【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于船舶动力系统，具体涉及一种船用混合电力推进系统及其能量控制方法。
技术介绍
1、海运港口的燃料成本和排放是提高运输能源效率和减少排放努力的一个方向。港口货物运输和货物装卸设备仍然是港口及其周围空气污染的主要贡献者。大约三分之一到一半的远洋货轮排放来自其辅助柴油发动机。随着排放限制的实施，柴油发动机和燃料成本持续上升，使得运输船和海岸的柴油发电对船队来说更加昂贵。在积极应对全球气候变化、加快绿色低碳发展的大背景下，氢能作为能源载体和潜在燃料而备受关注，其与化石燃料不同，氢能可以真正实现碳中和。燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能，并产生水和热的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，整个过程无污染、无噪声，其发电效率可以达到50％以上，这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能(发电机)的中间变换。
2、目前，由于船用燃料电池技术还在初步阶段，对现有船舶而言，以燃料电池作为主动力的一般为小型船舶，对于远洋运输船，氢能很难作为主动力，其原因主要在于：
3、(1)船用加氢技术问题。与车用加氢相比，船舶加氢具有加注量大，持续时间长的特点，加注设备不应简单的采用陆用加氢枪，应采用更加可靠的加注连接方式，而且船舶在码头进行燃料加注时一般不允许断电，因此如何既保证加氢时燃料电池系统正常工作供电，以及装卸货等同步操作(simops)的需要，又保障氢燃料加注操作的安全性，是亟需解决的问题。
4、(2)传统的氢燃料电池船舶需要有储氢舱来存储氢气，而储氢舱由于
5、(3)船舶在航行过程中难免会因为周围环境的变化而改变航行状态，此时船舶会产生不同的功率需求，并对船舶动力输出装置的工作产生影响，如果船舶的动力输出装置长期处于高负荷或者低负荷状态下工作则会导致燃料消耗过快和不充分利用。所以需要为船舶设计能量控制方法，在保证船舶正常运行的同时，通过合理分配能量源之间的功率输出，实现能量的最大化利用。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种船用混合电力推进系统及其能量控制方法，该系统采用换装式燃料电池来供能，通过直接换装避免氢燃料加注过程存在的难题，大幅缩减了补能时间；该能量控制方法根据船舶需求功率的变化，更好地分配换装式燃料电池和蓄电池的功率，以减少氢燃料的消耗，提高续航能力。
2、本专利技术为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
3、一种船用混合电力推进系统，包括动力源模块、能量管理模块和推进系统模块；所述动力源模块包括换装式燃料电池和蓄电池组；所述能量管理模块包括换装式燃料电池管理单元、蓄电池组管理单元、参数监测单元和工况处理单元，所述换装式燃料电池管理单元和蓄电池组管理单元分别控制所述换装式燃料电池和蓄电池组的启停以及输出功率，所述参数监测单元接收所述动力源模块的参数并传输给所述工况处理单元，所述工况处理单元根据采集到的来自所述参数监测单元与推进系统模块的工况数据计算船舶需求功率preq并且将信号传输给换装式燃料电池管理单元和蓄电池组管理单元进一步控制所述动力源模块；所述推进系统模块包括控制单元、电动机和推进器，所述控制单元控制来自于所述换装式燃料电池和蓄电池组的电能的流动，并将电能传输给所述电动机，所述电动机驱动所述推进器运行。
4、上述方案中，所述换装式燃料电池整体堆放于船舶上；换装式燃料电池通过隔离墙将其分为两个部分，分别为储氢室和发电机房，所述储氢室内装有储氢瓶，用于储存氢燃料；所述发电机房装有燃料电池组，所述储氢瓶通过管道与所述燃料电池组连通，所述管道上设有安全阀。
5、上述方案中，所述储氢室设有通风口，所述通风口下放安装有散热器；所述储氢瓶上设有注氢口和压力传感器。
6、上述方案中，所述发电机房内还安装有逆变器、超级电容、蓄电池、冷却系统；所述逆变器与燃料电池组连接，将燃料电池组反应后产生的直流电转换成交流电为船舶提供动力以及保证船上设施正常用电；所述超级电容与所述逆变器相连，燃料电池组产生的电能还能为超级电容供电，超级电容用于提高换装式燃料电池的输出功率；所述蓄电池为换装式燃料电池内基础设施供电；所述冷却系统为所述散热器提供冷却原料，并为燃料电池组散热。
7、上述方案中，所述换装式燃料电池布置于船艉，位于机舱上方，所述机舱布置在船艉部货舱的下面，所述蓄电池组和推进系统模块布置于所述机舱内。
8、相应的，本专利技术还提出上述船用混合电力推进系统的能量控制方法，利用基于逻辑门的能量控制方法，根据船舶需求功率的变化，分配换装式燃料电池和船舶内蓄电池组的功率，包括以下步骤：
9、s1、推进系统模块将船舶航行过程中的工况数据反馈到工况处理单元，参数监测单元将监测到的换装式燃料电池和蓄电池组的数据传输到工况处理单元；
10、s2、工况处理单元根据采集到的工况数据计算船舶需求功率preq，根据监测到的数据计算换装式燃料电池最佳功率pfc_best、蓄电池组soc值以及蓄电池组在当前soc下能够输出的最大功率pb_max；
11、s3、工况处理单元根据计算的船舶需求功率preq以及监测到的换装式燃料电池的数据判断所接入的换装式燃料电池个数n是否能匹配船舶的需求功率preq，若(n-1)pfc_best+pb_max＜preq≤npfc_best，或者npfc_best＜preq≤npfc_best+pb_max则表明接入的换装式燃料电池个数n能匹配船舶的需求功率preq，反之则表明接入的换装式燃料电池个数n不能匹配船舶的需求功率preq，此时需要额外接入一台换装式燃料电池，直至能够匹配船舶的需求功率；
12、s4、进行工作模式选择，该能量控制方法将船舶分为三个工作模式，主要是依据蓄电池的工作状态来划分，当蓄电池的工作状态为充电时，此时船舶为行驶充电工作模式，记为工作模式a；当蓄电池的工作状态为不工作时，此时船舶为换装式燃料电池驱动工作模式，记为工作模式b：当蓄电池的工作状态为放电时，此时船舶为混合驱动工作模式，记为工作模式c；
13、s4-1、当蓄电池组soc<soc_min时，为保证蓄电池组正常工作，需要紧急充电，因此在此状态下蓄电池组的状态分为不工作和充电两种：当蓄电池处于充电状态时，优先保证换装式燃料电池处于最佳功率状态，多余的能量用来给蓄电池充电；当蓄电池不工作时，保证其中(n-1)台换装式燃料电池处于最佳功率状态，剩余一台则根据需求功率分配；
14、s4-2、当蓄电池组soc_min≤soc≤soc_max时，此时蓄电池工作正常，可以充放电，使其一直处于工作状态：根据需求功率，在保证n台换装式燃料本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种船用混合电力推进系统，其特征在于，包括动力源模块、能量管理模块和推进系统模块；
2.根据权利要求1所述的船用混合电力推进系统，其特征在于，所述换装式燃料电池整体堆放于船舶上；换装式燃料电池通过隔离墙将其分为两个部分，分别为储氢室和发电机房，所述储氢室内装有储氢瓶，用于储存氢燃料；所述发电机房装有燃料电池组，所述储氢瓶通过管道与所述燃料电池组连通，所述管道上设有安全阀。
3.根据权利要求2所述的船用混合电力推进系统，其特征在于，所述储氢室设有通风口，所述通风口下放安装有散热器；所述储氢瓶上设有注氢口和压力传感器。
4.根据权利要求3所述的船用混合电力推进系统，其特征在于，所述发电机房内还安装有逆变器、超级电容、蓄电池、冷却系统；所述逆变器与燃料电池组连接，将燃料电池组反应后产生的直流电转换成交流电为船舶提供动力以及保证船上设施正常用电；所述超级电容与所述逆变器相连，燃料电池组产生的电能还能为超级电容供电，超级电容用于提高换装式燃料电池的输出功率；所述蓄电池为换装式燃料电池内基础设施供电；所述冷却系统为所述散热器提供冷却原料，并为燃料电池组
5.根据权利要求1所述的船用混合电力推进系统，其特征在于，所述换装式燃料电池布置于船艉，位于机舱上方，所述机舱布置在船艉部货舱的下面，所述蓄电池组和推进系统模块布置于所述机舱内。
6.根据权利要求1-5任一项所述的船用混合电力推进系统的能量控制方法，其特征在于，利用基于逻辑门的能量控制方法，根据船舶需求功率的变化，分配换装式燃料电池和船舶内蓄电池组的功率，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的船用混合电力推进系统的能量控制方法，其特征在于，S4-1具体包括以下几种工况：
8.根据权利要求6所述的船用混合电力推进系统的能量控制方法，其特征在于，S4-2具体包括以下几种工况：
9.根据权利要求6所述的船用混合电力推进系统的能量控制方法，其特征在于，S4-3具体包括以下几种工况：
10.根据权利要求6所述的船用混合电力推进系统的能量控制方法，其特征在于，SOC_min为0.3；SOC_max为0.8。
...【技术特征摘要】
1.一种船用混合电力推进系统，其特征在于，包括动力源模块、能量管理模块和推进系统模块；
2.根据权利要求1所述的船用混合电力推进系统，其特征在于，所述换装式燃料电池整体堆放于船舶上；换装式燃料电池通过隔离墙将其分为两个部分，分别为储氢室和发电机房，所述储氢室内装有储氢瓶，用于储存氢燃料；所述发电机房装有燃料电池组，所述储氢瓶通过管道与所述燃料电池组连通，所述管道上设有安全阀。
3.根据权利要求2所述的船用混合电力推进系统，其特征在于，所述储氢室设有通风口，所述通风口下放安装有散热器；所述储氢瓶上设有注氢口和压力传感器。
4.根据权利要求3所述的船用混合电力推进系统，其特征在于，所述发电机房内还安装有逆变器、超级电容、蓄电池、冷却系统；所述逆变器与燃料电池组连接，将燃料电池组反应后产生的直流电转换成交流电为船舶提供动力以及保证船上设施正常用电；所述超级电容与所述逆变器相连，燃料电池组产生的电能还能为超级电容供电，超级电容用于提高换装式燃料电池的输出功率；所述蓄电池为换装式燃料电池内基础设施供电；...
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