CN103192974A - 一种超级电容和动力锂电池组合的电动船动力总成系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超级电容和动力锂电池组合的电动船动力总成系统，主控制器通过内部数据总线通道分别与船速控制手操器、主逻辑控制器、BMS电池管理系统、螺旋桨驱动控制器相连；超级电容和动力锂电池的耦合器用于实现超级电容组和动力锂电池组提供能量，当船舶有动力需求需要提供瞬间能量时，由超级电容组提供瞬间输出大功率的能量，当船舶有制动需求时，超级电容组将动能转换成电能储存，超级电容组和动力锂电池组之间的能量不断交互；超级电容组配有超级电容自动平衡系统，动力锂电池组配有所述BMS电池管理系统。本发明满足了船舶所需的动力和持续续航能力的需求。

Description

一种超级电容和动力锂电池组合的电动船动力总成系统

技术领域

本发明涉及电动船技术领域，特别是涉及一种超级电容和动力锂电池组合的电动船动力总成系统。

背景技术

在世界范围，随着人们对燃油污染给空气造成危害关注度的提升，新能源的开发和利用已经为世人所高度重视。尤其当人们意识到燃油在燃烧过程中对PM2.5造成的直接危害是相当巨大这一事实，更加关注新能源的利用和开发。随着新能源技术的进一步发展和应用成果的推广，燃油船的改造和能源替换过程已经被被人们所关注，但是，由于船舶本身所具有特殊的动力特性和要求，多年来一直没能得到根本的创新性变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超级电容和动力锂电池组合的电动船动力总成系统，满足了船舶所需的动力和持续续航能力的需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种超级电容和动力锂电池组合的电动船动力总成系统，包括主控制器、船速控制手操器、主逻辑控制器、BMS电池管理系统、螺旋桨驱动控制器以及超级电容和动力锂电池的耦合器，所述主控制器通过内部数据总线通道分别与船速控制手操器、主逻辑控制器、BMS电池管理系统、螺旋桨驱动控制器相连；所述超级电容和动力锂电池的耦合器用于实现超级电容组和动力锂电池组提供能量，当船舶有动力需求需要提供瞬间能量时，由所述超级电容组提供瞬间输出大功率的能量，当船舶有制动需求时，超级电容组将动能转换成电能储存，超级电容组和动力锂电池组之间的能量不断交互；所述超级电容组配有超级电容自动平衡系统，所述动力锂电池组配有所述BMS电池管理系统。

所述主控制器包括DSP处理器、FPGA处理器和触摸屏系统，所述DSP处理器采用双板系统用于完成数据处理和命令传递，所述DSP处理器分别与FPGA处理器、触摸屏系统、时钟芯片和存储器相连；所述FPGA处理器用于完成逻辑运行的调度和控制。

所述主控制器的内部数据总线通道通过控制系统内部的数据输入输出模块与船速控制手操器、主逻辑控制器和螺旋桨驱动控制器相连，通过数据通讯模块与BMS电池管理系统相连。

所述主控制器还通过内部数据总线通道与辅助控制信息传输器相连。

所述主控制器还通过内部数据总线通道与船舶运动参数监测器相连。

所述主控制器还通过内部数据总线通道与GPRS/GPS通信模块相连。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明对不同功率需求、不同持续续航能力需求的船舶，只要配置相应的驱动电机、螺旋桨系统，驱动控制器以及不同电池能量（安时数）的电池，即能满足其功能特征的需求。

从船舶特种需求的角度而言，由于在本发明中开发了一款新型的、为船舶功能所需的开放性结构控制器，采用了模块化结构理念以及开放CAN通讯形式，因此，当有新的功能模组需要进行添加的时候，利用结构的形式和CAN通讯线即能实现新的组合和功能扩充。

本发明的控制器采用了DSP数字控制器和FPGA构成了高速控制器装置，在所配置的外部接口方面可以进行灵活多样化的组合，这一结构模式的好处在于，当系统需要扩展功能时，通过模组的添加，即能完成新的组合要件的新构架。

附图说明

图1是本发明的主控制器与外部接口系统框图；

图2是本发明的超级电容和动力锂电池耦合部分原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种超级电容和动力锂电池组合的电动船动力总成系统，如图1和图2所示，包括主控制器、船速控制手操器8、主逻辑控制器9、BMS电池管理系统12、螺旋桨驱动控制器13和14以及超级电容和动力锂电池的耦合器，所述主控制器通过内部数据总线通道5分别与船速控制手操器8、主逻辑控制器9、BMS电池管理系统12、螺旋桨驱动控制器13和14相连；所述超级电容和动力锂电池的耦合器用于实现超级电容组和动力锂电池组提供能量，当船舶有动力需求需要提供瞬间能量时，由所述超级电容组提供瞬间输出大功率的能量，当船舶有制动需求时，超级电容组将动能转换成电能储存，超级电容组和动力锂电池组之间的能量不断交互；所述超级电容组配有超级电容自动平衡系统，所述动力锂电池组配有所述BMS电池管理系统。

其中，所述主控制器包括DSP处理器2、FPGA处理器3和触摸屏系统1，所述DSP处理器2采用双板系统用于完成数据处理和命令传递，所述DSP处理器2分别与FPGA处理器3、触摸屏系统1、时钟芯片和存储器4相连；所述FPGA处理器3用于完成逻辑运行的调度和控制。

触摸屏系统1用于作为人机交互界面的重要信息交互装置被安置在船舶的控制室的操纵台上，在显示屏上显示所有动态的船舶运行信息，其中有船行速度、电动机运转速度、电机功率、储能系统能量流等等，系统还提供了一些参数的设置窗口，用于完成人机交互的需求。DSP处理器2采用了双板系统，双板的系统配置相同，互为主辅控制器，用以完成数据的高速处理和命令的快速传递。DSP处理器2的运行过程必须采用FPGA处理器3完成所有逻辑运行的调度和控制，由其完成总线的配置功能，与DSP处理器2协调控制所有的外围控制芯片。在本系统中，为处理来自卫星通道的实时信息，时钟芯片充当了控制器内部所有模组布局的协调与统一过程，DSP处理器2给予的中间参数的存储由板上大容量存储器完成。

所述主控制器的内部数据总线通道5通过控制系统内部的数据输入输出模块7与船速控制手操器8、主逻辑控制器9和螺旋桨驱动控制器13和14相连，通过数据通讯模块6与BMS电池管理系统12相连。其中，内部数据总线通道5是由DSP处理器2、FPGA处理器3以及通讯芯片组合完成，其中，既有并行通讯总线，同时又有串行通讯链路，其完成与二级模块之间的过程通讯功能。在数据通讯模块中，实现了并行通讯和标准串行通讯的组合，在本系统中，主要由CAN通讯和RS232构成。数据输入输出模块主要用于与外部功能模组的控制连接。

所述主控制器还通过内部数据总线通道5与辅助控制信息传输器10相连。所述主控制器还通过内部数据总线通道5与船舶运动参数监测器11相连。所述主控制器还通过内部数据总线通道5与GPRS/GPS通信模块15相连。

本发明中的船速手控器8是适用于纯电动船驱动的速度给定的，并为单驱动和双驱动所兼容的手动操纵控制器。该手控器采用了传统的燃油船完全相同的外部结构，从操纵角度没有任何的异样感觉，因此，习惯于燃油操纵感觉的操作员无需对其进行培训，即能进行纯电动船的操纵。其对船载控制器的接口要求为（双手柄控制器）：6路数字量输入，2路模拟量输入。单手柄为：3路数字量输入，1路模拟量输入。

本发明中的主逻辑控制器9，主要依照船体运动控制的各个部份进行逻辑操控，它们分别为：独立的充电控制，主要核心部份控制启动和驱动器的开启控制。

本发明在船舶运行的过程中，还有相对独立的辅助控制信息传输器10（即辅助驱动控制部份），比如燃油发电部份的独立控制，船载电网的控制过程等，这些，本控制器都开通了接口，并进行数据采集和传输。

本发明中的船舶运动参数监测器11，在本控制器的内置单元中，还专门设计了，针对各个运动参数进行采集和分析的存储和处理单元，臂如，螺旋桨的转速、船体速度、电耗、以及GPS的运行轨迹等，在这部份中可以对所设定的参数进行采集或通过Internet进行传输分析。

作为电动船，其核心储能系统的电池管理系统12是非常重要的，无论从电池保护的角度，还是与动力驱动的连锁部份，都离不开电池管理系统与主控制系统的数据交换和过程监控，本系统设置了专门的通道进行了实时数据传输。同时，该系统还与充电器具有通讯和控制功能。BMS互相间的通讯联系采用光纤通讯的模式和电缆通讯的模式。

螺旋桨驱动控制器13和14采用了双驱动的独立控制体系，从手操器到所有的运行通道，都具有二个独立的控制过程来完成双螺旋桨的操控，从而确保了系统的适应性。当其它系统只需配置一套螺旋桨驱动时，只需将其中的一个通道进行关闭处理，即可使本发明同样的兼容。

在本发明中，将GPS和GPRS都设计了专用通道，由控制器进行数据采集和信息传输。GPS通过对卫星讯息的采集，给出船体运动的速度和地理位置；GPRS则通过无线Internet系统将所需数据进行网络传输。这一控制过程，在本系统中是与其它过程控制过程相独立。

本发明的主控制器采用了DSP数字控制器，与其相协调控制的是FPGA系统，采用了数据总线和控制总线构成了核心的控制器构架。在数据存储器上叠加了时钟控制器，用以实现完成所有同步控制需求和有时钟要求的执行动作。系统中配置了CAN数字控制器，完成所有需要通过数据通道传输的信息。

本发明将所有与中间链接板系统的信息实现了冗余处理，在本控制器的双板兼容系统中，可以任意切换和转接；当系统的“看门狗”系统监测到有“停滞”时，系统的备板系统自动启动，完成控制过程的接力转换，其所耗时间约为20ms。

如图2所示，其中，耦合器的工作过程有3部份构成：（1）超级电容独立提供能量；（2）动力锂电池独立提供能量；（3）动力锂电池和超级电容同时提供能量。当船舶有动力需求需要提供瞬间能量时，超级电容便瞬间输出大功率的能量，当船舶有制动需求时，超级电容首先将动能转换成电能，送入超级电容中，超级电容和动力锂电池它们之间的能量是处于不断交互的状态。由于采用了超级电容和动力锂电池相混合的方式，因此，动力锂电池的寿命得以提高和延长。

本系统中的所有的超级电容是串联连接，每个超级电容模组具有独立的自动平衡系统。在本系统中，所有单体的电池模块都具有独立的电池管理系统相对应管理和控制，所有的BMS都采用光纤或点缆实现互相间的通讯和控制。本系统还通过互感器对储能系统的电量进行采集和分析、监控。

当系统上电后，首先主控制器被激活，控制器将监测瞬间手操器的操控位置，此时，手操器必须置于中间的“准备”位置，否则，系统显示屏将提示错误讯息，并命令操作者重新启动，在这之前必须将手操器置于准确位置。

系统启动后，在信息加载完毕后将有冗余系统的自检，并完成双系统的安置和切换，这些都是其船舶控制功能所必须的。

在双重的驱动系统被激活后，将依照逻辑控制器的指令，实现A驱动还是B驱动，或者是A+B的驱动方式。

所有的系统检测完毕后，其相应的参数将被显示在彩色显示屏上。其中含动力锂电池的能量、卫星回传所获得的实时速度、电动机的实时转速、以及电流、电压、瞬时功率等。

本控制器带有GPRS模块，这个模块的功能完成将所有的运行参数实现无线传输，地面Internet接受系统将所有参数进行数据库归并和管理，给管理者提供一手资料和讯息。最主要的是实现对动力锂电池各个单体的检测和能量的一致性分析以及衰减模型的评估。这个过程依靠管理计算机的算法模组完成。

在远程控制过程中，由于系统自带了GPS卫星信息模块，因此除了给予船载的速度显示外，还将地理信息系统传输给地面的服务器终端，用于对船舶的运行轨迹进行监察和回放。

当地面管理系统分析到船舶的控制模组有失效风险时，系统也将会发出提示指令，让操作者第一时间得到共享信息，以使系统运行在完好状态。这样的交互过程实现了动态过程优化以及实时分析结果的分享，该新能源船舶的动力总成系统将对推动电动船的过程控制以及先进的控制管理理念实现，都是有具有创新意义的。

本系统所具有互相独立的双驱动冗余，以及控制器系统的双板冗余，这些都对电动船乃至船舶控制的安全性达到了一个安全保护和完备性的新高度。

本发明利用了超级电容和动力锂电池各自所具有的能力特征，采用了为船舶动力系统专门开发的控制器，在满足现有船舶特征的前提下，采用了模块化的组合形式，将船舶功能的各个部份以不同的相应模块所对应，发明了一种适合于系列化船舶的动力特征、以及相应的控制功能的专用的电动船动力系统总成。值得一提的是，本系统的应用，改变了以往人们对电动船认知上误区，在传统的理念上，一提及电动船，人们便会将公园、小河中的游览缓慢运行的船只相联系；本发明的系统，将这一概念完全地做了更新。因为，本发明中采用了瞬间功率强劲的超级电容作为动力的爆发力，在完成了启动特征功能后，为了达到船舶的持续续航能力，采用了动力锂电池作为存储电能的载体。通过二者有效的结合实现并满足了船舶所需的动力和持续续航能力的需求。

Claims (6)

1.一种超级电容和动力锂电池组合的电动船动力总成系统，包括主控制器、船速控制手操器、主逻辑控制器、BMS电池管理系统、螺旋桨驱动控制器以及超级电容和动力锂电池的耦合器，其特征在于，所述主控制器通过内部数据总线通道分别与船速控制手操器、主逻辑控制器、BMS电池管理系统、螺旋桨驱动控制器相连；所述超级电容和动力锂电池的耦合器用于实现超级电容组和动力锂电池组提供能量，当船舶有动力需求需要提供瞬间能量时，由所述超级电容组提供瞬间输出大功率的能量，当船舶有制动需求时，超级电容组将动能转换成电能储存，超级电容组和动力锂电池组之间的能量不断交互；所述超级电容组配有超级电容自动平衡系统，所述动力锂电池组配有所述BMS电池管理系统。

2.根据权利要求1所述的超级电容和动力锂电池组合的电动船动力总成系统，其特征在于，所述主控制器包括DSP处理器、FPGA处理器和触摸屏系统，所述DSP处理器采用双板系统用于完成数据处理和命令传递，所述DSP处理器分别与FPGA处理器、触摸屏系统、时钟芯片和存储器相连；所述FPGA处理器用于完成逻辑运行的调度和控制。

3.根据权利要求1所述的超级电容和动力锂电池组合的电动船动力总成系统，其特征在于，所述主控制器的内部数据总线通道通过控制系统内部的数据输入输出模块与船速控制手操器、主逻辑控制器和螺旋桨驱动控制器相连，通过数据通讯模块与BMS电池管理系统相连。

4.根据权利要求1所述的超级电容和动力锂电池组合的电动船动力总成系统，其特征在于，所述主控制器还通过内部数据总线通道与辅助控制信息传输器相连。

5.根据权利要求1所述的超级电容和动力锂电池组合的电动船动力总成系统，其特征在于，所述主控制器还通过内部数据总线通道与船舶运动参数监测器相连。

6.根据权利要求1所述的超级电容和动力锂电池组合的电动船动力总成系统，其特征在于，所述主控制器还通过内部数据总线通道与GPRS/GPS通信模块相连。

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