1 目的及意义

1.1. 研究的目的及意义

随着国内旅游行业的发展，各种人为因素对于景区环境的破坏日益受到人们的重视。对于以江河湖泊为重点景点的景区来说，观光游览船是为游客提供旅游服务、增加营业收入的重要组成部分，以漓江为例，2016年，漓江接待游客量已超过600万人次。漓江现约有2200艘汽油动力排筏。按照环保部门的估算，漓江上汽油动力排筏每年产生的废气就超过8000万立方米。其对于景区环境的破坏是明显的，首先是排放，特别是对于航行状态多变的游船，发动机经常处于低效率、高排放的非最佳窗口，颗粒物排放以及其他类型排放十分严重，柴油机发电污染严重并且噪声很大，影响船上人员的工作与休息^[1]。

因此，寻找一种新的动力来替代游船上使用的发动机是十分有必要的。使用蓄电池作为交通工具的储能装置，在19世纪中期就在汽车上使用了，但相较于较其之后出现的内燃机汽车，蓄电池在各个方面都是劣势，因此淡出人们的视野，直到20世纪中后期，随着环境污染的加剧和石油危机的爆发，零排放、节能环保的新能源汽车被世界各国所看重，在近几年呈爆发式增长，动力电池作为新能源汽车发展的三个关键技术之一，一直是市场角逐的重点^[2]。在游船方面，由于电池容量、能量密度以及价格的限制，在很长一段时间内并没有被重视。近年来，电池技术的高速发展使之成为可能，并且日益严峻的气候及环保要求更加的推进了电动船舶的发展，然而，蓄电池仍存在一些问题。首先，蓄电池的能量密度虽有大幅的提升，但满足船舶续航能力所需的电池总重量会很大，使得游船吃水更深，阻力更大；而后是充电慢，这一点仍会使得游船花费很多的时间来停泊在岸边充电，降低游船的效益。更换蓄电池的方式可很好的解决这一问题，游船靠泊后直接更换已经充电完成的蓄电池，在这个过程中，由于游船用的电池总重量很大，需要设计一套方便更换蓄电池的工具。船舶电网与陆地电网相比有容量小的特点，而某些船舶负载的容量可以与船舶发电设备的容量相比，这些负载起动、停止时，对船舶电网有较大的冲击^[3]。因此，使用蓄电池作为游船的主要动力时，需要寻找一种可以帮助缓解和解决这种问题的储能装置，超级电容就可以满足这种需求，其特点就是高功率密度和低能量密度，利用超级电容器短时大功率充放电的特性可减小蓄电池峰值充放电电流,延长使用寿命,提高动力和经济性能^[4]。因此，将可更换的蓄电池组和超级电容使用在同一个动力系统中，使二者的能力得到互补，使得船舶动力系统有更好的表现。

为了提高游船的舒适性、环保性与安全性，需要对游船的动力系统做出改进，了解国内外对于电动游船的研究与应用，并根据蓄电池储能在容量和充电速度上的不足设计一套可更换的电池系统，根据蓄电池大功率输出方面的不足将超级电容引入该混合动力系统中。该研究与设计对于船舶舒适性、环保性、安全性的提升以及运营成本的降低具有重大意义。

1.1. 国内外研究现状分析

1.1.1. 蓄电池

蓄电池在该动力系统中承载着主要的储能以及电能输出的任务，因此它的选择很是重要。目前，市场上主要的充电蓄电池有铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。铅酸蓄电池的发展很早，技术成熟，但是其能量密度低、维护频繁并且寿命较短；镍镉电池的大电流放电能力强，维护简单，但是有记忆效应，长期不合理的使用会使得电池的容量降低；镍氢电池能量密度比镍镉电池要高，并且对环境无污染，但是其成本昂贵，性能也不如锂离子电池；锂离子电池的能量密度很高，同时基本没有记忆效应和毒性。综合电池的能量密度、功率密度和循环寿命等关键参数，锂离子电池有着相较于其它电池更加优异的性能，其能量密度目前可以达到160Wh/kg，该数据的目标值为350Wh/kg，功率密度可以达到1500W/kg^[5]，这表明相较于其他电池，相同的容量及功率，锂离子电池会更小、更轻，从而更加适合于运用于游船上。作为船舶的主要动力来源，蓄电池的用量会很大，因此会以电池系统的形式存在，其管理策略并不仅仅是以前的作为应急电源时能比的了，姜波、宋瑜在《船用大容量蓄电池的应用研究》中就对船舶使用大容量电池时的蓄电池管理人员提出了更高的要求，以及介绍了电池管理系统（BMS）的温度监控、SOC监控、能量流动监控等功能^[6]。

1.1.2. 超级电容

超级电容属于物理储能装置，相较于电容器，其承载电子的表面积极大，使得其容量远高于电容器。其优点在于充放电迅速、使用寿命长、温度范围广，其功率密度可以达到一个远高于蓄电池的数值，使得它可以承受大功率的输入与输出，其缺点也是明显的，就是能量密度偏低以及成本很高，其能量密度目前大约只有锂离子电池的十分之一，而单个超级电容的价格可以达到锂离子电池的十倍^[7]，因此，如何设计系统中超级电容的容量将直接关系到系统实现的成本。目前，超级电容已经运用于交通工具，从轻混合动力汽车到有轨电车，在混合动力汽车和方面，使用超级电容进行制动能量的回收，并且在汽车加速时将回收的能量予以释放，使得汽车发动机在低效率区域停留时间缩短，最终达到更高的能量利用效率和更低的排放；武汉的光谷量子号有轨电车，就是使用超级电容作为储能装置，它在满电状态下可以运行10公里，并且可以在部分站台处实现快速充电，达到续航要求^[8]。

1.1.3. 基于超级电容和蓄电池的混合动力系统

目前，基于超级电容和蓄电池的混合动力系统已经出现在汽车行业以及电动机车等领域，在这些领域中，蓄电池承载的主要任务是储存动力设备所需的大部分能量，并且在汽车（或者其他的动力设备）主要的运行过程中提供动力，超级电容进行制动能量的回收以及加速时将这部分收集的能量输出，补充蓄电池的不足，因为在这两个过程中，无论是制动时从汽车的动能到电能的储存，抑或是加速时电能到汽车动能的增加，能量转化的速度都很快，功率很高，如果只是由蓄电池承受或者输出这样的功率，可能会超出蓄电池组的最高输出或输入功率，使得蓄电池受到损伤，容量和循环寿命降低。超级电容非常适合用于制动过程这种能量回收，通过超级电容与传统蓄电池组形成复合电源，在启动、加速等高功率状况下采用超级电容供电，可以延长蓄电池使用寿命^[9]。

有关于超级电容与蓄电池构成的混合动力系统的研究，分布在多个方面，例如Wasim Sarwar等人在其论文中介绍并研究了高能电池与超级电容形成的混合动力系统（HESS）的可行性问题，报告中分析了各种动力系统（高能电池系统或高能电池与超级电容的混合动力系统）在各种温度控制系统下的表现，并且最终表示一个容量设计合适的超级电容与蓄电池混合动力系统会比高能电池能量储存系统更加的优秀^[10]；Shou zhang等人在其论文中为该系统（HESS）寻找更好的算法和控制策略，提出的方法的鲁棒性是由三个典型工况验证，包括曼哈顿循环，CBDC周期和uddshdv周期。结果表明，与原控制策略相比，所提出的控制策略能提高燃油经济性^[11]。黄一民在其论文中介绍了超级电容与蓄电池混合储能系统的元件连接方式，通过改进的双DC/DC并联方式使得其灵活性与可靠性得到提高^[12]；武汉理工大学的金君在其论文中介绍了基于超级电容和蓄电池动力系统在船舶上的应用方式，控制系统的合理设计可以保证根据不同工况下实现整个混合动力系统供电的优化控制处理^[13]。张纯江、董杰等人对超级电容和蓄电池混合动力系统的控制策略进行了研究，通过稳定蓄电池直流母线电压、超级电容提供负载突变功率高频分量的运行模式，充分的运用两种储能器件的优点，并且蓄电池可以为放电后的超级电容充电，为下一次负载突变做准备，极大的提高超级电容的利用率，减少了对于超级电容的需求^[14]。

1.1.4. 电动船

电动船是用电力推进的船舶，电力来自船用发电机或蓄电池。对于使用船用发电机的电动船舶，其特点是由发动机直接带动发电机工作，产生的电能通过线路传输给电动机，电动机再带动螺旋桨转动，提供船舶前进所需的动力，这种推进方式可以降低机舱布置的难度、提高空间的利用率，但是能量在传输的过程中有多次形式上的转换，因此效率会减低约10%，这种方式在一战前后美国建造的战列舰与航母上有很多的运用，在现在的许多豪华游轮与特种船舶上运用也较多。对于使用蓄电池储能的电动船，它的出现更早一些，但是由于

电池性能的限制而发展缓慢，如今，电池技术的发展使得使用蓄电池作为船舶主要储能装置成为现实，将蓄电池运用于游船上已经有较多的使用，并与太阳能、风能等混合使用以达到最佳的节能效果，如成功穿越大西洋的瑞士“太阳能2号”、德国KOPF solardesign设计的太阳能观光船、我国颐和园的运营小型游船“桑普号”太阳能船^[15]。但是，电池的容量仍然限制着电动船的发展。目前，最大的使用蓄电池储能的船舶是2017年在广州下水的2000吨级纯电动货船，该船安装有重达26吨的超级电容 超大功率的锂电池，整船电池容量约为2400千瓦时，相当于40台比亚迪E6汽车的电池容量，理论上2小时可以充满电；船舶在满载条件下，航速最高可达12.8公里/小时（约7节），续航力可达80公里。由此可见，蓄电池为船舶动力的储能仍存在着能量密度较低的问题。通过更换蓄电池的方式来解决船舶充电慢问题的方法在一些小的游艇上已经有较多的运用，如在漓江上的排筏，在进行电动改装后，通过靠岸时更换蓄电池的方式，避免因等待充电而造成的损失。

1.1.5. 国内外研究现状分析

目前，由于人们对于节能环保的重视，以蓄电池与超级电容为代表的先进储能设施的发展都处在一个较快的水平，并且在各个方面都有着运用，船舶由于其航道以及电池和超级电容容量的限制发展运用的较慢，将超级电容与蓄电池形成混合动力并设计一套可更换的蓄电池系统之后作为游船的动力，既可以提高游船的舒适性并降低对于景区环境的破坏，同时提高游船安全性和经济性。