本發(fā)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(dòng)力調(diào)控方法、裝置和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求也日趨嚴(yán)格。在航運(yùn)業(yè)，重點(diǎn)提出了以船舶和港口為核心的減排對(duì)象，新能源船舶的發(fā)展是大勢(shì)所趨。然而，現(xiàn)有船舶動(dòng)力系統(tǒng)存在三種動(dòng)力型式，一是以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)等內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源連接主軸驅(qū)動(dòng)船舶；二是采用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力推動(dòng)船舶，電能來自船舶配置的大容量動(dòng)力電池系統(tǒng)；三是采用內(nèi)燃機(jī)作為增程器帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，發(fā)出的電能用于驅(qū)使電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)船舶動(dòng)作。

2、其中，內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)往往需使用大功率內(nèi)燃機(jī)，造成大量廢氣排放，影響船舶所在地區(qū)環(huán)境；而內(nèi)燃機(jī)增程電驅(qū)的方式增加了能量傳遞環(huán)節(jié)，但是能量效率相對(duì)較低，且因仍采用內(nèi)燃機(jī)，因此sox、nox、co2及co等排放物依然大量存在；純電船舶動(dòng)力性好，全能源鏈條下排放少，但缺點(diǎn)在于電池能量密度偏低且動(dòng)力源單一，造成船舶續(xù)航里程偏低，而單一動(dòng)力源則存在故障或風(fēng)險(xiǎn)問題，且動(dòng)力電池價(jià)格較高，船東配置意愿不強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于氫燃料電池的船舶動(dòng)力調(diào)控方法、裝置和系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)提高船舶能量傳輸效率，降低排放污染，同時(shí)解耦動(dòng)力源的技術(shù)效果。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于氫燃料電池的船舶動(dòng)力調(diào)控方法，包括以下步驟

3、響應(yīng)于輸出功率請(qǐng)求信號(hào)，檢測(cè)船舶當(dāng)前航行狀態(tài)；

4、若所述船舶當(dāng)前航行狀態(tài)為航行狀態(tài)，則解析所述輸出功率請(qǐng)求信號(hào)并實(shí)時(shí)檢測(cè)電池剩余電量，獲得對(duì)應(yīng)輸出需求功率和所述電池剩余電量，繼而根據(jù)所述輸出需求功率和所述電池剩余電量生成電池調(diào)控指令和電機(jī)調(diào)控指令；

5、分別將所述電池調(diào)控指令和所述電機(jī)調(diào)控指令發(fā)送至電池控制模塊和電機(jī)控制模塊，以使所述電池控制模塊和所述電機(jī)控制模塊分別根據(jù)所述電池調(diào)控指令和所述電機(jī)調(diào)控指令調(diào)控氫燃料電池和動(dòng)力電池以及電機(jī)運(yùn)行參數(shù)。

6、本發(fā)明提供的船舶動(dòng)力調(diào)控方法通過響應(yīng)的的輸出功率請(qǐng)求信號(hào)，監(jiān)測(cè)船舶的當(dāng)前航行狀態(tài)，以此為基礎(chǔ)生成針對(duì)船舶當(dāng)前航行狀態(tài)的動(dòng)力調(diào)控指令，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)時(shí)輸出功率，動(dòng)態(tài)調(diào)整船舶中各電池輸出功率，進(jìn)而提高船舶對(duì)能量的利用率，以及船舶的續(xù)航里程。

7、若是系統(tǒng)檢測(cè)確定船舶當(dāng)前航行狀態(tài)為航行狀態(tài)，即船舶處于正在航行的狀態(tài)，則系統(tǒng)將解析響應(yīng)的輸出功率請(qǐng)求信號(hào)并檢測(cè)船舶動(dòng)力電池的剩余電量，并根據(jù)解析檢測(cè)獲得的輸出需求功率和電池剩余電量生成電池調(diào)控指令和電機(jī)調(diào)控指令。系統(tǒng)通過解析輸出功率請(qǐng)求信號(hào)獲得輸出需求功率，確定船舶當(dāng)前所需的輸出功率，提高了后續(xù)生成的調(diào)控指令的精確性。通過檢測(cè)船舶動(dòng)力電池的剩余電量確定船舶當(dāng)前的運(yùn)行工況，并根據(jù)工況的不同對(duì)船舶各個(gè)電池模塊發(fā)送不同的調(diào)控指令，以此確保氫燃料電池得以工作在中高負(fù)荷區(qū)間，避免因長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行及頻繁啟停從而導(dǎo)致使用壽命的降低。

8、而對(duì)船舶中各動(dòng)力源包括氫燃料電池、動(dòng)力電池和電機(jī)進(jìn)行模塊化，使得船舶的動(dòng)力源得以適配不同功率需求的船舶應(yīng)用場(chǎng)景，提高了系統(tǒng)的互換性和可靠性，同時(shí)模塊化的設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的解耦，還實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可拓展性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。

9、作為優(yōu)選例子，所述檢測(cè)船舶當(dāng)前航行狀態(tài)，還包括：

10、若所述船舶當(dāng)前航行狀態(tài)為靠港狀態(tài)，則檢測(cè)船舶的所述燃料電池的氫燃料電池運(yùn)行狀態(tài)；

11、若所述氫燃料電池運(yùn)行狀態(tài)為停止?fàn)顟B(tài)，則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述動(dòng)力電池的運(yùn)行狀態(tài)，直到所述船舶當(dāng)前航行狀態(tài)發(fā)生改變；

12、若所述氫燃料電池運(yùn)行狀態(tài)為運(yùn)行狀態(tài)，則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述動(dòng)力電池的所述電池剩余電量，并根據(jù)所述電池剩余電量調(diào)控所述氫燃料電池。

13、當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)確定船舶的當(dāng)前航行狀態(tài)為靠港狀態(tài)，即船舶處于?？坑诟劭诘臓顟B(tài)，則將進(jìn)一步檢測(cè)船舶的氫燃料電池運(yùn)行狀態(tài)，確定氫燃料電池當(dāng)前是否正在運(yùn)行。若是檢測(cè)氫燃料電池當(dāng)前不在運(yùn)行，則說明船舶通過動(dòng)力電池連接岸電維持船舶設(shè)備運(yùn)行，則系統(tǒng)只需監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池的運(yùn)行狀態(tài)，直到船舶改變其當(dāng)前航行狀態(tài)；而若是監(jiān)測(cè)確定氫燃料電池當(dāng)前處于運(yùn)行狀態(tài)，則說明船舶此時(shí)通過氫燃料電池和動(dòng)力電池一同維持設(shè)備運(yùn)行，則需要根據(jù)動(dòng)力電池的剩余電量對(duì)氫燃料電池進(jìn)行調(diào)控，以避免氫燃料電池長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)導(dǎo)致頻繁啟停，影響氫燃料電池壽命。

14、作為優(yōu)選例子，所述根據(jù)所述輸出需求功率和所述電池剩余電量生成電池調(diào)控指令和電機(jī)調(diào)控指令，具體包括：

15、當(dāng)所述電池剩余電量處于第一區(qū)間時(shí)，則所述電池調(diào)控指令為關(guān)閉所述氫燃料電池，并根據(jù)所述輸出需求功率調(diào)整所述動(dòng)力電池，而所述電機(jī)調(diào)控指令為根據(jù)所述輸出需求功率調(diào)整所述電機(jī)運(yùn)行參數(shù)；

16、當(dāng)所述電池剩余電量不處于第一區(qū)間時(shí)，則根據(jù)所述電池剩余電量和所述輸出需求功率生成所述電池調(diào)控指令，而所述電機(jī)調(diào)控指令為根據(jù)所述輸出需求功率調(diào)整所述電機(jī)運(yùn)行參數(shù)。

17、系統(tǒng)在生成調(diào)控指令時(shí)，首先將對(duì)動(dòng)力電池的剩余電量進(jìn)行區(qū)間確定，若其仍處于第一區(qū)間，則說明動(dòng)力電池中的是剩余電量處于較為飽和狀態(tài)，無需開啟氫燃料電池，而僅依靠動(dòng)力電池便可帶動(dòng)船舶的電力設(shè)備運(yùn)行，因此系統(tǒng)將關(guān)閉氫燃料電池，并根據(jù)輸出需求功率調(diào)整動(dòng)力電池，以此節(jié)省氫燃料電池的運(yùn)行消耗。若剩余電量不處于第一區(qū)間，則說明動(dòng)力電池的剩余電量已不處于飽和狀態(tài)，即動(dòng)力電池?zé)o法獨(dú)立帶動(dòng)船舶的電力設(shè)備運(yùn)行，需要?dú)淙剂想姵氐妮o助。

18、而無論剩余電量是否處于第一區(qū)間，系統(tǒng)都將根據(jù)輸出需求功率調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，即無論動(dòng)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(jī)都將處于開啟狀態(tài)，用于實(shí)時(shí)采集船舶制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)能量以供船舶上電力設(shè)備的運(yùn)行，同時(shí)也節(jié)省了動(dòng)力電池和氫燃料電池的能量消耗。

19、作為優(yōu)選例子，所述當(dāng)所述電池剩余電量不處于第一區(qū)間時(shí)，根據(jù)所述電池剩余電量和所述輸出需求功率生成所述電池調(diào)控指令，具體包括：

20、當(dāng)所述電池剩余電量處于第二區(qū)間時(shí)，則將所述輸出需求功率與額定功率進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果調(diào)整所述氫燃料電池的運(yùn)行功率和運(yùn)行數(shù)量；

21、當(dāng)所述電池剩余電量處于第三區(qū)間時(shí)，則將所述氫燃料電池的運(yùn)行功率調(diào)整為所述額定功率，并將船舶中各所述氫燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)均調(diào)整為開啟狀態(tài)。

22、而在確定動(dòng)力電池的剩余電量不處于第一區(qū)間之后，系統(tǒng)則需要對(duì)剩余電量進(jìn)行進(jìn)一步判斷，即確定其處于第二區(qū)間還是第三區(qū)間，若是確定其處于第二區(qū)間，則將對(duì)比輸出需求功率和每個(gè)氫燃料電池的額定功率，再根據(jù)對(duì)比結(jié)果調(diào)整氫燃料電池的運(yùn)行功率和運(yùn)行數(shù)量。是由于此時(shí)動(dòng)力電池的剩余電量還處于正常但不足以支撐整個(gè)船舶所有設(shè)備的電力運(yùn)行，因此需要根據(jù)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(shù)量以及運(yùn)行輸出功率。

23、而若是確定剩余電量處于第三區(qū)間，則系統(tǒng)直接將氫燃料電池的運(yùn)行功率調(diào)整為額定功率，并將船舶中所有的氫燃料電池均調(diào)整為開啟狀態(tài)。是由于此時(shí)動(dòng)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(shí)動(dòng)力電池已無法提供更多的電力支撐，因此系統(tǒng)將直接開啟船舶上所有氫燃料電池，并將其運(yùn)行功率直接調(diào)整為額定功率，以此確保船舶不會(huì)因?yàn)閯?dòng)力電池?zé)o法支撐而被迫停航。

24、作為優(yōu)選例子，所述將所述輸出需求功率與額定功率進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果調(diào)整所述氫燃料電池的運(yùn)行功率和運(yùn)行數(shù)量，具體包括：

25、當(dāng)所述對(duì)比結(jié)果為所述輸出需求功率小于或等于所述額定功率時(shí)，則將所述氫燃料電池的運(yùn)行功率調(diào)整為所述輸出需求功率，并將所述運(yùn)行數(shù)量調(diào)整為一；

26、當(dāng)所述對(duì)比結(jié)果為所述輸出需求功率大于所述額定功率時(shí)，則根據(jù)所述輸出需求功率計(jì)算獲得第一輸出功率，并將所述運(yùn)行功率調(diào)整為所述第一輸出功率，繼而根據(jù)所述第一輸出功率計(jì)算獲得第一數(shù)值，將所述運(yùn)行數(shù)量調(diào)整為所述第一數(shù)值。

27、當(dāng)對(duì)比結(jié)果為輸出需求功率小于或等于額定功率時(shí)，則說明一臺(tái)氫燃料電池即可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池剩余電量缺口的補(bǔ)充，則系統(tǒng)只需開啟一臺(tái)氫燃料電池并將其運(yùn)行功率調(diào)整為輸出需求功率即可；而若是對(duì)比結(jié)果為輸出需求功率大于額定功率，則說明一臺(tái)氫燃料電池不足以補(bǔ)充船舶此時(shí)的電量缺口，需要根據(jù)輸出需求功率計(jì)算第一輸出功率，并根據(jù)第一輸出功率確定需要開啟的氫燃料電池?cái)?shù)量。

28、作為優(yōu)選例子，在所述分別將所述電池調(diào)控指令和所述電機(jī)調(diào)控指令發(fā)送至電池控制模塊和電機(jī)控制模塊之后，還包括：

29、分別采集所述電池調(diào)控指令和所述電機(jī)調(diào)控指令，以及船舶對(duì)應(yīng)的運(yùn)行負(fù)載數(shù)據(jù)，并將采集的調(diào)控指令和所述運(yùn)行負(fù)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于負(fù)載調(diào)控?cái)?shù)據(jù)庫中；

30、將所述負(fù)載調(diào)控?cái)?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)輸入至預(yù)設(shè)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以使所述機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并在訓(xùn)練中對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注，直到訓(xùn)練結(jié)果達(dá)到預(yù)設(shè)訓(xùn)練結(jié)束要求后，將訓(xùn)練后模型作為負(fù)載預(yù)測(cè)模型輸出；

31、實(shí)時(shí)采集船舶的當(dāng)前負(fù)載數(shù)據(jù)，并將所述當(dāng)前負(fù)載數(shù)據(jù)輸入至所述負(fù)載預(yù)測(cè)模型中，以使所述負(fù)載預(yù)測(cè)模型輸出相應(yīng)預(yù)測(cè)負(fù)載和預(yù)測(cè)調(diào)控指令。

32、為了提高系統(tǒng)對(duì)氫燃料電池、動(dòng)力電池和電機(jī)的調(diào)控效率，以及各電池的響應(yīng)速度，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種模型預(yù)測(cè)調(diào)控方法，通過采集系統(tǒng)輸出的調(diào)控指令以及對(duì)應(yīng)時(shí)段船舶的負(fù)載變化數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)于系統(tǒng)負(fù)載調(diào)控?cái)?shù)據(jù)庫中。繼而在系統(tǒng)需要時(shí)，從負(fù)載調(diào)控?cái)?shù)據(jù)庫中調(diào)取包括調(diào)控指令和負(fù)載數(shù)據(jù)在內(nèi)的各項(xiàng)調(diào)控?cái)?shù)據(jù)輸入至機(jī)器學(xué)習(xí)模型中，以使模型對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，并在訓(xùn)練結(jié)束后將模型作為負(fù)載預(yù)測(cè)模型進(jìn)行輸出。

33、進(jìn)而在系統(tǒng)需要時(shí)，實(shí)時(shí)采集船舶的當(dāng)前負(fù)載數(shù)據(jù)輸入至負(fù)載預(yù)測(cè)模型中，使得模型輸出預(yù)測(cè)負(fù)載以及對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)調(diào)控指令。通過對(duì)船舶的負(fù)載變化進(jìn)行模型預(yù)測(cè)，解決了氫燃料電池的介質(zhì)供給速率難以跟隨負(fù)載變化的問題，同時(shí)根據(jù)預(yù)測(cè)的負(fù)載變化輸出對(duì)應(yīng)預(yù)測(cè)調(diào)控指令，則實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶電堆反應(yīng)所需空氣和氫氣的提前調(diào)節(jié)，縮短了系統(tǒng)對(duì)變化負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間，降低了系統(tǒng)因調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)而出現(xiàn)故障報(bào)警的幾率。進(jìn)一步的，預(yù)測(cè)負(fù)載和預(yù)測(cè)調(diào)控指令還提高了系統(tǒng)的智能化程度，降低了船舶航行出現(xiàn)故障的概率。

34、相應(yīng)的，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種基于氫燃料電池的船舶動(dòng)力調(diào)控裝置，所述船舶動(dòng)力調(diào)控裝置包括信號(hào)響應(yīng)模塊、指令生成模塊和指令執(zhí)行模塊；

35、其中，所述信號(hào)響應(yīng)模塊用于響應(yīng)于輸出功率請(qǐng)求信號(hào)，檢測(cè)船舶當(dāng)前航行狀態(tài)；

36、所述指令生成模塊用于若所述船舶當(dāng)前航行狀態(tài)為航行狀態(tài)，則解析所述輸出功率請(qǐng)求信號(hào)并實(shí)時(shí)檢測(cè)電池剩余電量，獲得對(duì)應(yīng)輸出需求功率和所述電池剩余電量，繼而根據(jù)所述輸出需求功率和所述電池剩余電量生成電池調(diào)控指令和電機(jī)調(diào)控指令；

37、所述指令執(zhí)行模塊用于分別將所述電池調(diào)控指令和所述電機(jī)調(diào)控指令發(fā)送至電池控制模塊和電機(jī)控制模塊，以使所述電池控制模塊和所述電機(jī)控制模塊分別根據(jù)所述電池調(diào)控指令和所述電機(jī)調(diào)控指令調(diào)控氫燃料電池和動(dòng)力電池以及電機(jī)運(yùn)行參數(shù)。

38、作為優(yōu)選例子，所述船舶動(dòng)力調(diào)控裝置還包括模型訓(xùn)練模塊；

39、其中，所述模型訓(xùn)練模塊用于分別采集所述電池調(diào)控指令和所述電機(jī)調(diào)控指令，以及船舶對(duì)應(yīng)的運(yùn)行負(fù)載數(shù)據(jù)，并將采集的調(diào)控指令和所述運(yùn)行負(fù)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于負(fù)載調(diào)控?cái)?shù)據(jù)庫中；

40、將所述負(fù)載調(diào)控?cái)?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)輸入至預(yù)設(shè)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以使所述機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并在訓(xùn)練中對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注，直到訓(xùn)練結(jié)果達(dá)到預(yù)設(shè)訓(xùn)練結(jié)束要求后，將訓(xùn)練后模型作為負(fù)載預(yù)測(cè)模型輸出；

41、實(shí)時(shí)采集船舶的當(dāng)前負(fù)載數(shù)據(jù)，并將所述當(dāng)前負(fù)載數(shù)據(jù)輸入至所述負(fù)載預(yù)測(cè)模型中，以使所述負(fù)載預(yù)測(cè)模型輸出相應(yīng)預(yù)測(cè)負(fù)載和預(yù)測(cè)調(diào)控指令。

42、相應(yīng)的，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種基于氫燃料電池的船舶動(dòng)力調(diào)控系統(tǒng)，所述船舶動(dòng)力調(diào)控系統(tǒng)包括存儲(chǔ)器、處理器以及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器上并在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器處理所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)yi?shang任一項(xiàng)所述的一種基于氫燃料電池的船舶動(dòng)力調(diào)控方法。

43、相應(yīng)的，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種存儲(chǔ)介質(zhì)，所述存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器調(diào)用并執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)以上任一項(xiàng)所述的一種基于氫燃料電池的船舶動(dòng)力調(diào)控方法。