船用集装箱储能电池电力推进系统及控制方法

1.本发明属于船舶控制技术领域，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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.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。
7.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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.进一步地，集装箱储能电池的箱体上连接有新风风机。
13.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。
14.上述船用集装箱储能电池电力推进系统的控制方法如下：
15.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；
16.(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；
17.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；
18.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；
19.(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；
20.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℃；
21.(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：
22.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；
23.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；
24.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；
25.(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：
26.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；
27.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℃。
28.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。
29.有益效果：
30.1、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；
31.2、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；
32.3、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。
附图说明
33.图1是船用集装箱储能电池电力推进系统的结构示意图；
34.其中，11-lng储罐，12-汽化器，13-再热器，14-lng燃料电池发生器，15-lng阀门；
35.21-集装箱储能电池，22-发动机电推装置；
36.211-新风风机；
37.31-蓄冰储冷换热器，32-pcm储热换热器，33-风机二，34-风机三，35-总路，36-支路一，37-汇流器，38-支路二，39-风机一；
38.351-阀门一，352-温度传感器，353-阀门四；
39.361-阀门二；
40.381-阀门三。
具体实施方式
41.下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
42.实施例1、船用集装箱储能电池电力推进系统
43.为了进一步提升船用电力推进系统的经济性和节能环保性能，并合理优化对储能电池的热管理工作，使得船舶运行不受极端工况的限制，最终提高船舶运行过程的可靠性，本实施例中公开一种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发电模块与电力推进模块连接以进行电力存储，lng发电模块和电力推
进模块均与热管理模块相接以实现热量循环。
44.lng发电模块包括顺次相接的lng储罐11、汽化器12、再热器13和lng燃料电池发生器14，在lng储罐11和汽化器12的连接管路上设有控制流量用的lng阀门15。
45.lng发电模块的工作原理是：lng阀门15开启后，lng储罐11中存储的液态天然气进入汽化器12低压气化，汽化后形成的气态天然气经过管路被送入再热器13进行温度的调节，气态天然气被加热到适宜的温度后被送往lng燃料电池发生器14以将天然气的化学能转化为电能，电能经过线缆被送入电力推进模块进行存储。
46.电力推进模块包括集装箱储能电池21和发动机电推装置22，集装箱储能电池21通过高压电缆与lng燃料电池发生器14连接以存储上游产生的电能，集装箱储能电池存储的电量用于驱动发动机电推装置22运行。
47.热管理模块包括蓄冰储冷换热器31和pcm储热换热器32，在蓄冰储冷换热器31和汽化器12间构建储冷换热循环，lng储罐11中的液体天然气通过汽化器12汽化产生冷量，蓄冰储冷换热器31的冷端通过介质乙二醇吸收汽化器12中的冷量，蓄冰储冷换热器31中的介质水完成蓄冰过程。
48.pcm储热换热器32与再热器13和lng燃料电池发生器14间分别构建换热循环以将pcm储热换热器32存储的热量输送给相应结构，pcm储热换热器32与lng燃料电池发生器14间构建的换热循环管路上设有风机二33、pcm储热换热器32与再热器13间构建的换热循环管路上设有风机三34；pcm储热换热器32和集装箱储能电池21间也构建有换热循环通路，集装箱储能电池21中流出的气体从总路35流入pcm储热换热器32进行热交换后分别经由两条支路返回，支路一36中的气流通入蓄冰储冷换热器31降温后流入汇流器37，支路二38中的气流直接汇集到汇流器37、并与支路一36中的气流按比例调配后从总路35返回集装箱储能电池21的箱体中。在出流的总路35上顺着气体流通方向依次设有风机一39和阀门一351，风机主要用于帮助气流在相应设备间快速建立起循环，提高换热效率，支路一36以及支路二38上分别设有阀门二361和阀门三381，通过对阀门二361和阀门三381开度的调节可对汇集到汇流器37的冷热气流进行调配；在回流的总路35上顺着气体流通方向依次设有温度传感器352和阀门四353，温度传感器352用于检测汇流后的气流温度以控制阀门四353的开闭，以保证回流到集装箱储能电池21的箱体中的气流处于合适的温度区间。
49.为了对lng燃料电池发生器14和集装箱储能电池21所在空间的温度进行实时监测，以及时调整热管理模块的运行模式，lng燃料电池发生器14和集装箱储能电池21所在箱体内分别设有温度传感设备，温度传感设备与外部主控制器电连接，温度传感设备用于感测lng燃料电池发生器14和集装箱储能电池21内部的温度信息，并反馈给主控制器，由主控制器操纵各元件进行有序运转。
50.为改善集装箱储能电池21所在空间内的气体环境，集装箱储能电池21外接有新风风机211。
51.为了方便在端部对整个系统的运作状态进行整体调控，本系统中所用到的各电性元件均与主控制器电性连接以提高运行过程的流畅性，系统中所用到的阀门也都为电子阀门，方便通过主控制器对阀门开度进行调节。
52.上述系统的控制方法如下：
53.控制过程需依据集装箱储能电池21的存储电量、lng燃料电池发生器14所在密闭
空间的温度、集装箱储能电池21所在空间的温度进行调整。
54.(1)当lng燃料电池发生器14所在密闭空间的温度高于20℃且集装箱储能电池21的电量低于储能满负荷的10％时：lng阀门15、汽化器12、再热器13、lng燃料电池发生器14、蓄冰储冷换热器31全部打开，汽化器12内产生的冷量通过介质乙二醇与蓄冰储冷换热器31内的水进行换热，lng燃料电池发生器14将天然气的化学能转化为电能后由集装箱储能电池21进行电力存储；
55.此时，风机三34打开，再热器13的热端工作介质流经pcm储热换热器32完成吸热过程再返回再热器13形成循环，利用pcm储热换热器32为再热器13提供热量；
56.此状态下，风机一39、风机二33和新风风机211均关闭，阀门一351、阀门二361、阀门三381和阀门四353均处于关闭状态，发动机电推装置22不启动；
57.(2)当lng燃料电池发生器14所在密闭空间温度低于20℃且集装箱储能电池21电量低于储能满负荷的10％时：风机一39和新风风机211均处于关闭状态，阀门一351、阀门二361、阀门三381和阀门四353也均处于关闭状态，发动机电推装置22不启动；
58.lng阀门15、汽化器12、再热器13、lng燃料电池发生器14、蓄冰储冷换热器31和风机三34均关闭，风机二33开启，lng燃料电池发生器14所在密闭空间的空气流入pcm储热换热器32进行预加热；当检测到lng燃料电池发生器14所在密闭空间温度高于20℃时，关闭风机二33，打开lng阀门15、汽化器12、再热器13、lng燃料电池发生器14、蓄冰储冷换热器31和风机三34，蓄冰储冷换热器31正常储冷，pcm储热换热器32为再热器13的热端介质供热，集装箱储能电池21开始储电；
59.(3)当船运行时集装箱储能电池21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：
60.关闭lng阀门15、汽化器12、再热器13、lng燃料电池发生器14、风机二33、风机三34、阀门四353；
61.新风风机211、发动机电推装置22、风机一39、阀门一351、阀门二361、阀门三381全部打开；
62.集装箱储能电池21的箱体内产生的高温空气通过风机一39流至pcm储热换热器32中进行换热，完成相变储热，流出的气流分别流入支路一36和支路二38，支路一36中的气流流入蓄冰储冷换热器31进行热交换以进一步降温，支路二38中的气流直接通入汇流器37中与从蓄冰储冷换热器31流出的低温气流混合；通过调节阀门二361和阀门三381的开度将混合气流的温度调配至适宜的区间，当温度传感器352检测到汇流后的气流温度处于25～30℃这一区间之后开启阀门四353，将调配后的气流送往集装箱储能电池21的箱体内部；
63.(4)当船需要运行时集装箱储能电池21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：
64.关闭lng阀门15、汽化器12、再热器13、lng燃料电池发生器14、风机二33、风机三34；
65.关闭阀门二361，打开风机一39、阀门一351、阀门三381、阀门四353和发动机电推装置22、集装箱储能电池21的舱内空气流经pcm储热换热器32加热后，直接从支路二38返回至集装箱储能电池21所在空间进行预加热，直至集装箱储能电池21所在空间的温度高于20℃。
66.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种船用集装箱储能电池电力推进系统，其特征在于，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，汇流器中的气流经总路返回集装箱储能电池的箱体中。2.如权利要求1所述的船用集装箱储能电池电力推进系统，其特征在于，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。3.如权利要求1所述的船用集装箱储能电池电力推进系统，其特征在于，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。4.如权利要求1所述的船用集装箱储能电池电力推进系统，其特征在于，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控制回流的温度，在回流的总路上设有温度传感器和阀门四。5.如权利要求1所述的船用集装箱储能电池电力推进系统，其特征在于，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。6.如权利要求1所述的船用集装箱储能电池电力推进系统，其特征在于，集装箱储能电池的箱体上连接有新风风机。7.如权利要求1所述的船用集装箱储能电池电力推进系统，其特征在于，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。8.如权利要求1-7中任一项所述的船用集装箱储能电池电力推进系统的控制方法，其特征在于，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；(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；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；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；(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；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℃；(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：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；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；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；(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：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；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℃。9.如权利要求8所述的船用集装箱储能电池电力推进系统的控制方法，其特征在于，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。

技术总结
本发明公开一种船用集装箱储能电池电力推进系统及控制方法，属于船舶控制技术领域，系统包括LNG发电模块、电力推进模块和热管理模块；电力推进模块与LNG发电模块连接以实现电能存储；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。该系统在综合考虑对LNG冷能的利用问题的基础上还对系统余热进行了有效利用，因而具有显著的节能性和经济性，设计热管理模块后可对船舶运行方式进行智能化调控，使得船舶运行过程中能自如应对不同工况，有助于拓宽船舶航行海域。域。域。


技术研发人员：吴重天 袁小璐 仇程慧 吴林煦 杨家铭 陈育平 施红 蔡玉飞
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.01.09
技术公布日：2023/6/12