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专利号: 2024103546088
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种船舶油氢光电复合动力系统,其特征在于:包括氢气罐、燃料电池、DC/DC、功率分配装置、动力电池、螺旋桨、减速器、电机、常开离合器和内燃机;

氢气罐、燃料电池、DC/DC、功率分配装置、动力电池通过线路依次连接;

内燃机和电机通过常开离合器机械连接,电机、减速器、螺旋桨依次机械连接;

氢气罐为氢气存储装置,被配置为用于存储氢气;

燃料电池为氢燃料电池,被配置为用于将氢气转换为电能并输出;

DC/DC为直流转直流变压装置,被配置为用于将燃料电池的电压转换至与动力电池及电机所需电压一致;

功率分配装置,被配置为用于燃料电池功率、动力电池功率、生活用电功率以及电机需求功率的分配;

动力电池,包括各种类型的锂电池,被配置为用于提供或回收电能;

螺旋桨,被配置为用于作为整船的驱动装置;

减速器为齿轮组,被配置为用于对整船进行减速;

电机为驱动发电一体机,能够正转、倒转,被配置为用于实现各转速下的驱动及发电;

内燃机,被配置为用于将化学能转换为机械能并输出;

用于这种系统的方法包括如下步骤:

步骤1:整船状态识别与需求计算;

通过船上的各种传感器搜集到的信号进行整船状态识别,并计算整船需求转矩以及电机所需电功率;

步骤2:内燃机与电机转矩分配策略;

步骤3:燃料电池与动力电池功率分配策略;

将燃料电池与动力电池的功率进行合理分配,并限制燃料电池的功率变化率,保证燃料电池寿命;

步骤1中,船上的各种传感器搜集到的包括船速、驱动油门开度、制动油门开度、前进/倒退挡位信号;整船状态分为起动状态、前进状态、倒退状态、制动状态以及停泊状态;

起动状态为当船速为0且油门开启时的状态;

前进状态为船速大于0时且油门开启时的状态;

倒退状态为船速小于0时且油门开启时的状态;

制动状态是船速大于0且制动油门开启的状态;

停泊状态是船速为0且抛锚时的状态;

整船需求转矩Treq计算方法:

当前驱动油门开度ACCTravel与当前整船当前转速下转矩外特性Tmax(n)之积,如式(1)所示:Treq=ACCTravel·Tmax(n)  (1);

电机所需电功率PMotreq计算方法:

根据电机需求转矩与电机转速以及电机效率,计算得出如式(2)所示:PMotreq=nMot·TMotreq/9550/eff(nMot,TMotreq)  (2);

式中,nMot为电机转速,TMotreq为电机需求转矩,eff(nMot,TMotreq)为电机关于转速、转矩的效率函数;

步骤2中,在不同船舶状态下对内燃机与电机之间进行转矩分配,分配转矩为整船需求转矩,其控制方法如下:步骤2.1:起动状态;

以电动机为动力源进行工作,避开内燃机工作不经济的区域,此时内燃机需求转矩TEngreq以及电机需求转矩TMotreq分配如式(3)所示:步骤2.2:前进状态;

前进状态是船舶的主要运行状态,前进状态中根据整船需求转矩以及内燃机的万有特性划分不同的前进状态工作模式,包括纯电动前进,内燃机直驱以及联合驱动三种模式;

纯电动模式是指此时的需求驱动转矩全部由电机承担,进入此模式的判定条件如式(4)所示:Treq≤TLow  (4);

式中TLow为根据发动机相同转速下的效率划分出的发动机转矩线,由标定产生;

此时的转矩分配如式(5)所示:

内燃机直驱模式是指此时的需求转矩全部由内燃机承担,进入此模式的判定条件如式(6)所示:TLow≤Treq≤THigh  (6);

式中THigh为根据发动机相同转速下的效率划分出的发动机转矩线,由标定产生,与TLow共同划分出发动机的高效区;

此时的转矩分配如式(7)所示:

联合驱动模式是指此时的需求转矩由内燃机和电机共同承担,进入此模式的判定条件如式(8)所示:Treq>THigh  (8);

根据需求转矩的不同内燃机工作在不同的转矩线上与电机同时驱动船舶,转矩分配如式(9)所示:式中,TMotMax为电机的额定外特性;TEngMax为发动机外特性;

步骤2.3:倒退模式;

倒退模式下,螺旋桨反转,驱动整船倒退;

螺旋桨反转通过两种方式实现,常用方式为电机反转,此时内燃机与电机之间的常开离合器脱开,内燃机不工作,电机反转,转矩为需求转矩,如式(10)所示:当氢气罐内氢气不足,且动力电池SOC不足时,此时氢燃料电池与动力电池的功率不足以支持电机的功率,减速器挂倒挡,发动机正转经过减速器驱动螺旋桨反转,此时发动机转矩按照TLow转矩线工作,电机为动力电池充电,如式(11)所示:步骤2.4:制动模式;

制动模式下,螺旋桨减速至0后反转,为整船减速,螺旋桨反转方式与倒退模式一致;

螺旋桨减速采用电机负转矩减速,此时常开离合器脱开,发动机转矩为0,电机转矩为负值,电机转矩通过当前螺旋桨转速计算得来,采用PID算法或模糊算法进行计算,采用PID算法转矩分配如式(12)所示:式中Kp、Ki、Kd分别为PID控制的比例系数、积分系数以及微分系数,n(t)为当前螺旋桨转速,PID算法控制目标为转速为0;

步骤2.5:停泊模式;

停泊模式下,船舶抛锚,发动机与电机的转矩均为0,如式(13)所示:

2.根据权利要求1所述的船舶油氢光电复合动力系统,其特征在于:该复合动力系统还包括光伏电池,光伏电池通过DC/DC、动力电池电连接至功率分配装置,从而保证整船的电功率来源。

3.根据权利要求1所述的船舶油氢光电复合动力系统,其特征在于:该复合动力系统还包括DC/AC,DC/AC为直流转交流变换器,被配置为用于将直流母线中的直流电转换为交流电。

4.根据权利要求3所述的船舶油氢光电复合动力系统,其特征在于:该复合动力系统还包括生活用电装置,功率分配装置根据生活用电装置的需求将部分直流电通过DC/AC转换为交流电供生活用电装置使用,保证整船的电能输出。

5.根据权利要求1所述的船舶油氢光电复合动力系统,其特征在于:该复合动力系统还包括油箱,油箱与内燃机通过管路连接。

6.根据权利要求1所述的船舶油氢光电复合动力系统,其特征在于:常开离合器包括湿式离合器;内燃机包括柴油内燃机、汽油内燃机、氨内燃机、LNG内燃机、甲醇内燃机以及氢内燃机。

7.根据权利要求1所述的船舶油氢光电复合动力系统,其特征在于:氢气罐为液氢罐。