一種基于氫燃料電池的船舶動力調控方法、裝置和系統與流程

本發明涉及氫燃料電池，尤其涉及一種基于氫燃料電池的船舶動力調控方法、裝置和系統。

背景技術：

1、隨著人們對環境保護意識的提高，對環境保護的要求也日趨嚴格。在航運業，重點提出了以船舶和港口為核心的減排對象，新能源船舶的發展是大勢所趨。然而，現有船舶動力系統存在三種動力型式，一是以柴油發動機、汽油發動機等內燃機作為動力源連接主軸驅動船舶；二是采用電動機產生動力推動船舶，電能來自船舶配置的大容量動力電池系統；三是采用內燃機作為增程器帶動發電機進行發電，發出的電能用于驅使電動機帶動船舶動作。

2、其中，內燃機直驅往往需使用大功率內燃機，造成大量廢氣排放，影響船舶所在地區環境；而內燃機增程電驅的方式增加了能量傳遞環節，但是能量效率相對較低，且因仍采用內燃機，因此sox、nox、co2及co等排放物依然大量存在；純電船舶動力性好，全能源鏈條下排放少，但缺點在于電池能量密度偏低且動力源單一，造成船舶續航里程偏低，而單一動力源則存在故障或風險問題，且動力電池價格較高，船東配置意愿不強。

技術實現思路

1、本發明提供了一種基于氫燃料電池的船舶動力調控方法、裝置和系統，以實現提高船舶能量傳輸效率，降低排放污染，同時解耦動力源的技術效果。

2、為了解決上述技術問題，本發明實施例提供了一種基于氫燃料電池的船舶動力調控方法，包括以下步驟

3、響應于輸出功率請求信號，檢測船舶當前航行狀態；

4、若所述船舶當前航行狀態為航行狀態，則解析所述輸出功率請求信號并實時檢測電池剩余電量，獲得對應輸出需求功率和所述電池剩余電量，繼而根據所述輸出需求功率和所述電池剩余電量生成電池調控指令和電機調控指令；

5、分別將所述電池調控指令和所述電機調控指令發送至電池控制模塊和電機控制模塊，以使所述電池控制模塊和所述電機控制模塊分別根據所述電池調控指令和所述電機調控指令調控氫燃料電池和動力電池以及電機運行參數。

6、本發明提供的船舶動力調控方法通過響應的的輸出功率請求信號，監測船舶的當前航行狀態，以此為基礎生成針對船舶當前航行狀態的動力調控指令，系統實現了基于實時輸出功率，動態調整船舶中各電池輸出功率，進而提高船舶對能量的利用率，以及船舶的續航里程。

7、若是系統檢測確定船舶當前航行狀態為航行狀態，即船舶處于正在航行的狀態，則系統將解析響應的輸出功率請求信號并檢測船舶動力電池的剩余電量，并根據解析檢測獲得的輸出需求功率和電池剩余電量生成電池調控指令和電機調控指令。系統通過解析輸出功率請求信號獲得輸出需求功率，確定船舶當前所需的輸出功率，提高了后續生成的調控指令的精確性。通過檢測船舶動力電池的剩余電量確定船舶當前的運行工況，并根據工況的不同對船舶各個電池模塊發送不同的調控指令，以此確保氫燃料電池得以工作在中高負荷區間，避免因長時間低負荷運行及頻繁啟停從而導致使用壽命的降低。

8、而對船舶中各動力源包括氫燃料電池、動力電池和電機進行模塊化，使得船舶的動力源得以適配不同功率需求的船舶應用場景，提高了系統的互換性和可靠性，同時模塊化的設計不僅實現了系統的解耦，還實現了系統的可拓展性，增強了系統的魯棒性。

9、作為優選例子，所述檢測船舶當前航行狀態，還包括：

10、若所述船舶當前航行狀態為靠港狀態，則檢測船舶的所述燃料電池的氫燃料電池運行狀態；

11、若所述氫燃料電池運行狀態為停止狀態，則實時監測所述動力電池的運行狀態，直到所述船舶當前航行狀態發生改變；

12、若所述氫燃料電池運行狀態為運行狀態，則實時監測所述動力電池的所述電池剩余電量，并根據所述電池剩余電量調控所述氫燃料電池。

13、當系統檢測確定船舶的當前航行狀態為靠港狀態，即船舶處于停靠于港口的狀態，則將進一步檢測船舶的氫燃料電池運行狀態，確定氫燃料電池當前是否正在運行。若是檢測氫燃料電池當前不在運行，則說明船舶通過動力電池連接岸電維持船舶設備運行，則系統只需監測動力電池的運行狀態，直到船舶改變其當前航行狀態；而若是監測確定氫燃料電池當前處于運行狀態，則說明船舶此時通過氫燃料電池和動力電池一同維持設備運行，則需要根據動力電池的剩余電量對氫燃料電池進行調控，以避免氫燃料電池長期處于低負荷運行狀態導致頻繁啟停，影響氫燃料電池壽命。

14、作為優選例子，所述根據所述輸出需求功率和所述電池剩余電量生成電池調控指令和電機調控指令，具體包括：

15、當所述電池剩余電量處于第一區間時，則所述電池調控指令為關閉所述氫燃料電池，并根據所述輸出需求功率調整所述動力電池，而所述電機調控指令為根據所述輸出需求功率調整所述電機運行參數；

16、當所述電池剩余電量不處于第一區間時，則根據所述電池剩余電量和所述輸出需求功率生成所述電池調控指令，而所述電機調控指令為根據所述輸出需求功率調整所述電機運行參數。

17、系統在生成調控指令時，首先將對動力電池的剩余電量進行區間確定，若其仍處于第一區間，則說明動力電池中的是剩余電量處于較為飽和狀態，無需開啟氫燃料電池，而僅依靠動力電池便可帶動船舶的電力設備運行，因此系統將關閉氫燃料電池，并根據輸出需求功率調整動力電池，以此節省氫燃料電池的運行消耗。若剩余電量不處于第一區間，則說明動力電池的剩余電量已不處于飽和狀態，即動力電池無法獨立帶動船舶的電力設備運行，需要氫燃料電池的輔助。

18、而無論剩余電量是否處于第一區間，系統都將根據輸出需求功率調整電機的運行參數，即無論動力電池和氫燃料電池的輸出功率是否足以支撐船舶正常航行，電機都將處于開啟狀態，用于實時采集船舶制動時產生的制動能量以供船舶上電力設備的運行，同時也節省了動力電池和氫燃料電池的能量消耗。

19、作為優選例子，所述當所述電池剩余電量不處于第一區間時，根據所述電池剩余電量和所述輸出需求功率生成所述電池調控指令，具體包括：

20、當所述電池剩余電量處于第二區間時，則將所述輸出需求功率與額定功率進行對比，并根據對比結果調整所述氫燃料電池的運行功率和運行數量；

21、當所述電池剩余電量處于第三區間時，則將所述氫燃料電池的運行功率調整為所述額定功率，并將船舶中各所述氫燃料電池的運行狀態均調整為開啟狀態。

22、而在確定動力電池的剩余電量不處于第一區間之后，系統則需要對剩余電量進行進一步判斷，即確定其處于第二區間還是第三區間，若是確定其處于第二區間，則將對比輸出需求功率和每個氫燃料電池的額定功率，再根據對比結果調整氫燃料電池的運行功率和運行數量。是由于此時動力電池的剩余電量還處于正常但不足以支撐整個船舶所有設備的電力運行，因此需要根據輸出需求功率與氫燃料電池的額定功率之間的差值確定氫燃料電池的開啟數量以及運行輸出功率。

23、而若是確定剩余電量處于第三區間，則系統直接將氫燃料電池的運行功率調整為額定功率，并將船舶中所有的氫燃料電池均調整為開啟狀態。是由于此時動力電池的剩余電量已處于不足階段，不僅需要開啟氫燃料電池，且由于此時動力電池已無法提供更多的電力支撐，因此系統將直接開啟船舶上所有氫燃料電池，并將其運行功率直接調整為額定功率，以此確保船舶不會因為動力電池無法支撐而被迫停航。

24、作為優選例子，所述將所述輸出需求功率與額定功率進行對比，并根據對比結果調整所述氫燃料電池的運行功率和運行數量，具體包括：

25、當所述對比結果為所述輸出需求功率小于或等于所述額定功率時，則將所述氫燃料電池的運行功率調整為所述輸出需求功率，并將所述運行數量調整為一；

26、當所述對比結果為所述輸出需求功率大于所述額定功率時，則根據所述輸出需求功率計算獲得第一輸出功率，并將所述運行功率調整為所述第一輸出功率，繼而根據所述第一輸出功率計算獲得第一數值，將所述運行數量調整為所述第一數值。

27、當對比結果為輸出需求功率小于或等于額定功率時，則說明一臺氫燃料電池即可實現對動力電池剩余電量缺口的補充，則系統只需開啟一臺氫燃料電池并將其運行功率調整為輸出需求功率即可；而若是對比結果為輸出需求功率大于額定功率，則說明一臺氫燃料電池不足以補充船舶此時的電量缺口，需要根據輸出需求功率計算第一輸出功率，并根據第一輸出功率確定需要開啟的氫燃料電池數量。

28、作為優選例子，在所述分別將所述電池調控指令和所述電機調控指令發送至電池控制模塊和電機控制模塊之后，還包括：

29、分別采集所述電池調控指令和所述電機調控指令，以及船舶對應的運行負載數據，并將采集的調控指令和所述運行負載數據存儲于負載調控數據庫中；

30、將所述負載調控數據庫中的數據輸入至預設的機器學習模型，以使所述機器學習模型對輸入的數據進行訓練，并在訓練中對關鍵數據進行標注，直到訓練結果達到預設訓練結束要求后，將訓練后模型作為負載預測模型輸出；

31、實時采集船舶的當前負載數據，并將所述當前負載數據輸入至所述負載預測模型中，以使所述負載預測模型輸出相應預測負載和預測調控指令。

32、為了提高系統對氫燃料電池、動力電池和電機的調控效率，以及各電池的響應速度，本發明實施例還提供了一種模型預測調控方法，通過采集系統輸出的調控指令以及對應時段船舶的負載變化數據，并將其存儲于系統負載調控數據庫中。繼而在系統需要時，從負載調控數據庫中調取包括調控指令和負載數據在內的各項調控數據輸入至機器學習模型中，以使模型對輸入的數據進行訓練學習，并在訓練結束后將模型作為負載預測模型進行輸出。

33、進而在系統需要時，實時采集船舶的當前負載數據輸入至負載預測模型中，使得模型輸出預測負載以及對應的預測調控指令。通過對船舶的負載變化進行模型預測，解決了氫燃料電池的介質供給速率難以跟隨負載變化的問題，同時根據預測的負載變化輸出對應預測調控指令，則實現了對船舶電堆反應所需空氣和氫氣的提前調節，縮短了系統對變化負載的響應時間，降低了系統因調節穩態而出現故障報警的幾率。進一步的，預測負載和預測調控指令還提高了系統的智能化程度，降低了船舶航行出現故障的概率。

34、相應的，本發明實施例還提供了一種基于氫燃料電池的船舶動力調控裝置，所述船舶動力調控裝置包括信號響應模塊、指令生成模塊和指令執行模塊；

35、其中，所述信號響應模塊用于響應于輸出功率請求信號，檢測船舶當前航行狀態；

36、所述指令生成模塊用于若所述船舶當前航行狀態為航行狀態，則解析所述輸出功率請求信號并實時檢測電池剩余電量，獲得對應輸出需求功率和所述電池剩余電量，繼而根據所述輸出需求功率和所述電池剩余電量生成電池調控指令和電機調控指令；

37、所述指令執行模塊用于分別將所述電池調控指令和所述電機調控指令發送至電池控制模塊和電機控制模塊，以使所述電池控制模塊和所述電機控制模塊分別根據所述電池調控指令和所述電機調控指令調控氫燃料電池和動力電池以及電機運行參數。

38、作為優選例子，所述船舶動力調控裝置還包括模型訓練模塊；

39、其中，所述模型訓練模塊用于分別采集所述電池調控指令和所述電機調控指令，以及船舶對應的運行負載數據，并將采集的調控指令和所述運行負載數據存儲于負載調控數據庫中；

40、將所述負載調控數據庫中的數據輸入至預設的機器學習模型，以使所述機器學習模型對輸入的數據進行訓練，并在訓練中對關鍵數據進行標注，直到訓練結果達到預設訓練結束要求后，將訓練后模型作為負載預測模型輸出；

41、實時采集船舶的當前負載數據，并將所述當前負載數據輸入至所述負載預測模型中，以使所述負載預測模型輸出相應預測負載和預測調控指令。

42、相應的，本發明實施例還提供了一種基于氫燃料電池的船舶動力調控系統，所述船舶動力調控系統包括存儲器、處理器以及存儲在所述存儲器上并在所述處理器上運行的計算機程序，所述處理器處理所述計算機程序時實現yi?shang任一項所述的一種基于氫燃料電池的船舶動力調控方法。

43、相應的，本發明實施例還提供了一種存儲介質，所述存儲介質上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器調用并執行，實現以上任一項所述的一種基于氫燃料電池的船舶動力調控方法。