1.1 课题研究的目的及意义：

随着社会的发展，新能源正在席卷能源消费的各个领域。作为现代社会重要的交通工具，船舶也成为新能源化对象。近年来，随着全球环保意识的不断增强，海运业造成的气体排放污染（SO_x、NO_x、CO₂、颗粒物等）及水污染已经引起了广泛关注，IMO、欧盟等也不断出台相应法规，对各类污染进行控制。

据交通运输部统计，1973年至2014年，我国沿海地区共发生船舶溢油事故约3200起，总溢油量约42936吨，其中溢油量50吨以上的重大溢油事故91起。除了单次的突发性事件外，船舶航行带来的持续性环境污染也相当严重。进出港船舶虽然带来货物和经济发展，但也加剧了港口和周边地区的空气污染及水污染。经估算，仅全国运输船舶（不包括渔船），如果提高燃油品质，可使二氧化硫排放量每年削减约95万吨，PM排放每年削减约11万吨。环保部监测结果则显示，2013年全国船舶二氧化硫排放量约占全国排放总量的8.4%，氮氧化物排放量占11.3%。受船舶污染影响最大的是港口城市，其次是江河沿岸城市。

船舶污染的问题，在倡导清洁、绿色的今天显得非常突出。因此也引来了监管部门政策持续关注。此前交通部印发《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015-2020年）》，制定未来几年船舶与港口污染防治的时间表和路线图。根据规划，到2020年，珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶硫氧化物、氮氧化物、颗粒物与2015年相比大幅下降。同时，按照新修订的船舶污染物排放相关标准，2020年底前完成现有船舶改造，经改造仍不能达到要求的，限期予以淘汰。2016年5月1日起，经修订的《防治船舶污染内河水域环境管理规定》正式实施，规定新增对防治船舶污染大气的要求，明确船舶使用的燃料应当符合国家或地方有关标准之外，鼓励船舶使用清洁能源，并在船舶靠港后应当优先使用岸电，减少船舶靠泊时对港口城市造成的大气污染。整治船舶污染，首推船舶动力的电动化，而这在中短途运输、中小量运输的内河航运船舶上率先启动。

电动船舶由于可以大幅降低废气排放，甚至可以实现零排放，有望成为未来发展重点。然而目前储能技术和成本仍然制约着电动船舶的全面推广。随着动力电池技术的日益发展，锂离子动力电池表现出了强大的发展潜力，其具有无记忆效应、平台电压高、能量密度大、自放电率低和安全性高等众多优点，但是电动船舶在航行过程中不可避免地会遇到不同海况，锂离子电池虽有较高的能量密度，但是其功率密度相对较低，导致船舶行驶过程中电池不能有效地瞬时大电流充放电，影响整船工作效率，且对电池的损害较大，使其使用寿命缩短，从而造成续驶里程短的问题。因此电动船舶对储能系统的技术提出了更高的要求，单一电池很难满足船舶行驶需求，而超级电容是一种新型的储能设备，它在充放电过程中不发生化学反应，响应速度比普通储能元件快很多，而且它具有较高的功率密度，能进行瞬间大电流充放电，但是超级电容的能量密度较低，一般不能单独使用，故将其结合锂离子电池构成复合电源是解决储能技术的重要途径。

上述能量-功率型复合储能系统可以满足船舶变工况条件下航行的能量供给需求，能充分发挥锂离子电池的能量特性和超级电容的功率特性，除此之外良好的能量管理策略可以在稳定直流母线电压波动的同时，减少锂离子电池的频繁充放电，这对提高其使用寿命具有重要意义。本文主要研究能量-功率型复合储能系统的能量管理，通过有效的控制策略来提高系统的性能。

1.2 国内外研究现状：

目前，国内外电动船舶已取得很大进展。继我国500吨级纯电动驱动内河航运货船，2000吨级新能源电动自卸船相继下水营运之后，荷兰制造商Port Liner公司也从2018年8月起在阿姆斯特丹、安特卫普和鹿特丹等港口投放一批电动集装箱驳船，每艘驳船能够装载24～280TEU。随着国内外电动船舶的相继下水营运，一个船舶实现零排放的梦想正在逐步驶入现实。2000年，澳大利亚发明家罗伯特·戴恩研发了一艘混合动力商用客船“Solar Sailor”号太阳能渡船，它可以靠太阳、风、储存太阳能的蓄电池和一个备用的燃油发电机这四种能源进行运转，可驱动40kW的推进电机，最大航速为6kn。2010年，斯洛维尼亚和意大利共同研发GREENLINE33混合动力艇，该游艇混合了电池组、太阳能和柴油机动力，成功试航。2015年8月，荷兰轮船制造商Feadship推出了Savannah的游艇，这艘艇使用柴油发动机、混合用柴油机和电力、或者只使用电力三种工作方式航行，满足绿色环保的同时，提高了营运的经济效益。在国内电动船舶领域，2010年，由中国船舶重工集团702及712研究所联合设计的混合动力“尚德国盛”号游船在上海世博会首次亮相，采用太阳能和柴油机组为混合动力，表面的太阳能板供给推进蓄电池组充电，实现了真正意义上的绿色、环保、低碳的宗旨。2017年11月，广船国际有限公司建造一艘以双电（锂电池 超级电容）为混合动力纯电推进船舶，其主要航行于珠江内河水域，船舶在满载条件下，航速最高可达 12.8公里/小时，续航力可达80公里。上海瑞华集团自主研发的国内首套纯电动船舶驱动系统获得了中国船级社型式认可。2017年，由上海瑞华集团改造的500 吨级纯电动货船“瑞华1”号装载300吨钢板，首次重载试航已获得成功。据试航的船长介绍，船开起来没有什么噪声，加速性能好，制动也很快。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 课题研究内容及目标

1. 分析锂离子电池和超级电容的工作性能，选择其合适的配型，在Matlab/Simulink中搭建能量-功率型复合储能系统模型。

2. 对此复合储能系统选择一种合适的控制策略，对此控制策略进行研究分析，以改善复合储能系统在变工况下的动态性能。

3. 仿真验证储能系统控制策略的有效性和可靠性。

2.2 技术方案

2.2.1锂电池

锂电池通常分为两大类，即锂金属电池和锂离子电池。