摘 要

本文主要对双电型纯电动船舶的能量管理进行分析。传统的推进方式是原动机直接推动。而现在的电力推进系统可以通过电动机驱动螺旋桨。电力推进系统具有很多优势，譬如：经济性好，操作灵活，机动性好，原动机与螺旋桨间无硬性机械连接，污染小等等。这些优点是航运业关注的焦点。在船舶的航行状态中，不同的工况下，功率需求不同，负载变化频繁，易导致各种问题，对船舶动力装置造成影响，影响船舶电网的稳定性和可靠性。本文研究以铁锂电池和超级电容为储能装置的纯电动船舶，分析负载波动，研究相应的能量管理策略，满足系统的能量需求。本文以100客座的游船为母型，分析研究这艘船舶的试航报告，选用能量预测方法，进而选用模糊控制策略达到对储能装置的控制。对控制策略模型进行研究和仿真，对仿真结果进行分析，进而使该能量管理策略能够有效地对能量进行管理。

关键词： 纯电动船舶，铁锂电池和超级电容，预测方法，模糊控制，功率分配

Abstract

This paper mainly analyzes the energy management of double electric type electric propulsion ship. The traditional way is directly by the propulsion of prime mover,but the electric motor promotes the propeller in the propulsion system . The electric propulsion system has many advantages, such as good economy, flexible operation, good maneuverability,no mechanical connection between the original motive and the propeller , less pollution and so on. These advantages are the focus of the shipping industry. In a state of ship sailing, different conditions, different power requirements, the change of load frequently, can easily lead to a variety of problems,affect ship power plants and the stability and reliability of the grid. This paper analyses lithium iron battery and super capacitor energy storage device in pure electric ship, and tries to decrease the affection of the load fluctuation ,and writes a little about the energy management strategy , which is to meet the energy needs of ship. This paper uses 500 tons cargo as a example and analyses the trial report the ship,and try to establish the easy energy prediction the model, and then uses the fuzzy control strategy to control the energy storage device. By analyzing the control strategy model and simulation results ,the energy management strategy can effectively manage the energy.

Key Words：pure electric ship,iron and lithium batteries and super capacitors,method of prediction ,fuzzy control,power allocation

目 录

第1章绪论 1

1.1选题研究的目的和意义 1

1.2国内外的研究现状 1

1.3本文研究的主要内容 3

第2章 双电型纯电动船舶的储能装置 4

2.1 铁锂电池的特性分析 4

2.1.1铁锂电池的基本构成及工作原理 4

2.1.2充放电特性 4

2.1.3铁锂电池的容量特性 6

2.1.4铁锂电池的内阻特性 7

2.2超级电容的特性分析 7

2.2.1超级电容的工作原理 7

2.2.2超级电容的充放电特性 8

2.3铁锂电池和超级电容装置的特性 9

2.4本章小结 9

第3章 双电型纯电动船舶的能量预测方法 10

3.1双电型纯电动船舶的不同工况 10

3.2双电型纯电动船舶的能量预测方法 10

3.3本章小结 12

第4章 双电型纯电动船舶的模糊控制研究 14

4.1模糊逻辑控制的概述 14

4.2模糊逻辑控制系统的组成 14

4.3 模糊逻辑控制策略的设计 14

4.4模糊逻辑控制器的设计 15

4.4.1模糊控制器的结构 15

4.4.2输入和输出隶属函数的确定 15

4.4.3论域和模糊子集的确定 16

4.4.4模糊规则的设计 17

4.4.5模糊逻辑工具箱 19

4.5本章小结 21

第5章 控制策略模型的构建与分析 22

5.1控制策略模型的构建 22

5.2仿真与分析 26

5.3本章小结 33

第6章总结与展望 34

6.1总结 34

6.2展望 35

参考文献 35

致谢 36

第1章绪论

1.1选题研究的目的和意义

船舶的动力从开始的人力，到后来的帆船，人们学会借助大自然的力量—风力为船舶提供前行动力，中国是世界上造船航海历史最悠久的国家之一，唐代对外贸易的商船直达波斯湾和红海之滨，所经航路被誉为“海上丝绸之路”。再到后来蒸汽机的出现使船舶动力发生了革命性的变化，十九世纪初到二十世纪初，蒸汽机是世界航运船舶最重要的原动机，船舶使用蒸汽机提供的巨大动力，使人们有可能建造越来越大的船，为人们的活动更加便利。经过发展，蒸汽机逐渐被蒸汽轮机、柴油机所取代。目前船舶的动力系统主要有以下几种方式：蒸汽轮机、柴油机、燃气轮机、电力推进系统、核动力、联合装置。电力推进系统已经成为船舶行业关注的重点，这种推进方式相对于传统的推进方式^[1]具有明显的优势，排放少，对环境污染小，能耗较低，原动机与螺旋桨之间无机械连接，而且操作非常灵活，机动性能好，且易于获得理想的拖动特性^[2]，但是这样也导致对船舶的维护工作有了更高的要求，需要技术水平高的人。工业化进程对环境造成了巨大的污染，对人的生存，社会的可持续发展，生态，财产造成严重的危害。譬如：严重的雾霾对人的健康问题不利，水资源短缺对人类生存不利。近几年，由于雾霾天气的频繁出现，对人们的生活造成了不便，引起的人们的广泛重视。人们对环境污染的严重性有了切实的体会，节能减排，减少对环境的污染，是迫切的现实需求。电力推进系统凭借其优势，被广泛应用在船舶上^[3-5]。纯电动船舶能够更有效地减少对环境污染，符合当代社会的需求。

选用铁锂电池 超级电容这种储能装置为船舶提供能量，最大可能的减少了对河流、海洋环境的污染。国际海事组织和发达国家对防止船舶造成污染的要求不断提高：（1）建立海洋硫排放控制区（2）控制近岸船舶排放（3）控制船舶排气污染。另一方面，铁锂电池近年来发展迅速，在很多场合中被广泛应用，性能可以满足使用的要求。1990年，索尼公司率先在实验室推出了以LiCoO₂为正极材料的锂离子电池，在过去几十年中被广泛应用在通信、国家电网及电动汽车等多种行业。国外的公司已经研发出了通过劳式船级社认证的电池，是目前最安全的商业应用电池。选用新型的储能装置来给船舶提供能量也是减少污染，适应新趋势的发展。