船用集装箱储能电池电力推进系统及控制方法

本发明属于船舶控制，具体涉及一种基于lng燃料电池的船用集装箱储能电池电力推进系统及控制方法。

背景技术：

1、在交通领域，特别是航运领域，温室气体过量排放的问题是近年来社会关注度较高的一个问题。据统计，当前全球航运领域每年的二氧化碳排放量约为11.2亿吨，占全球二氧化碳排放总量的4.5％左右，并表现出持续增长的趋势。当前，实现节能减排目标所面临的形势十分严峻，船舶行业也面临着低污染物排放和二氧化碳减排的双重压力，越来越多的船舶开始选择清洁能源作为动力能源，液态天然气(lng)也因此开始越来越多的被应用到船舶推进系统当中。

2、此外，集装箱储能系统作为灵活且高性价比的储能系统，可实现装配式串联组装，有效的降低船舶噪音污染，因此可响应快速增长的船舶低排放甚至零排放需求，其也将作为绿色船舶的核心技术之一成为未来船舶发展的主要方向。

3、如何将天然气高效的转换成船舶动力所需电能是当今船舶动力领域研究的前沿课题之一。中国专利cn202111561321公开一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统及方法，其公开的电力推进系统可实现天然气到电能的直接转换，有效提高能量转换效率，通过蓄电池存储能量可确保电能的储备，再由电推马达实现电能到动能的高效转换，因而船舶具有更好的机动性。但是该系统对lng冷能的利用并不到位，也并没有针对储能电池设计一套行之有效的热管理系统，使得能源利用不彻底且船舶运行环境受到一定的限制，缺乏经济性、节能性和可调节性。

4、因此，有必要在现有的船用电力推进系统上进行相应改进，以设计出更为多效、合理的控制系统，全面提升系统节能效果和整体运行的可靠性和经济性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决背景技术中提出的问题，提供一种能对发电模块和电力推进模块进行智能化热管理的船用集装箱储能电池电力推进系统及其控制方法，该系统能有效利用lng冷能和相关模块的综合余热，具有较强的节能性和经济性。

2、本发明是这样来实现的：船用集装箱储能电池电力推进系统，包括lng发电模块、电力推进模块和热管理模块；lng发电模块包括顺次相接的lng储罐、汽化器、再热器和lng燃料电池发生器；电力推进模块包括集装箱储能电池和由其驱动的发动机电推装置，集装箱储能电池与lng燃料电池发生器连接以存储上游产生的电能；热管理模块包括蓄冰储冷换热器和储热换热器，蓄冰储冷换热器和汽化器间构建储冷换热循环，储热换热器与再热器、lng燃料电池发生器和集装箱储能电池间分别构建有换热循环；集装箱储能电池中流出的气体经出流的总路流入储热换热器进行热交换后会选择性地经过两条支路，支路一开启时该支路中的气流先通入蓄冰储冷换热器降温后再流至汇流器，支路二开启时该支路中的气流直接汇集到汇流器，汇流器中的气流经回流的总路返回集装箱储能电池的箱体中。

3、进一步地，储热换热器与lng燃料电池发生器间构建的换热循环管路上设有风机二。

4、进一步地，储热换热器与再热器间构建的换热循环管路上设有风机三。

5、进一步地，在出流的总路上顺着气体流通方向依次设有风机一和阀门一，支路一以及支路二上分别设有阀门二和阀门三，通过对阀门二和阀门三开度的调节能对汇集到汇流器的冷热气流进行调配进而调控回流气体的温度，在回流的总路上设有温度传感器和阀门四。

6、进一步地，lng燃料电池发生器和集装箱储能电池所在箱体内分别设有温度传感设备。

7、进一步地，集装箱储能电池的箱体上连接有新风风机。

8、进一步地，在lng储罐和汽化器间的连接管路上设有控制流量用的lng阀门。

9、上述船用集装箱储能电池电力推进系统的控制方法如下：

10、控制过程需依据集装箱储能电池的存储电量、lng燃料电池发生器所在密闭空间的温度、集装箱储能电池所在空间的温度进行调整；

11、(1)当lng燃料电池发生器所在密闭空间的温度高于20℃且集装箱储能电池的电量低于储能满负荷的10％时：lng阀门、汽化器、再热器、lng燃料电池发生器、蓄冰储冷换热器全部打开，汽化器内产生的冷量与蓄冰储冷换热器内的介质进行换热，lng燃料电池发生器将天然气的化学能转化为电能后由集装箱储能电池进行电力存储；

12、此时，风机三打开，再热器的热端工作介质流经储热换热器吸热后再返回再热器形成循环；

13、此状态下，风机一、风机二和新风风机均关闭，阀门一、阀门二、阀门三和阀门四均处于关闭状态，发动机电推装置不启动；

14、(2)当lng燃料电池发生器所在密闭空间温度低于20℃且集装箱储能电池电量低于储能满负荷的10％时：风机一、新风风机、阀门一、阀门二、阀门三和阀门四均处于关闭状态，发动机电推装置不启动；

15、lng阀门、汽化器、再热器、lng燃料电池发生器、蓄冰储冷换热器和风机三均关闭，风机二开启，lng燃料电池发生器所在密闭空间的气流流入储热换热器进行预加热，直至lng燃料电池发生器所在密闭空间温度高于20℃；

16、(3)当船运行、集装箱储能电池储能不低于储能满负荷的10％且其所在空间的温度高于20℃时：

17、关闭lng阀门、汽化器、再热器、lng燃料电池发生器、风机二、风机三、阀门四；

18、新风风机、发动机电推装置、风机一、阀门一、阀门二、阀门三全部打开；

19、集装箱储能电池的箱体内产生的高温空气通过风机一流至储热换热器中进行换热，完成相变储热，流出的气流分别流入支路一和支路二，支路一中的气流流入蓄冰储冷换热器进行热交换以进一步降温，支路二中的气流直接通入汇流器中与从蓄冰储冷换热器流出的低温气流混合；通过调节阀门二和阀门三的开度将混合气流的温度调配至适宜的区间后再送往集装箱储能电池的箱体内部；

20、(4)当船运行、集装箱储能电池所在空间的温度低于20℃且其储能不低于储能满负荷的10％时：

21、关闭lng阀门、汽化器、再热器、lng燃料电池发生器、风机二、风机三；

22、关闭阀门二，打开风机一、阀门一、阀门三、阀门四和发动机电推装置，集装箱储能电池的舱内气流流经储热换热器加热后，直接从支路二返回至集装箱储能电池所在空间进行预加热，直至集装箱储能电池所在空间的温度高于20℃。

23、进一步地，系统处于第(3)种状态时，混合后的气流温度经回流的总路上的温度传感器进行检测，当气流温度处于25～30℃区间内，开启阀门四，将调配后的气流送往集装箱储能电池的箱体内部。

24、有益效果：

25、1、本技术利用储热换热器和蓄冰储冷换热器组建的热管理模块对lng发电模块和集装箱储能电池进行热管理，不仅可以调节系统状态，使得船舶运行状态不受极端工况的限制，还可有效减少船用冷冻水量和加热器的加热量，可起到节约能耗的效果，响应船舶领域节能减排的号召；

26、2、本技术在汽化器与蓄冰储冷换热器间构建储冷换热循环后，可减少后续气流调配过程中冷冻水的供应压力，可实现对lng冷能利用的最大化；

27、3、本技术在充分考虑集装箱储能电池的存储电量、lng燃料电池发生器所在密闭空间的温度、集装箱储能电池所在空间的温度这三个因素后采取不同的工作模式以对系统运行状况进行调控，使得船舶运行环境始终处于适宜稳定的状态，有助于帮助船舶应对极端工况，可拓宽船舶航行海域，减弱对船舶运行的限制。