【摘要】船舶属于国际物流的重要运输方式，目前船舶仍然是柴油机作为船舶的主要动力设备。作为船用的柴油机燃料，残渣型的燃料油往往会带来多种污染问题，自从“限硫令”提出之后，开发低能耗、低排放的新能源船舶显得非常重要。目前来看，船舶燃料中采用电池混合动力系统能够展现无污染、可再生、能量高密度等技术优势，在清洁能源领域有着相当显著的发展与研究前景，目前在陆地交通运输中燃料电池混合动力系统已经有了比较广泛的应用，但是在船舶系统方面的应用并不广泛。对此，为了进一步推动船舶运输产业低能耗、低污染性发展，本文简要分析船舶燃料电池混合动力系统的研究现状及发展前景，希望可以为相关工作者提供帮助。
【关键词】船舶；燃料电池；混合动力系统；研究现状；发展前景
0.引言
船舶动力系统中柴油发动机因为有着更高功率范围、更高效率以及容易维修保养等技术优势被广泛应用在民用与商用的船舶中，伴随着相关研究的不断发展，当前船舶用柴油机已经在
整个船舶动力系统中达到了80%以上的占比份额。汽车领域相比，因为船舶本身的造价相对比较高，装载燃料电池所呈现出的成本提升对于整体船舶成本的影响并不是非常明显，这对于燃料电池的应用提供了比较多的应用空间。燃料电池有着低排放、低噪声的特征，其对于一些特殊航性需求的船舶也有着比较高的实践应用价值，所以进一步强化对船舶燃料电池混合动力系统的应用显得格外重要。
1.船舶燃料电池混合动力系统的控制策略
混合动力系统属于燃料电池船舶的核心，混合动力系统的控制策略同样也是混合动力的研究重点。设计混合动力系统的控制策略，其目的在于合理的分配燃料电池、蓄电池等不同能源，从而延长燃料电池的使用寿命，提升动力系统的综合运行效率。整体而言，混合动力系统的控制策略主要有两种类型。
1.1混合动力系统控制策略
并提出混合发电系统的运行控制策略，近些年有关于风能、太阳能和燃料电池的组合形式，其可以基于风能为主要能源以太阳能作为补充能源，结合镍氢电池，通过状态机的控制策略，在满足变化条件时系统可以从一个状态转变为另一个状态，并基于状态变化实现对管理系统的控制。通过双向DC/DC变换器实现模糊的PID控制策略，其可以设计模糊控制器的两种输入量模糊规则，从而明确隶属的函数关系。在单模糊PID控制器时可以应用双向DC/DC变换器完成稳定的输出，从而获得比较好的动态化，可以有效验证模糊PID控制器，相对于经典PID控制器而言有着更好的抗干扰功能。结合电池和超级电容之间的组合，可以通过低通滤波器的分频和应用规则进行控制，可以将燃料电池、超级电容和蓄电池等之间进行组合，通过模糊逻辑的控制方式，可以采用模糊逻辑控制器、隶属度的函数结合功率设定具体规则完成对能量的有效分配和管理。
这一种控制策略的优势在于可以显著提升风能系统的作用，可以结合生物乙醇处理器降低整个控制系统的空间占用率，提高系统性能有着较高抗感染功能，可以实现精准性的滤波器参数与电容尺寸控制，可以有效降低的超级电容的尺寸，可以有效降低系统动态变化期间对于能源的负面影响[2]。但是也有一定缺陷，例如需要特定位置的风俗与太阳能辐射，存在地区局限性。需要模糊规则实现对输入与输出系数的调节，存在一定误差，无法解决
稳定性与鲁棒性的问题。
1.2基于优化智能算法的混合动力系统控制策略
结合优化智能算法的混合动力系统控制策略，可以基于机器学习、遗传算法等方式优化算法完成对混合动力系统的构建。有研究提出了关于组合电池、超级电容两种能源，并基于动态规则获得最佳控制策略，从而实现对能源的有效分配[3]。结合混合自动机的方式，可以在开发期间基于中压直流的电力系统，通过太阳能、燃料电池和柴油机等，通过最优方式完成控制，结合负载跟踪和循环充电的形式完成控制。另外，也有研究提出了能源管理的优化措施，基于开发的ToPTI工具，能够自动的发挥优化功能，促使燃料的消耗量得到有效控制。这一种控制策略的优势主要在于降低动力系统的生命周期、可以和其他再生能源系统进行结合并结合不同地区采取对应能源、降低混合动力系统模型的整体成本、系统性能可以维持在一定范围、可以降低混合动力系统生命周期的成本。缺陷在于应当更好平衡并降低初始成本，需要针对不同的能源采取对应的模拟参数，并且在算法编码不准确时可能会出现能耗问题。
2.混合动力系统分析
2.1混合动力系统能源
多种新能源的发展明显推动着船舶行业的转型发展，风能已经属于目前应用比较广泛的一种可再生能源，同时配套设施是也比较完善，但是风能往往存在地域局限性、间歇性等无法彻底消除的缺陷与不足，在船舶方面往往是以辅助动力系统为主。太阳能技术当前也有着比较广泛的应用，但是仍然存在空间占用率较高的问题，其无法作为船舶的新能源。氢能源在近些年交通运输领域有着比较广泛的应用，伴随着燃料电池游艇的成功开发，今后燃料电池船舶也会有更加理想的发展空间。
2.2控制策略
混合动力系统的控制策略主要优势和缺陷在于两个方面，结合规则的混合动力系统控制策略优势在于操作简单，其可以更好投入到生产实践过程中，同时也不需要的对控制对象构建完善的数学模型。缺陷在于混合动力系统的状态发生改变的情况下，无法做出及时的反馈与应对，所制定的规则也并不完善，同时缺乏科学的依据，普遍是基于人的经验进行计算，所以偏差风险相对较高。结合优化智能算法的混合动力系统，其控制策略在于提升混合动力系统的性能，提高可靠性。系统所形成的动力变化适应能力更强，同时缺陷在于复
杂程度更高，所以控制策略的实施难度也会更高，所以很难应用于实践中。
2.3发展趋势
从混合动力系统的应用现状来看，混合动力系统当前应用最为广泛的便是燃料电池、锂电池和超级电容等半自动的结构形式，这一种结构的优势明显，可以显著提升混合动力系统中不同能源的利用率，同时在今后各种新能源在整个能源系统中的占比也会随之提升。太阳能、风能和潮汐能等新能源在船舶方面的应用仍然处于初步研究阶段，在应用方面限制比较多，其中太阳能属于当前实验中应用比较多的新能源，但是太阳能当前仍然存在空间占比较高的问题，伴随着太阳能的研究新能源在船舶方面的应用必然会不断的突破。
当前应用比较多的两种控制策略都带有一定的优缺点，随着近些年人工智能算法的广泛应用，结合优化智能算法的控制措施有着更加广泛的应用价值，在近些年相关研究中，对于这一些控制策略往往很难投入到具体生产实践中，目前已经有研究者在应用基本规则的控制策略方面增加了优化算法，但是仍然存在许多问题，此时便需要针对控制策略进行优化改进，综合考虑多方面的影响因素并调整控制策略，从而提高电池综合控制效果。
3.总结
综上所述，近些年伴随着国内外清洁能源的快速、高效率发展，在船舶柴油机对于环境污染现状和相关法律、法规对于船舶污染、节能减排等方面的限制基本前提下，需要基于燃料电池作为船舶动力进行实验。从目前经验来看，系统动力配合和能量控制方面的研究并不成熟，基于燃料电池为主要参数的方针参数，搭配混合动力系统并设计控制策略显得非常重要，从而为船舶产业的节能化发展提供支持。
【参考文献】
[1]秦锋，刘毅科，李爽.ECMS在混合动力船舶电力系统中的应用[J].电子质量，2022，(03):145-149.
[2]孙晓军，宋恩哲，姚崇.船用混合动力推进系统能量管理系统关键技术研究现状[J].中国机械工程，2022，33(04):469-481+495.
[3]李利杰.船舶混合动力系统能量配置优化策略研究[J].舰船科学技术，2021，43(22):82-84.
发布评论