活负载功率需求之和大于第一锂电池和第二锂电池的功率之和，但大于燃料电池系统的最佳功率区间，则启动燃料电池系统，燃料电池系统、第一锂电池和第二锂电池为推进器、第一生活负载、第二生活负载供电，采用混合动力模式；在功率使用的时候，优先考虑使用第一锂电池，然后是第二锂电池；若第一锂电池或者第二锂电池的soc高于下限，第二锂电池或者第一锂电池的soc低于下限，则启动燃料电池系统，工作在最佳功率区间，燃料电池系统和第一锂电池或者第二锂电池为推进器、第一生活负载、第二生活负载供电，同时为第二锂电池或者第一锂电池充电，采用增程式模式；在功率分配的时候，优先次序为推进器、第二生活负载、第一生活负载、第二锂电池或者第一锂电池充电；若第一锂电池、第二锂电池的soc低于下限，则启动燃料电池系统，工作在最佳功率区间，燃料电池系统为推进器、第一生活负载、第二生活负载供电，同时为第一锂电池和第二锂电池充电，采用增程式模式；在功率分配的时候，优先次序为推进器、第二生活负载、第一生活负载、第二锂电池、第一锂电池。
18.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%。
19.本发明的有益效果：（1）将氢燃料动力系统安装在顶推船，与乘客或者货物所在的驳船分开，一个顶推船可以用于多个驳船，既能提升安全性，又能提高氢燃料动力系统顶推船的利用率，降低成本；（2）顶推船包含氢燃料电池和锂电池的动力系统，能够为船舶提供动力和顶推船负载提供电能；驳船包含有锂电池动力系统，能够为驳船负载提供电能。因此，当顶推船和
驳船没有连接在一起时，也能满足各自的负载功率需求；（3）顶推船
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驳船设置有能量管理系统和控制系统，监控各子系统的状态，根据动力需求和各子系统的状态，调整工作模式，使燃料电池系统始终工作在最佳功率区间，减少燃料电池的启停，提高燃料电池系统寿命，提升节能效果；（4）在能量管理系统中，将顶推船和驳船的所有负载功率考虑到能量管理系统内，实现整船电力系统的能量管理和优化，能够进一步实现节能减排；（5）顶推船和驳船均安装有锂电池系统，每个锂电池均能和燃料电池系统组成混合动力系统，为顶推船和驳船供能；并且在燃料电池系统发生故障时，每个锂电池均能为顶推船和驳船供能，能够保证顶推船和驳船的正常运行，提升了其适应能力；（6）顶推船和驳船均的锂电池系统均设有充电模式，在靠岸的时候通过充电补充能量，降低氢燃料的消耗，进而减少成本。
附图说明
20.图1为本发明船用燃料电池顶推船
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驳船混合动力系统框图。
21.图2为cn110758708a一种无dc
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dc变换器直接并联结构示意图。
具体实施方式
22.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。
23.参照图1，一种船用燃料电池顶推船
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驳船混合动力系统，包括顶推船部分和驳船部分；顶推船部分包括燃料电池系统、第一dc/dc、第一锂电池、第一逆变器、第一生活负载、第二逆变器、电机、推进器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一dc/dc电压转变后接入顶推船上的直流母线；顶推船上的第一锂电池、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；第一逆变器与第一生活负载连接；第二逆变器依次连接电机和推进器；顶推船上的直流母线对第一锂电池充放电；顶推船上的直流母线通过第一逆变器为第一生活负载供电；顶推船上的直流母线通过第二逆变器控制电机，进而带动推进器；驳船部分包括第二锂电池、第二dc/dc、第三逆变器、第二生活负载；驳船上的第二dc/dc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，第二dc/dc与第二锂电池连接；驳船上的直流母线通过第二dc/dc对第二锂电池充放电；驳船上的直流母线通过第三逆变器为第二生活负载供电；第二锂电池的放电功率大于第二生活负载的最大需求功率；顶推船上的直流母线通过快速插头与驳船上的直流母线连接；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、第一锂电池、第二锂电池、第一逆变器，第二逆变器和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。
24.顶推船上的第一锂电池和驳船上的第二锂电池分别连接外接充电设备充电。
25.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。
26.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、氢气瓶及控制系统等。
27.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。第一锂电池、第二锂电池的soc的下限为40%，soc的底线为20%，soc的上限为80%，soc的顶限为95%。
28.生活负载包括船舶照明、空调等除动力系统以外的所有负载。
29.本发明混合动力系统的控制方法，包括单独驳船控制，单独顶推船控制，以及顶推船和驳船共同控制，具体控制过程，发明内容部分已详细说明，实施例不再赘述。本发明通过对顶推船与驳船动力系统的设计，实现了燃料电池系统与驳船中乘客、货物的分离，能够提升安全性，同时应用多种模式的相互切换，既能实现节能减排，又能提升在紧急情况下的应急能力。