摘 要

本文首先根据船舶快速性、续航能力和舒适性要求，设计了豪华游览观光船的主尺度，包括排水量、船长、型宽、型深、设计吃水、结构吃水和线型等船型参数，再对豪华游览观光船的主推进系统进行设计，配置适合的发电机，并验证其总体性能符合国家标准。

在对豪华游览观光船进行总体设计后，对动力系统常见的磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、镍钴锰酸锂电池、镍钴铝酸锂和锰酸锂电池进行介绍和对比，并依据船舶舒适性和续航能力、安全角度选取磷酸铁锂电池作为本船所选择的电池种类和搭载电池得容量。对磷酸铁锂电池荷电状态的估算进行了估算，随后从环境因素、电池管理系统和配电网络着重考虑了电池安全性问题。

介绍了复合电源能源管理策略，依据相关公式在MATLAB语言环境下搭建了磷酸铁锂电池充放电模型、超级电容荷电状态模型和DC/DC变换器模型，介绍几种常见的复合电源拓扑结构，并选取电池端半主动拓扑结构作为本船的拓扑结构。随后将前文提到的三个模型集合成复合电源能量管理系统，并进行仿真，将有无超级电容时锂电池工作状态进行对比，得出超级电容。

论文主要研究了电动船外形设计，电池选型和能量管理系统。研究结果表明：超级电容具有削峰填谷的作用。

关键词：电动船；船型设计；电池选型；能量管理策略

Abstract

Firstly, according to the requirements of speed, endurance and comfort, this paper designs the main dimensions of the luxury sightseeing ship, including the ship parameters such as length, width, depth, draft and line type. Then, the main propulsion system of the luxury sightseeing ship is designed, equipped with suitable generators, and its overall performance is verified to meet the national standards.

After the overall design of the luxury sightseeing ship, the common lithium iron phosphate battery, lithium titanate battery, ternary lithium battery and lithium manganate battery in the power system are introduced and compared, and the lithium iron phosphate battery is selected as the type of battery selected for the ship and the capacity of the battery carried according to the ship's comfort, endurance and safety. The state of charge of the lithium iron phosphate battery is estimated, and then the safety of the battery is mainly considered from environmental factors, battery management system and distribution network.

This paper introduces the energy management strategy of composite power supply, builds the lithium battery charge and discharge model, super capacitor state of charge model and DC / DC converter model under the MATLAB language environment, introduces several common topology structures of composite power supply, and selects the semi-active topology structure of battery end as the topology structure of the ship. Then, the three models mentioned above are integrated into the energy management system of composite power supply, and the simulation is carried out. The working state of lithium battery with or without super capacitor is compared, and the super capacitor is obtained.

This paper mainly studies the shape design, battery selection and energy management system of electric ship. The results show that the supercapacitor can cut the peak and fill the valley.

Key Words：Hybrid electric ship; ship design; battery selection; energy management strategy

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景、目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究的主要内容和路线 3

1.3.1研究内容……………….………………………………………………………………3

1.3.2 研究目标………………………………………………………………………………3

1.3.3 研究路线………………………………………………………………………………4

1.4 本章小结 4

第2章 电动船总体设计 5

2.1 主尺度及线型设计 5

2.1.1 排水量……………………………..………………………………………………….5

2.1.2 船长………………………………..………………………………………………….7

2.1.3 船宽和型深…………………………..……………………………………………….7

2.1.4 吃水……………………………………..…………………………………………….7

2.2 主推进设计 8

2.3 总体性能设计 9

2.4 总布局设计 9

2.5 环保设计 10

2.6 本章小结 11

第3章 船用电池选型 12

3.1 船用电池选型 12

3.1.1 锂电池分类及容量选择……………………………………………………………13

3.1.2 磷酸铁锂电池SOC估算…………………………………………………………..16

3.2 船用电池安全性 .16

3.2.1 船舶环境锂电池安全性……… ……………………………………………………17

3.2.2 电池管理系统………………………………………………….……………………17

3.2.3 配电网络……………………………………………………….……………………17

3.3 本章小结………….………………………………………………...………………………......………18

第4章 能源管理系统 19

4.1 锂电池及其模型搭建 …….19

4.2 超级电容及其模型搭建 21

4.3 DC/DC变换器及其模型搭建 23

4.4 复合电源拓扑结构 23

4.5 能源管理系统仿真与分析 25

4.6本章小结 27

第5章 总结与展望 28

5.1 全文总结 28

5.2 全文展望 28

参考文献……………………………………………………………………………………30

致谢…………………………………………………………………………………………32

第1章 绪论

本章概述了电动船研究的背景和船用电池选型的意义；结合国内外研究成果介绍了纯电动船的应用现状、船用电池的发展情况和复合电源的能量管理系统的主要功能并简单介绍了几种能量管理策略发展现状；在此基础上，提出本文的研究的对象和主要内容、研究的方法和路线。

1.1 课题研究的背景、目的及意义

随着社会的发展，各国对能源的需求不断加大，能源问题矛盾逐渐显露。世界正面石油资源枯竭问题。由于石油的巨大消耗，传统的油田正逐步枯竭。多个国家都在努力的开拓新的石油获取途径，如深海油井，页岩油田乃至开发极地地区的石油资源，这些活动虽然在一定程度上增加了石油资源总量，但因开发技术成本上升也带来国际油价连年不断的增长。以柴油机为动力源的传统船舶成本逐渐增高的问题也在不断凸显[1]。在石油价格不断激增和石油储量不断减少的同时，石油过度使用所带来的一系列环境问题也在迫使各个国家地区加紧进行能源转型。内河水运航区由于其自身特点，自我净化能力较低大量传统柴油机船舶在内河水域频繁航行也给水质带来巨大压力 [2]。在一系列危害和人们的呼吁下，国家法律法规也应运而生，制定了一系列对海运河运船舶排放防污染的要求细则，2015 年4月2日，国务院发布《水污染防治行动计划》一书，文中明确要求加强船舶在港口排放控制[3]。2015 年6月8日，我国关于船舶污染排放物控制征求民众意见改进国家标准。

传统船舶多采用大型低速柴油机推进，船用低速二冲程柴油机体积庞大，航行过程中易出现故障，维修保养也较复杂。其噪音和排放污染问题也很显著。电动船是一种以电力为能源驱动的船舶，使用蓄电池、超级电容或船用发电机作为动力源，动力总成为大功率电机驱动的绿色新型交通工具，相比较采用传统柴油推进形式的船舶，纯电动船得益于复合储能单元的配置，可实现清洁低排放结构简单高效的特点。电动船和同功率的燃料船相比可节约近10%的能源，大幅度降低了能源的消耗，电力推进系统结构较传统柴油机也更加简化，工作更加可靠，即使在恶劣条件下也不易发生故障，在升经济性的同时也降低了对环境的污染。但由于当前动力电池的性能的限制，一般续航里程较短[4]。纯电动船因复合储能单元的配置，不需要再使用柴油作为动力源，可以从一定程度上减轻对环境的污染。随着环境污染问题受到广泛关注，为摆脱对燃油的依赖，采用电能作为驱动方式是一种实用可行的模式 ^[5-6]。