燃料电池能量管理控制方法、装置及船舶动力系统与流程

本发明属于船舶动力，具体涉及一种燃料电池能量管理控制方法、装置及船舶动力系统。

背景技术：

1、由于燃料电池的动态响应较慢、输出特性偏软，致使燃料电池必须通过一定的控制策略与锂电池等其他设备协同工作才能满足用户对动力系统性能的需求。由于船舶在空间、载重、续航等方面的限制条件较为苛刻，因此当前适用于燃料电池汽车的能量管理策略并不适合于船舶应用环境，这导致了燃料电池设备在应用时变载频繁、寿命下降。

技术实现思路

1、发明目的：本发明提供一种燃料电池能量管理控制方法，用于船舶应用环境以解决燃料电池变载频繁、寿命下降的问题；本技术的另一目的在于提供一种燃料电池能量管理控制装置；本技术的另一目的在于提供一种燃料电池船舶动力系统。

2、技术方案：本技术的燃料电池能量管理控制方法，应用于船舶动力系统，所述船舶动力系统包括电网、锂电池组和至少一组燃料电池发电模块，所述锂电池组和至少一组所述燃料电池发电模块与所述电网连接，包括以下步骤：

3、根据所述电网的发电需求确定接入所述电网的所述燃料电池发电模块的数量，得到单个燃料电池发电模块所需的发电功率；

4、基于所述电网需求的供电功率和所述锂电池组的荷电状态，监测单个燃料电池发电模块所需的发电功率，基于变载调整周期确定所述燃料电池发电模块的输出功率；

5、比较所述输出功率和所述供电功率的大小，并根据得到的比较结果确定锂电池组的运行状况。

6、在一些实施例中，根据所述电网的发电需求确定接入所述电网的所述燃料电池发电模块的数量，得到单个燃料电池发电模块所需的发电功率的步骤，包括：

7、分别获取当前所述电网需求的供电功率p0，单个所述燃料电池发电模块的额定输出功率p1以及接入当前所述电网进行工作的燃料电池发电模块的数量n；

8、当p0≥n×p1时，更新所述燃料电池发电模块的数量为n+1个，且单个燃料电池发电模块所需的发电功率p满足：p＝p0÷(n+1)；

9、当p0＜[(n-1)×p0+p0×30％]时，更新所述电池发电模块的数量为n-1个，且单个燃料电池发电模块所需的发电功率p满足：p＝p0÷(n-1)。

10、在一些实施例中，所述基于所述电网需求的供电功率和所述锂电池组的荷电状态，对单个燃料电池发电模块所需的发电功率进行调控，确定所述燃料电池发电模块的输出功率，包括：

11、确定所述供电功率p0处于的由p大、p中、p小和0划分的功率区间，且p大＜p中＜p小＜0；

12、获取所述锂电池组的荷电状态soc，并确定所述荷电状态soc处于的由soc1、soc2、soc3和soc4划分的电量区间，且soc1＜soc2＜soc3＜soc4；

13、监测单个燃料电池发电模块所需的发电功率p，并对所述电网的容量进行更新，通过比较所述供电功率p0和所述荷电状态soc的范围，在一个变载调整周期内使所述燃料电池发电模块的输出功率以p大、p中、p小和0中的任意一者进行输出。

14、在一些实施例中，通过比较所述供电功率p0和所述荷电状态soc的范围，在一个变载调整周期内使所述燃料电池发电模块的输出功率以p大、p中、p小和0中的任意一者进行输出，包括：

15、当p0＞0，且soc＜soc1时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p大；

16、当p0＝0，且soc＜soc1时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p中；

17、当p0≥p中，且soc1≤soc≤soc2时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p大；

18、当p中＞p0＞0，且soc1≤soc≤soc2时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p中；

19、当p0＝0，且soc1≤soc≤soc2时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p小；

20、当p0＞p大，且soc2≤soc≤soc3时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p大；

21、当p大≥p0≥p中，且soc2≤soc≤soc3时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p大或p中；

22、当p中＞p0≥p小，且soc2≤soc≤soc3时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p中或p小；

23、当p小＞p0，且soc2≤soc≤soc3时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p小或0；

24、当p0＞p大，且soc3≤soc≤soc4时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p大；

25、当p大≥p0≥p中，且soc3≤soc≤soc4时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p中；

26、当p中＞p0≥p小，且soc3≤soc≤soc4时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p小；

27、当p小＞p0，且soc3≤soc≤soc4时，所述燃料电池发电模块的输出功率为0；

28、当p0≥p中，且soc＞soc4时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p中；

29、当p中＞p0≥p小，且soc＞soc4时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p小；

30、当p小＞p0，且soc＞soc4时，所述燃料电池发电模块的输出功率为p0。

31、在一些实施例中，所述p大、p中、p小中的任意一者由单个所述燃料电池发电模块的额定输出功率p1进行确定，且p大＝p1×100％，p中＝p1×60％，p小＝p1×30％。

32、在一些实施例中，确定所述荷电状态soc处于的由soc1、soc2、soc3和soc4划分的电量区间步骤中，soc1、soc2、soc3和soc4满足：soc1＝40％，soc2＝60％，soc3＝80，soc4＝90％。

33、在一些实施例中，所述变载调整周期范围为3～8分钟。

34、在一些实施例中，比较所述输出功率和所述供电功率的大小，并根据得到的比较结果确定锂电池组的运行状况，包括：

35、当所述输出功率大于所述供电功率时，多余的电能储存于所述锂电池组中；当所述输出功率小于所述供电功率时，缺少的电能由所述锂电池组补充。

36、在一些实施例中，在比较所述输出功率和所述供电功率的大小，并根据得到的比较结果确定锂电池组的运行状况的步骤后，还包括：

37、检测所述锂电池组和所述燃料电池发电模块的运行状态，调整所述锂电池组和所述燃料电池发电模块的输出功率；

38、其中，所述运行状态包括所述燃料电池发电模块部分故障；或者，

39、所述燃料电池发电模块所需的发电功率在所述变载调整周期内持续低于初始值的80％；或者，

40、所述锂电池组部分故障；或者，

41、所述锂电池组的充电功率或放电功率在所述变载调整周期内持续低于初始值的80％；或者，

42、所述燃料电池发电模块全部故障；或者，

43、所述锂电池组全部故障。

44、在一些实施例中，当所述燃料电池发电模块部分故障或所述燃料电池发电模块所需的发电功率在所述变载调整周期内持续低于初始值的80％时，将当前所述氢燃料电池模块所需的发电功率设置为p大，并同时按比例调整p中、p小，使得输出功率以更新后的p大、p中、p小和0中的任意一者进行输出；

45、当所述锂电池组的放电功率在所述变载调整周期内持续低于初始值的80％时，将所述锂电池组的最大输出功率设置为最大值；

46、当所述锂电池组的充电功率在所述变载调整周期内持续低于初始值的80％时，将当前所述氢燃料电池模块所需的发电功率设置为p大，并同时按比例调整p中、p小，使得输出功率以更新后的p大、p中、p小和0中的任意一者进行输出。

47、当所述锂电池组部分故障时，控制相对应的所述燃料电池发电模块停机并解列；

48、当所述燃料电池发电模块全部故障时，利用所述锂电池存储的电能供电；

49、当所述锂电池组全部故障时，利用所述燃料电池发电模块进行供电，并忽略所述氢燃料电池的响应速度；

50、当所述燃料电池发电模块和所述锂电池组全部故障时，所述电网无法正常供电，控制所述燃料电池发电模块和所述锂电池组停机并解列。

51、在一些实施例中，将当前所述氢燃料电池模块所需的发电功率设置为p大，并同时按比例调整p中、p小，包括：p中＝p大×60％，p小＝p大×30％。

52、在一些实施例中，所述船舶动力系统包括还包括接入所述电网的负载或推进器；在比较所述输出功率和所述供电功率的大小，并根据得到的比较结果确定锂电池组的运行状况的步骤后，还包括：

53、获取所述负载或所述推进器的功率消耗，当功率消耗增加并达到了所述电网的最大供电能力，对所述负载或所述推进器的用电功率进行限制；和/或，

54、对所述电网的运行状态进行实时监测；和/或，

55、接收重载设备起动请求信号，根据所述重载设备的用电需求控制重载设备启动或不启动。

56、在一些实施例中，根据所述电网的发电需求确定接入所述电网的所述燃料电池发电模块的数量，得到单个燃料电池发电模块所需的发电功率的步骤之前，还包括：

57、依据选择的工作模式顺序启动所述锂电池组、所述负载、所述推进器以及所述燃料电池发电模块。

58、在一些实施例中，本技术还提供一种燃料电池能量管理控制装置，包括至少一个处理器以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被所述至少一个处理器执行，以使所述处理器能够执行所述的燃料电池能量管理控制方法。

59、在一些实施例中，本技术还提供一种船舶动力系统，其特征在于，包括电网、锂电池组、至少一组燃料电池发电模块、负载、推进器以及所述的燃料电池能量管理控制装置；其中，所述锂电池组和至少一组所述燃料电池发电模块与所述电网连接，所述燃料电池能量管理控制装置与所述锂电池组和至少一组所述燃料电池发电模块通信连接，所述负载和所述推进器与所述电网连接。

60、有益效果：现有技术相比，本技术的燃料电池能量管理控制方法，包括以下步骤：根据电网的发电需求确定接入电网的燃料电池发电模块的数量，得到单个燃料电池发电模块所需的发电功率；基于电网需求的供电功率和锂电池组的荷电状态，监测单个燃料电池发电模块所需的发电功率，基于变载调整周期确定燃料电池发电模块的输出功率；比较输出功率和供电功率的大小，并根据得到的比较结果确定锂电池组的运行状况。本技术能够根据供电功率需求的变化来调节燃料电池发电模块的工作数量以满足不同的发电需求，避免了燃料电池在低功率工况下因电压过高而减少使用寿命，同时通过确定燃料电池发电模块的输出功率能够减少工作点的波动，使得燃料电池发电模块工作状态变化次数少，工作状态变化过程可控，大幅减缓燃料电池发电模块的寿命衰减。

61、可以理解的是，与现有技术相比，本技术实施例提供的燃料电池能量管理控制装置及船舶动力系统具有上述燃料电池能量管理控制方法的所有技术特征以及有益效果，在此不再赘述。