内河渡船混合动力系统动力电池组存储能量与电池模块数量计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种内河渡船混合动力系统动力电池参数设计方法，尤其涉及推进功 率周期性变化的串联型混合动力系统动力电池组标称存储能量与电池模块数量计算方法。
【背景技术】
[0002] 混合动力技术，增强燃油经济性，减少废气和噪声等污染，有助于缓解能源环境问 题。船舶混合动力推进技术结合柴电动力推进和纯电池动力推进的优点，有效提升燃油经 济性能，减少船舶排放对大气的污染，同时增强船舶的续航能力。内河渡船的航线固定、推 进功率有规律的周期性变化，非常适用于柴油发电机和动力电池的混合动力推进。 在内河渡船混合动力系统中，动力电池是一种储能设备，辅助发电机提供推进动力或 存储发电机剩余电能，起着推进功率的"削峰填谷"作用，降低发电机的配置功率。根据船舶 推进功率需求，合理设计动力电池的参数，可以有效减小电池体积与重量，优化动力系统运 行效率，提升动力系统经济性。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种内河渡船混合动力系统动力电池组存储能量与电池模 块数量计算方法，通过该方法可以计算动力电池组存储的总能量、并联支路数和电池模块 总数，使动力系统既满足船舶航行需求又优化系统运行性能，提高内河渡船整体经济性。
[0004] 为了实现上述目的，本发明内河渡船混合动力系统动力电池组存储能量与电池模 块数量计算方法，其特征在于船舶推进动力由发电机和动力电池提供能量，船舶的航线固 定并且推进功率有规律的周期性变化。动力电池具有两种工况： (1) 当推进功率大于发电机输出功率时，动力电池处于放电状态与发电机同时提供推 进功率； (2) 当推进功率小于发电机输出功率时，发电机提供推进功率并将剩余功率向动力电 池充电。
[0005] 基于渡船经过一个单航次航行后动力电池存储的能量基本维持不变的约束条件， 根据单航次推进瞬时功率曲线和动力系统各设备效率，计算发电机输出的恒定功率。
[0006] 根据单航次推进瞬时功率曲线和发电机输出的恒定功率，计算动力电池组瞬时功 率曲线及其瞬时能量曲线，获得动力电池组需存储的有效能量值。 本发明的技术方案如下： 一种串联型混合动力系统动力电池组存储能量与电池模块数量计算方法，其特征在于 包括以下步骤： 一、计算混合动力系统多个功率流路径的效率： (1)发电机向推进电机供电时的动力系统效率nstr: Hstr - Hrect · Hinv · Hmot ( 1 ) 式中，nrect是AC/DC整流器效率;IUnv是DC/AC逆变器效率;n?t是推进电机效率， (2) 动力电池向推进电机供电时的动力系统效率ndis: Hdis - n.b,dis * Π-dcdc * Hinv * Hmot ( 2 ) 式中，nMis是电池放电效率;ndi是dc/dc变换器效率， (3) 发电机向动力电池充电时的动力系统效率rbh: Hch - Hrect * Π-dcdc * HbjCh ( 3 ) 式中，nb,Ch是电池充电效率； 二、 计算发电机输出的恒定功率： 动力电池组的工作状态不是充电就是放电两种，其瞬时功率PBatt(t)为：
式中，P+Batt(t)是推进器获得的电池放电功率，正值;pitt(t)是发电机输出的充电功 率，负值； 在渡船运行期间，包括航行与靠泊上下客，柴油发电机始终恒速运行输出恒定功率;当 推进功率大于发电机输出功率时，动力电池处于放电状态与发电机同时提供推进功率；当 推进功率小于发电机输出功率时，发电机提供推进功率并将剩余功率向动力电池充电；动 力系统功率平衡式为：
其中，Ppro(t)是单航次瞬时推进功率； 渡船经过一个单航次后，动力电池中的能量应与航行前相同，即：
将P+Batt ( t)和p-Batt ( t)作如下变换：
根据(4)和(5)，可得： PBatt( t)-Ppro(t)-PGen * Hstr (8) 将(8)与(7)代入(6)，可得：
根据单航次推进瞬时功率和系统效率，求出发电机输出功率Pk。 三、 计算动力电池组瞬时功率和标称存储能量 求得发电机输出功率Pce3n后，由（8)得到动力电池组单航次瞬时功率pBatt (t);对(8)作 积分运算，获得单航次中动力电池组瞬时能量EBatt(t); 根据动力电池组瞬时能量EBatt ( t )曲线，得到动力电池组能量单航次变化量AEBatt;考 虑动力电池的允许放电深度DoD，得到动力电池组标称存储能量EBatt:
四、计算动力电池组并联支路数与模块数量 (1) 按动力电池放电工况计算 假设电池模块的放电平均电压为Vm, dis，电池模块允许的放电电流为Im, dis，单航次放电 时间为tdis，则电池模块在单航次内放电释放的能量为： ^ Balt.dis -I m,Jis I m'dis tjn (13) 根据单航次放电能量，可得到电池模块数：
串联模块放电期间总电压Vsdls应不低于DC/DC变换器输入端最低允许电压Vmin,因 此，根据DC/DC电压要求，计算支路模块串联数为：
由放电工况得到并联支路数为：
由放电工况得到总模块数为： IlBatt, dis - BBatt, dis * Π Batt, dis (17) (2) 按动力电池充电工况计算 假设电池模块的充电平均电压为Vm, A，电池模块允许的充电电流为Im, A，单航次充电 时间为tch，则电池模块在单航次内充电获得的能量为：
根据单航次充电能量，可得到电池模块数：
串联模块充电期间总电压Vsch应不低于DC/DC变换器输入端最低允许电压Vmin,^;因 此，根据DC/DC电压要求，计算支路模块串联数为：
由充电工况得到并联支路数为：
由充电工况得到总模块数为： IlBatt, ch - BBatt,ch * Π Batt, ch ( 22 ) 五、计算动力电池组总并联支路数与模块数量 动力电池组既要满足放电工况，又要满足充电工况，因此，最终的动力电池组总并联支 路数为： BBatt - max ( BBatt, dis , BBatt, ch) ( 23 ) 最终的动力电池组总电池模块数为： IlBatt - max (IlBatt, dis , IlBatt, ch) ( 24 )
【附图说明】
[0007] 图1是本发明的内河渡船混合动力系统结构图； 图2是本发明的推进瞬时功率曲线； 图3是本发明的动力电池组瞬时功率曲线； 图4是本发明的动力电池组瞬时能量曲线；
【具体实施方式】
[0008] 如图1所示，本发明内河渡船混合动力系统结构包括动力系统控制器、柴油发电 机、AC/DC变流器、动力电池组、DC/DC变流器、直流母排、DC/AC变流器、推进电动机。 本发明的目的在于提供一种内河渡船混合动力系统动力电池组参数设计方法，包括以 下步骤： 1计算混合动力系统各功率流路径的效率 (1) 发电机向推进电机供电时的动力系统效率nstr: Hstr - Hrect * Π?ην * Hmot ( I ) 式中，nrect是AC/DC整流器效率;IUnv是DC/AC逆变器效率;IUt是推进电机效率。 (2) 动力电池向推进电机供电时的动力系统效率ndis: Hdis - n.b,dis * Π-dcdc * Hinv * Hmot ( 2 ) 式中，nMis是电池放电效率;ndi是dc/dc变换器效率。 (3) 发电机向动力电池充电时的动力系统效率rbh: Hch - Hrect * Π-dcdc * HbjCh ( 3 ) 式中，nb,Ch是电池充电效率。 2计算发电机输出的恒定功率 动力电池组的工作状态不是充电就是放电两种，其瞬时功率PBatt(t)为：
式中，P+Batt(t)是推进器获得的电池放电功率，正值;pitt(t)是发电机输出的充电功 率，负值。 在渡船运行期间，包括航行与靠泊上下客，柴油发电机始终恒速运行输出恒定功率。当 推进功率大于发电机输出功率时，动力电池处于放电状态与发电机同时提供推进功率；当 推进功率小于发电机输出功率时，发电机提供推进功率并将剩余功率向动力电池充电。因 此，动力系统功率平衡式为：
渡船经过一个单航次后，动力电池中的能量应与航行前相同，即：