摘 要

近年来，由于船舶行业面临着环境污染以及能源危机等严峻形势，行内逐渐倾向于其他更绿色环保的动力推进装置。电力推进船舶作为未来新能源船舶发展方向，在游轮方面已经开始应用。本文以某100客座的游览船为研究对象，在分析其典型工作图谱的基础上，研究其以“铁锂电池 超级电容”为储能装置的“双电型”纯电动船舶的电力推进系统的组成结构、数学模型，了解和掌握目前国际先进的电动船舶储能装置的选型方法和设计理念。通过对锂电池与超级电容并联储能的性能分析，通过对功率增强因子和功率节约因子进行计算确立两者的串并联结构，设计初步选型方案。运用MATLAB软件中的相关仿真模块，构建蓄电池充放电模型，超级电容充放电模型以及双电型纯电动船舶电力推进系统能量消耗模型。在满足续航的情况下以船舶的储能最低和储能装置总价格最低为优化目标，选用遗传算法进行选型计算，得到选型方案。

本文的研究对双电型纯电动船舶的储能装置选型设计提供了理论依据和参考案例，通过选型设计降低电力推进船舶的能耗和提升其经济性以，响应了当今世界人们的环保、节能、低碳、绿色生活理念，其研究内容对未来新能源船舶的设计有重要积极意义和广阔的推广价值。

关键词：纯电动，超级电容器，锂电池，船舶电力推进系统，遗传算法。

Abstract

In recent years, due to the shipbuilding industry is facing environmental pollution and energy crisis and other grim situation, the line gradually tend to other more environmentally friendly power propulsion device. Electric propulsion ship as the future direction of development of new energy ships, in the cruise ship has begun to apply. Based on the analysis of its typical working map, this paper studies the electric propulsion system of "double electric type" pure electric ship with "iron lithium battery super capacitor" as energy storage device. The composition of the structure, mathematical model, to understand and master the current international advanced electric ship energy storage device selection methods and design concepts. Through the performance analysis of lithium battery and super capacitor parallel energy storage, the power enhancement factor and power saving factor are calculated to establish the series and parallel structure of the two, and the preliminary selection scheme is designed. The energy consumption model of the battery charge and discharge model, the super capacitor charge and discharge model and the electric double propulsion electric power propulsion system are constructed by using the relevant simulation module in MATLAB software. In the case of satisfying the life of the ship to the lowest energy storage and energy storage device to the minimum price optimization target, the selection of genetic algorithm selection calculation, the selection program.

The research of this paper provides a theoretical basis and reference case for the selection and design of the energy storage device of the electric double electric type pure electric ship. By selecting the design to reduce the energy consumption of the propulsion ship and improve its economy, it responds to the environmental protection of the people in the world today , Energy saving, low carbon, green life concept, the research content of the future design of new energy ships have important positive significance and broad promotion value.

Key words: pure electric, super capacitor, lithium battery, ship electric propulsion system, genetic algorithm.

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 超级电容研究现状 1

1.2.2 船用蓄电池研究现状 2

1.3 本文研究的主要内容 2

1.3.1 论文的研究内容 2

1.3.2 本文的基本结构 3

第2章 双电型纯电动船舶储能装置的初步配置 6

2.1 电池容量初步计算 6

2.2 超级电容特点 7

2.2.1超级电容简介 7

2.2.2超级电容器的储电原理 8

2.2.3超级电容等效电路模型 9

2.2.4超级电容主要性能参数 11

2.3 蓄电池特点 12

2.3.1常用可充电蓄电池的介绍 12

2.4 蓄电池和超级电容选型 14

2.4.1 蓄电池选型 14

2.4.2 超级电容选型 15

2.5本章小结 17

第3章 超级电容与蓄电池并联储能 18

3.1超级电容与铁锂电池并联研究 18

3.1.1超级电容与磷酸铁锂电池直接并联混合储能的理论模型分析 18

3.1.2 超级电容与蓄电池直接并联混合储能的性能分析 19

3.2在超级电容与铁锂电池并联中的实例计算 21

3.3 本章小结 28

第4章 双电型船舶能量消耗及相关计算模型搭建 29

4.1基于MATLAB/Simulink仿真平台超级电容与铁锂电池的并联模型 29

4.1.1双电型纯电动船舶直流电网结构分析 29

4.1.2 超级电容与蓄电池并联模型 29

4.2本章小结 31

第5章 基于多目标优化的储能元件选型 33

5.1 NSGA-II优化算法 33

5.1.1 NSGA-II优化算法简介 33

5.1.2 确定优化设计变量 34

5.1.3 优化目标的确定 35

5.1.4 遗传算法部分参数的确定 35

5.2 NSGA-II优化算法与计算模型之间的变量传递 36

5.3本章小结 36

第6章 结论与展望 37

6.1 全文总结 37

6.2 工作展望 37

参考文献 38

致 谢 39

第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

现如今，由于船舶面临着能耗、碳排放等环境问题，人们越来越关注其他更绿色、更节能的环保动力推进装置^[1]。随着电力电子科学技术的快速发展，人们开始将船舶研究方向转向以电能为动力来源的新能源船舶。其中，以电力推进作为近海游船新型推进装置逐渐开始成为主流。由于船舶自身的作业工况(频繁的靠港起航以及海洋环境复杂多变，电力推进船舶一直面临着一个技术难题^[2]：频繁的负载扰动冲击着船舶电网和电站，对推进系统的有着巨大的影响，会降低得船舶稳定性，使得电站中内燃机燃油不能充分燃烧，对环境效益和经济效益造成损害。所以将传统电力推进船舶设计成纯电动电力推进船，配置双电储能单元（铁锂电池与超级电容器）为纯电动推进船舶的储能装置来作为这一难题的解决方案。

本文选题主要研究纯电动船上电池和电容的选型配比，在满足船舶功率需求的情况下，选择合适的电池型号、数量和电容的型号、数量，对构建双电型纯电动船舶电力推进系统能量消耗模型，以船舶的储能容量和储能装置总造价最低为优化目标，因此本文对双电型纯电动船舶的储能装置选型研究对响应当今世界人们对于环保、节能、低碳、绿色生活理念有着重大意义。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 超级电容研究现状

1957 年 Becker 发表了首篇超级电容器的专利 , 超级电容器获得了各国军政部门和工业集团的青睐 。由于目前市场上超级电容的价格非常昂贵，但是预计在不久的将来就会有长足的发展。在超级电容的研究及应用方面 , 美国、日本和俄罗斯走在世界的前列^[3]。国外超级电容器的主要生产商有韩国 NESS、俄罗斯 ECOND 公司、美国MAXWELL 公司、日本NEC、日本 ELNA 公司等，目前，MAXWELL 公司的BCAP2600 系列产品功率密度达到 5.72kW/kg，能量密度 7.2Wh/kg，General Atomics 公司的超级电容储能密度近3MJ/，日本的松下公司、NEC/Tokin 公司均有系列超级电容产品 , 本田公司在其开发的第三代和第四代燃料电池电动车 FCX2V 3 和 FCX2V 4 分别使用了自行开发研制的超级电容器来取代二次电池 , 减少了汽车的重量和体积 , 使系统功率增加^[3] , 同时俄罗斯 ECOND 公司研究超级电容已有20多年, 代表着俄罗斯的领先水平。位于德国汉堡阿尔斯特湖的一艘游览船为了特定的阶段期间满足峰值功率需求，提出了电池和超级电容混合储用以减小柴油发动机发电机的尺寸并且提高整体效率的电驱动推进器和推进电动机的操作组合。