CN106849247A - 一种双电船的能源耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双电船的能源耦合装置，包括主控制器、超级电容模组、动力锂电池组和充电转换器，所述动力锂电池组与充电转换器的输入端相连，所述充电转换器输出端与电压极性切换装置相连，所述电压极性切换装置通过母线与超级电容模组相连；所述充电转换器用于对动力锂电池组输出的充电电流进行调节；所述电压极性切换装置用于对母线的电压极性进行切换，以实现对超级电容模组中的不同的超级电容进行充电；所述主控制器通过充电管理器与充电转换器相连，以对充电过程中的电压转换进行控制；所述主控制器还通过极性切换器与电压极性切换装置相连。本发明能够提升电压至所需的等级范围，以满足瞬间的高功率和低电压动力锂电池的能量流动。

Description

一种双电船的能源耦合装置

技术领域

本发明涉及电动船能源技术领域，特别是涉及一种双电船的能源耦合装置。

背景技术

在纯电动船研发过程中，有一种需求是很具迫切性的，但是，就目前的技术状况是难以实现的。即当电动船需要强劲动力的时候，为了保证其功率特质，其能源系统必须给出很高的瞬间电能，当系统电流不能过大的时候，提供一个高电压是获取功率的最有效办法，但是高电压必须是以电池的数量保证的，由于一块锂电池的额定电压是3.6V，假如要获得360V的高压，必须由100块锂电池来实现，为了满足一定的容量，其锂电池的单体容量还不能太小，可以想象的是，当100块锂电池安装在所需要的船舶上其重量相对于船舶就非常大了；要是中大型的旅游船，这还可以忍受没有太大问题，但要是一种小艇，比如高速摩托艇之类的船舶，这样的配置，需要设计成纯电动船或纯电动二栖船，就是望尘莫及的了。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双电船的能源耦合装置，能够提升电压至所需的等级范围，以满足瞬间的高功率和低电压动力锂电池的能量流动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种双电船的能源耦合装置，包括主控制器、超级电容模组、动力锂电池组和充电转换器，所述动力锂电池组与充电转换器的输入端相连，所述充电转换器输出端与电压极性切换装置相连，所述电压极性切换装置通过母线与超级电容模组相连；所述充电转换器用于对动力锂电池组输出的充电电流进行调节；所述电压极性切换装置用于对母线的电压极性进行切换，以实现对超级电容模组中的不同的超级电容进行充电；所述主控制器通过充电管理器与充电转换器相连，以对充电过程中的电压转换进行控制；所述主控制器还通过极性切换器与电压极性切换装置相连。

所述母线和超级电容模组之间设有阵列开关；所述超级电容模组还设置有电压测量模块；所述电压测量模块与主控制器相连，用于检测每个超级电容的电压值；所述主控制器还通过阵列开关控制器与所述阵列开关相连，并根据电压测量模块测得的结果控制所述阵列开关打开或关闭，以实现对超级电容模组中电压较低的超级电容进行优先充电。

所述主控制器还与母线电压监管模块相连，所述母线电压监管模块用于对母线的电压进行监测和管理。

所述主控制器还与电池管理系统相连，所述电池管理系统用于对动力锂电池组的单体容量进行监控管理。

所述主控制器还与水冷装置相连，所述水冷装置用于将装置在能量传递中累积的热量带走。

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：本发明利用低电压(重量轻)的锂电池，将能量耦合到超级电容上，该耦合的过程(即能量的迁移过程)是全自动的，用以保证负载端获取高电压值，在瞬间满足得很高功率的需求；在此同时，由于本发明装置是循环着运行工作的，时刻不停地将能量传递给前端的超级电容，以保证持续功率的输出。

附图说明

图1是本发明的结构方框图。

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双电船的能源耦合装置，如图1所示，包括主控制器1、超级电容模组2、动力锂电池组5和充电转换器6，所述动力锂电池组5与充电转换器6的输入端相连，所述充电转换器6输出端与电压极性切换装置8相连，所述电压极性切换装置8通过母线与超级电容模组2相连；所述充电转换器6用于对动力锂电池组5输出的充电电流进行调节；所述电压极性切换装置8用于对母线的电压极性进行切换，以实现对超级电容模组中的不同的超级电容进行充电；所述主控制器1通过充电管理器7与充电转换器6相连，以对充电过程中的电压转换进行控制；所述主控制器1还通过极性切换器9与电压极性切换装置8相连。

其中，主控制器1由DSP数字控制器加逻辑控制器FPGA构成。主控制器完成所有部件的检测和协调控制功能，以下的各个功能部件均通过CAN网络与主控制器相连接，用以实现负载端的高电压高功率的输出。

超级电容模组2的输出连接到负载4，用于给予负载高电压、高瞬间功率，经过超级电容模组(每个模组48V)任意叠加实现储源。该部份为了获得高电压，可采用模组的串联叠加，为了获得更大的能量，可以进行并联组合，总之，系统具有很大的应用灵活性和工程特性。该部份的能源送抵负载后，其后续的补充能量来自于动力锂电池组分时快速送抵，该能量是经过前级分段切换后获得。本实施方式中的负载为需要瞬间高电压和高能量的负载，例如高速快艇的高速变频驱动器。

在应用过程时只需先根据负载的电压等级配置超级电容的数量，一般超级电容单体电压为2.7V(模组电压为48V或更高)，举例：当需要一个500V前端输出时，采用48V的超级电容模组，需要配置的超级电容数量为11个(串联电压相加)，而每个超级电容的瞬间额定放电电流为1500A，这样的特性，在需求上是能满足要求的。

以快速摩托艇为例，快速摩托艇所需瞬间功率是很大的，在一般的应用中，时间不会太长，因此，只需配置所需能量的低压电池，加上本发明的装置和相当数量的超级电容模组数(48V/模组)，系统即构成。

所述超级电容模组2还设置有电压测量模块3。主控制器1为了对负载总电压进行监控管理，通过电压测量模块3对超级电容模组中的每一个超级电容进行电压测量，并将测得的结果由网络送至主控制器。

动力锂电池组4的电压可以是任意选择，也可以是多组(图1中仅作一组说明)，其数量的多少可以取舍，从结构上可以是串联，也可以是并联，其串联的数量决定了充电电流的大小(电压高即充电电流大)，并联的数量决定了配置容量的大小(并联数量多即配置的容量大)。所述主控制器1还与电池管理系统13相连，所述电池管理系统13用于对动力锂电池组4的单体容量进行监控管理，其数量取决于所配置的电池数量。

本实施方式中充电转换器6采用DC/DC转换器，其用于完成对充电电流的调节，从而可以做到充电过程的可控可调，但为做到快速切换，也可以采用直接大开关切换，开关可以是接触器形式，也可以是固态继电器形式。充电转换器6还连接有充电管理器7，充电管理器用于在充电过程中对电压转换进行管理，其由主控制器进行控制。

电压极性切换装置8用于完成母线Va和母线Vb的电压极性的切换，因为，在整个系统的充电过程中，将逐一地对各个超级电容进行充电的，从图1中可知，母线Va和母线Vb的电压的极性是随着不同超级电容的顺序不同而不同的，是需要进行翻转才能够实现充电的，因此，本装置就是实现了此项功能。所述电压极性切换装置8通过极性切换器9与主控制器1相连，通过主控制器1向极性切换器9发出控制信号实现电压极性切换装置8对母线电压的极性进行切换。所述主控制器1还与母线电压监管模块10相连，所述母线电压监管模块10用于对两根母线的电压进行监测和管理，以确保充电过程中的安全性。

所述两根母线和超级电容模组之间设有阵列开关11，阵列开关11由阵列开关控制器12控制，阵列开关控制器12由主控制器1控制，在充电过程中，开关阵列的开关是作快速切换的，控制开关的过程是有二个准则，即低电压者优先充电和顺序充电。也就是说，主控制器根据电压测量模块测得的结果，对每个超级电容的电压值以从小到大的顺序进行排序，排序完成后控制与电压值最小的超级电容连接的阵列开关部分闭合，从而为超级电容模组中电压较低的超级电容进行优先充电，然后依照顺序完成对超级电容模组中的每一个超级电容进行充电。

由此可见，本发明利用低电压(重量轻)的锂电池，将能量耦合到超级电容上，该耦合的过程即能量的迁移过程是全自动的，用以保证负载端获取高电压值，在瞬间满足得很高功率的需求；在此同时，由于本发明装置是循环着运行工作的，时刻不停地将能量传递给前端的超级电容，以保证持续功率的输出。并且由于后端的动力锂电池具有低电压、数量少的特点，因此很容易做成便携式的可拆卸的电池包，采用离线快速充电的方式，又可以将电量充满，以获得整个船载系统的耗电量。

整个充电过程，由于是实现将能量进行迁移的，因此，在阵列开关的运行过程中必然产生热量，因此主控制器1还与水冷装置14相连，所述水冷装置14用于将装置在能量传递中累积的热量带走，本实施方式中水冷装置可以采用循环水冷的控制方式完成对系统温度的调节控制。

本发明的运行调节过程如下：

系统开启后，在主控制器的操控下完成自检，自检的内容包括：

1)、各个子功能模块的状态；

2)、超级电容所设定的电压值；

3)、动力锂电池的容量值；

4)、各阵列开关的可控状况以及水冷监控的可控状况等。

主控制器通过对各个超级电容的电压检测，对超级电容的电压值进行由低到高的排序，并以顺序充电的方式进行充电，充电过程如下：

①、启动DC/DC转换器；

②、选择适合的电压极性，(正确建立母线Va和母线Vb电压的极性)；

③、闭合所选定的阵列开关之一(即电压值最低的超级电容所对应的阵列开关部分)

④、监测被充电的超级电容的电压，直到被充满才关闭。

循环作业①～④，直至所有的超级电容被充满，随后主控制器将发送命令给负载，启动向负载供电作业。

Claims (5)

1.一种双电船的能源耦合装置，包括主控制器、超级电容模组、动力锂电池组和充电转换器，其特征在于，所述动力锂电池组与充电转换器的输入端相连，所述充电转换器输出端与电压极性切换装置相连，所述电压极性切换装置通过母线与超级电容模组相连；所述充电转换器用于对动力锂电池组输出的充电电流进行调节；所述电压极性切换装置用于对母线的电压极性进行切换，以实现对超级电容模组中的不同的超级电容进行充电；所述主控制器通过充电管理器与充电转换器相连，以对充电过程中的电压转换进行控制；所述主控制器还通过极性切换器与电压极性切换装置相连。

2.根据权利要求1所述的双电船的能源耦合装置，其特征在于，所述母线和超级电容模组之间设有阵列开关；所述超级电容模组还设置有电压测量模块；所述电压测量模块与主控制器相连，用于检测每个超级电容的电压值；所述主控制器还通过阵列开关控制器与所述阵列开关相连，并根据电压测量模块测得的结果控制所述阵列开关打开或关闭，以实现对超级电容模组中电压较低的超级电容进行优先充电。

3.根据权利要求1所述的双电船的能源耦合装置，其特征在于，所述主控制器还与母线电压监管模块相连，所述母线电压监管模块用于对母线的电压进行监测和管理。

4.根据权利要求1所述的双电船的能源耦合装置，其特征在于，所述主控制器还与电池管理系统相连，所述电池管理系统用于对动力锂电池组的单体容量进行监控管理。

5.根据权利要求1所述的双电船的能源耦合装置，其特征在于，所述主控制器还与水冷装置相连，所述水冷装置用于将装置在能量传递中累积的热量带走。