CN107769330B - 一种电力推进船舶的能量管理及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电力推进船舶的能量管理及控制方法。该方法主要包括充电控制策略和放电控制策略；其中，充电控制策略：通过切换柜的继电器S3、S8、S11、S14实现充电器和锂电池组的连接，实现锂电池组的充电，并根据充电过程中锂电池组故障状态、电荷状态SOC，实时调整继电器S3、S8、S11、S14的工作状态；放电控制策略：通过切换柜的继电器S1、S2、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S12、S13实现推进系统、逆变系统和锂电池组的连接，实现锂电池组的放电，并根据放电过程中锂电池组故障状态、电荷状态SOC，实时调整继电器S1、S2、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S12、S13的工作状态。本发明能够实现充分利用电力推进船舶的锂电池组以及实现电力推进船舶的锂电池组之间的无缝切换。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力推进船舶的能量管理及控制方法。
背景技术
随着环保要求的不断提高，传统的以燃油机为能源的游览船舶不能满足环境要求，很多水上旅游景区已严禁采用柴油机作为动力和发电，严重影响旅游景区经济发展。随着动力锂电池在能量密度、充点电性能以及成组技术都有了极大的进步，已在电动汽车大量应用，使采用锂电池作为主能源电动游览船越来越受到重视。
然而，由于船舶和电动汽车研究对象、外部使用环境等不同，决定了将锂电池应用于船舶时，应考虑如下因素：
电池组运行时间。电动汽车运行时间较短（白天运行居多），一般电池电量耗尽时可以比较及时、方便地得到补充。而电池组在船舶应用是以长时运行制，应制订更为精细的管理控制策略。
电池组数量配置。船舶上大功率用电设备数目众多，船舶电池组储能要比车辆多很多，这集中表现在电池组配备的数量上。
电池组安放位置。船舶舱室结构复杂，空间不规则。加之高湿度、高盐度、易发霉等恶劣气候因素，故电池组的散热性能、防水性能需要特别考虑。
船舶运行工况比较复杂，不定因素大，风、浪、流干扰因素具有明显的随机不确定性，并且船舶负荷波动频繁且变化范围大。这故需根据船舶不同的航行状况指定不同的放电控制策略。
因此，如何配置锂电池组以及如何协调锂电池组的之间充电与放电先后关系、电池组之间无缝切换以及充放电控制策略，保证锂电池组能源系统稳定可靠运行，进而解决以锂电池组为能源的纯电动游览船能量的充分利用以及提高续航能力，成为锂电池纯电动游览船电力系统需解决的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决能量充分利用问题并提高续航能力的电力推进船舶的能量管理及控制方法，采用537.6V电压平台动力锂电池组作为整船能源，实现锂电池组之间电力调度及能量控制，提高锂电池供电系统动态响能力及稳定性。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种电力推进船舶的能量管理及控制方法，提供一能量管理及控制系统，包括控制系统、充电系统、推进系统、逆变系统、第一至第四锂电池组、切换柜，该切换柜包括继电器S1至S14，所述能量管理及控制方法实现如下，
（1）充电过程：
控制系统通过控制切换柜的继电器S3、S8、S11、S14，实现第一至第四锂电池组与充电系统的连接，开始进行第一至第四锂电池组的充电；
在充电过程中，控制系统实时采集第一至第四锂电池组故障状态、电荷状态SOC，若第一至第四锂电池组存在故障，则控制系统通过继电器S3、S8、S11、S14控制停止充电，若无故障，则进行第一至第四锂电池组电荷状态SOC的比较，控制系统通过继电器S3、S8、S11、S14，保证充电过程中均先从电荷状态SOC最低的锂电池组开始充电；
（2）放电过程：
控制系统通过控制切换柜的继电器S1、S2、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S12、S13，实现第一至第四锂电池组与推进系统、逆变系统的连接，开始进行第一至第四锂电池组的放电，其中，第一至第三锂电池组与推进系统连接，第四锂电池组与逆变系统连接；
在放电过程中，控制系统实时采集第一至第四锂电池组故障状态、电荷状态SOC，若第一至第四锂电池组存在故障，则控制系统通过继电器S1、S2、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S12、S13控制停止充电，若无故障，则执行下述步骤，
1）控制系统先闭合继电器S4、S9、S13，经过一预设时间T1，闭合继电器S5、S10、S12，而后经过预设时间T2，断开继电器S4、S9、S13；
2）判断第二锂电池组的电荷状态SOC2 是否达到50%，若是执行步骤3），否则，继续步骤2）；
3）闭合继电器S2，经过预设时间T2，断开继电器S5，而后经过预设时间T2，闭合继电器S1，而后经过预设时间T2，断开S2；
4）判断第三锂电池组的电荷状态SOC3 是否小于20%，若是执行步骤5），否则，继续步骤4）；
5）闭合继电器S7，经过预设时间T2，断开继电器S10，而后经过预设时间T2，闭合继电器S6，而后经过预设时间T2，断开S7；
6）判断第一、第二、第三锂电池组的电荷状态SOC1 、SOC2 、SOC4是否有小于35%的，若是执行步骤7），否则，继续步骤6）；
7）进行低电量报警提示；
8）判断第一、第二、第三锂电池组的电荷状态SOC1 、SOC2 、SOC4是否有小于20%的，若是执行步骤9），否则，继续步骤8）；
9）进行低电量处理。
在本发明一实施例中，所述能量管理及控制系统还包括一与所述控制系统连接的监控系统，用于监控充电系统、推进系统、逆变系统、第一至第四锂电池组、切换柜的状态信息。
在本发明一实施例中，所述充电系统、锂电池组通过CAN总线与控制系统连接，所述监控系统、逆变系统、推进系统通过RS485总线与控制系统连接，所述切换柜通过I/O口与控制系统连接。
在本发明一实施例中，所述控制系统包括CPU模块及与该CPU模块连接的电源模块、通信模块及远程无线模块，其中，通信模块包括RS485通信模块、CAN通信模块。
在本发明一实施例中，所述充电系统包括充电器，用于连接岸电电源和切换柜。
在本发明一实施例中，所述切换柜还包括保险丝FU1至FU4、电阻R1至R3，保险丝FU1至FU4的一端分别与第一至第四锂电池组连接，保险丝FU1至FU4的另一端分别经继电器S3、S8、S11、S14连接至充电系统，保险丝FU1的另一端还分别经继电器S1、继电器S2与电阻R1的串联电路连接至推进系统，保险丝FU2的另一端还分别经继电器S4与电阻R1的串联电路、继电器S5、继电器S6、继电器S7与电阻R2的串联电路连接至推进系统，保险丝FU3的另一端还分别经继电器S9与电阻R2的串联电路、继电器S10连接至推进系统，保险丝FU4的另一端还分别经继电器S12、继电器S13与电阻R3的串联电路连接至逆变系统。
在本发明一实施例中，所述推进系统包括第一、第二变频器及分别与第一、第二变频器连接的第一、第二电机。
在本发明一实施例中，所述逆变系统用于将直流电转换为交流电，给船舶配屏供电。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法能够实现充分利用电力推进船舶的锂电池组以及实现电力推进船舶的锂电池组之间的无缝切换。
附图说明
图1为本发明的系统架构。
图2为本发明充电控制策略流程图。
图3为本发明放电控制策略流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种电力推进船舶的能量管理及控制方法，提供一能量管理及控制系统，包括控制系统、充电系统、推进系统、逆变系统、第一至第四锂电池组、切换柜，该切换柜包括继电器S1至S14，所述能量管理及控制方法实现如下，
（1）充电过程：
控制系统通过控制切换柜的继电器S3、S8、S11、S14，实现第一至第四锂电池组与充电系统的连接，开始进行第一至第四锂电池组的充电；
在充电过程中，控制系统实时采集第一至第四锂电池组故障状态、电荷状态SOC，若第一至第四锂电池组存在故障，则控制系统通过继电器S3、S8、S11、S14控制停止充电，若无故障，则进行第一至第四锂电池组电荷状态SOC的比较，控制系统通过继电器S3、S8、S11、S14，保证充电过程中均先从电荷状态SOC最低的锂电池组开始充电；
（2）放电过程：
控制系统通过控制切换柜的继电器S1、S2、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S12、S13，实现第一至第四锂电池组与推进系统、逆变系统的连接，开始进行第一至第四锂电池组的放电，其中，第一至第三锂电池组与推进系统连接，第四锂电池组与逆变系统连接；
在放电过程中，控制系统实时采集第一至第四锂电池组故障状态、电荷状态SOC，若第一至第四锂电池组存在故障，则控制系统通过继电器S1、S2、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S12、S13控制停止充电，若无故障，则执行下述步骤，
1）控制系统先闭合继电器S4、S9、S13，经过一预设时间T1，闭合继电器S5、S10、S12，而后经过预设时间T2，断开继电器S4、S9、S13；
2）判断第二锂电池组的电荷状态SOC2 是否达到50%，若是执行步骤3），否则，继续步骤2）；
3）闭合继电器S2，经过预设时间T2，断开继电器S5，而后经过预设时间T2，闭合继电器S1，而后经过预设时间T2，断开S2；
4）判断第三锂电池组的电荷状态SOC3 是否小于20%，若是执行步骤5），否则，继续步骤4）；
5）闭合继电器S7，经过预设时间T2，断开继电器S10，而后经过预设时间T2，闭合继电器S6，而后经过预设时间T2，断开S7；
6）判断第一、第二、第三锂电池组的电荷状态SOC1 、SOC2 、SOC4是否有小于35%的，若是执行步骤7），否则，继续步骤6）；
7）进行低电量报警提示；
8）判断第一、第二、第三锂电池组的电荷状态SOC1 、SOC2 、SOC4是否有小于20%的，若是执行步骤9），否则，继续步骤8）；
9）进行低电量处理。
所述能量管理及控制系统还包括一与所述控制系统连接的监控系统，用于监控充电系统、推进系统、逆变系统、第一至第四锂电池组、切换柜的状态信息。
所述充电系统、锂电池组通过CAN总线与控制系统连接，所述监控系统、逆变系统、推进系统通过RS485总线与控制系统连接，所述切换柜通过I/O口与控制系统连接。
所述控制系统包括CPU模块及与该CPU模块连接的电源模块、通信模块及远程无线模块，其中，通信模块包括RS485通信模块、CAN通信模块。
所述充电系统包括充电器，用于连接岸电电源和切换柜。
所述切换柜还包括保险丝FU1至FU4、电阻R1至R3，保险丝FU1至FU4的一端分别与第一至第四锂电池组连接，保险丝FU1至FU4的另一端分别经继电器S3、S8、S11、S14连接至充电系统，保险丝FU1的另一端还分别经继电器S1、继电器S2与电阻R1的串联电路连接至推进系统，保险丝FU2的另一端还分别经继电器S4与电阻R1的串联电路、继电器S5、继电器S6、继电器S7与电阻R2的串联电路连接至推进系统，保险丝FU3的另一端还分别经继电器S9与电阻R2的串联电路、继电器S10连接至推进系统，保险丝FU4的另一端还分别经继电器S12、继电器S13与电阻R3的串联电路连接至逆变系统。
所述推进系统包括第一、第二变频器及分别与第一、第二变频器连接的第一、第二电机。
所述逆变系统用于将直流电转换为交流电，给船舶配屏供电。
以下为本发明的具体实施过程。
如图1所示本发明方法采用的系统，主要由充电系统、锂电池组、切换柜、推进系统、逆变系统、控制系统以及监控系统组成，其中：
充电系统：主要设备为充电器，连接岸电电源和切换柜，采用CAN总线技术实现锂电池组的充电功能；
锂电池组：作为电力推进船舶的能量来源，集成有电池管理系统，主电路连接切换柜，采用CAN总线技术实现对锂电池组的数据采集、分析以及监控管理；
切换柜：主要由保险丝、继电器组以及电阻组成，用于实现锂电池组之间的无缝切换功能。其中FU1-FU4为保险丝，S1-S14为继电器阵列，R1-R3为电阻；
推进系统：作为电力推进船舶的动力系统，由变频器和电机组成；
逆变系统：实现把直流电转换成交流电，给船舶配屏提供交流电源；
控制系统：作为电力推进船舶的控制核心，主要由电源模块、CPU模块、通信模块（CAN和RS485）、数字量模块（I/O）、模拟量模块（AI/AO）以及远程无线模块组成；
监控系统：实现锂电池组电力推进船舶重要数据的可视化监控；
系统数据采集：控制系统采用了CAN总线技术、I/O控制技术、RS485总线技术以及模拟量技术。整个系统数据交换包括锂电池数据采集、充电系统数据交换、切换柜控制、推进系统数据交换、逆变器系统数据采集以及监控系统数据交换。下面将对其进行详细描述：
（1）锂电池数据采集：作为整个系统的最重要的底层数据，采用CAN总线技术实现控制系统和电池管理系统（简称BMS）交换；控制系统的CPU接受到BMS发送的数据之后，根据约定好的通信协议进行解析以获得锂电池组的基本参数：电芯单体电压、电池组总电压、充放电状态、故障状态、电芯温度以及电池组的电荷状态（简称SOC）；
（2）充电系统数据交换：控制系统通过CAN总线技术实时和充电系统进行数据通信以实时掌握系统充电的基本参数：充电电流、充电电压以及充电状态等；
（3）控制柜切换：系统根据所采集到的锂电池数据，控制系统通过I/O总线技术实现对系统充电回路和放电回路的控制和状态监控；
（4）推进系统数据交换：采用标准RS485总线技术，实现控制系统和推进变频器之间的数据交换，包括控制命令数据、状态命令数据、电机电压、电机电流、电机频率等参数；
（5）逆变系统数据采集：采用标准RS485总线技术，实现控制系统和逆变系统之间的数据交换，包括直流端电压、直流端电流、交流端电压、交流端电流、交流端频率以及交流端功率；
（6）监控系统数据交换：采用标准RS485总线技术，控制系统把锂电池基本参数、充电系统参数、控制柜继电器状态、推进系统参数以及逆变系统参数实时的上传到上位机监控系统中实现数据可视化显示；同时监控软件可以向控制系统发送控制命令实现对系统的相关控制，如切换柜继电器的合闸和开闸等；
系统充放电控制策略：系统采用多组锂电池组，为充分利用锂电池组，设计出科学合理的循环充电和放电策略成为系统的关键控制环节，为此设计了如下的充电控制策略和放电控制策略：
充电控制策略：通过控制继电器S3、S8、S11、S14实现充电器和电池组之间的主电路连接，继电器的逻辑控制策略如图2所示：
控制系统通过控制切换柜的继电器S3、S8、S11、S14，实现第一至第四锂电池组与充电系统的连接，开始进行第一至第四锂电池组的充电；
在充电过程中，控制系统实时采集第一至第四锂电池组故障状态、电荷状态SOC，若第一至第四锂电池组存在故障，则控制系统通过继电器S3、S8、S11、S14控制停止充电，若无故障，则进行第一至第四锂电池组电荷状态SOC的比较，控制系统通过继电器S3、S8、S11、S14，保证充电过程中均先从电荷状态SOC最低的锂电池组开始充电。
放电控制策略：通过控制继电器S1、S2、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S12、S13来实现电池组1、电池组2、电池组3和电池组4的放电控制，其中前三组电池给推进系统供电，电池组4单独给逆变系统供电，具体的控制策略流程以及对应的继电器切换规则，如图3所示：
控制系统通过控制切换柜的继电器S1、S2、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S12、S13，实现第一至第四锂电池组与推进系统、逆变系统的连接，开始进行第一至第四锂电池组的放电，其中，第一至第三锂电池组与推进系统连接，第四锂电池组与逆变系统连接；
在放电过程中，控制系统实时采集第一至第四锂电池组故障状态、电荷状态SOC，若第一至第四锂电池组存在故障，则控制系统通过继电器S1、S2、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S12、S13控制停止充电，若无故障，则执行下述步骤，
1）控制系统先闭合继电器S4、S9、S13，经过一预设时间T1，闭合继电器S5、S10、S12，而后经过预设时间T2，断开继电器S4、S9、S13；
2）判断第二锂电池组的电荷状态SOC2 是否达到50%，若是执行步骤3），否则，继续步骤2）；
3）闭合继电器S2，经过预设时间T2，断开继电器S5，而后经过预设时间T2，闭合继电器S1，而后经过预设时间T2，断开S2；
4）判断第三锂电池组的电荷状态SOC3 是否小于20%，若是执行步骤5），否则，继续步骤4）；
5）闭合继电器S7，经过预设时间T2，断开继电器S10，而后经过预设时间T2，闭合继电器S6，而后经过预设时间T2，断开S7；
6）判断第一、第二、第三锂电池组的电荷状态SOC1 、SOC2 、SOC4是否有小于35%的，若是执行步骤7），否则，继续步骤6）；
7）进行低电量报警提示；
8）判断第一、第二、第三锂电池组的电荷状态SOC1 、SOC2 、SOC4是否有小于20%的，若是执行步骤9），否则，继续步骤8）；
9）进行低电量处理。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种电力推进船舶的能量管理及控制方法，其特征在于：提供一能量管理及控制系统，包括控制系统、充电系统、推进系统、逆变系统、第一至第四锂电池组、切换柜，该切换柜包括继电器S1至S14，所述能量管理及控制方法实现如下，
（1）充电过程：
控制系统通过控制切换柜的继电器S3、S8、S11、S14，实现第一至第四锂电池组与充电系统的连接，开始进行第一至第四锂电池组的充电；
在充电过程中，控制系统实时采集第一至第四锂电池组故障状态、电荷状态SOC，若第一至第四锂电池组存在故障，则控制系统通过继电器S3、S8、S11、S14控制停止充电，若无故障，则进行第一至第四锂电池组电荷状态SOC的比较，控制系统通过继电器S3、S8、S11、S14，保证充电过程中均先从电荷状态SOC最低的锂电池组开始充电；
（2）放电过程：
控制系统通过控制切换柜的继电器S1、S2、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S12、S13，实现第一至第四锂电池组与推进系统、逆变系统的连接，开始进行第一至第四锂电池组的放电，其中，第一至第三锂电池组与推进系统连接，第四锂电池组与逆变系统连接；
在放电过程中，控制系统实时采集第一至第四锂电池组故障状态、电荷状态SOC，若第一至第四锂电池组存在故障，则控制系统通过继电器S1、S2、S4、S5、S6、S7、S9、S10、S12、S13控制停止放电，若无故障，则执行下述步骤，
1）控制系统先闭合继电器S4、S9、S13，经过一预设时间T1，闭合继电器S5、S10、S12，而后经过预设时间T2，断开继电器S4、S9、S13；
2）判断第二锂电池组的电荷状态SOC2 是否达到50%，若是执行步骤3），否则，继续步骤2）；
3）闭合继电器S2，经过预设时间T2，断开继电器S5，而后经过预设时间T2，闭合继电器S1，而后经过预设时间T2，断开S2；
4）判断第三锂电池组的电荷状态SOC3 是否小于20%，若是执行步骤5），否则，继续步骤4）；
5）闭合继电器S7，经过预设时间T2，断开继电器S10，而后经过预设时间T2，闭合继电器S6，而后经过预设时间T2，断开S7；
6）判断第一、第二、第四锂电池组的电荷状态SOC1 、SOC2 、SOC4是否有小于35%的，若是执行步骤7），否则，继续步骤6）；
7）进行低电量报警提示；
8）判断第一、第二、第四锂电池组的电荷状态SOC1 、SOC2 、SOC4是否有小于20%的，若是执行步骤9），否则，继续步骤8）；
9）进行低电量处理；
所述切换柜还包括保险丝FU1至FU4、电阻R1至R3，保险丝FU1至FU4的一端分别与第一至第四锂电池组连接，保险丝FU1至FU4的另一端分别经继电器S3、S8、S11、S14连接至充电系统，保险丝FU1的另一端还分别经继电器S1、继电器S2与电阻R1的串联电路连接至推进系统，保险丝FU2的另一端还分别经继电器S4与电阻R1的串联电路、继电器S5、继电器S6、继电器S7与电阻R2的串联电路连接至推进系统，保险丝FU3的另一端还分别经继电器S9与电阻R2的串联电路、继电器S10连接至推进系统，保险丝FU4的另一端还分别经继电器S12、继电器S13与电阻R3的串联电路连接至逆变系统。
2.根据权利要求1所述的一种电力推进船舶的能量管理及控制方法，其特征在于：所述能量管理及控制系统还包括一与所述控制系统连接的监控系统，用于监控充电系统、推进系统、逆变系统、第一至第四锂电池组、切换柜的状态信息。
3.根据权利要求2所述的一种电力推进船舶的能量管理及控制方法，其特征在于：所述充电系统、锂电池组通过CAN总线与控制系统连接，所述监控系统、逆变系统、推进系统通过RS485总线与控制系统连接，所述切换柜通过I/O口与控制系统连接。
4.根据权利要求1所述的一种电力推进船舶的能量管理及控制方法，其特征在于：所述控制系统包括CPU模块及与该CPU模块连接的电源模块、通信模块及远程无线模块，其中，通信模块包括RS485通信模块、CAN通信模块。
5.根据权利要求1所述的一种电力推进船舶的能量管理及控制方法，其特征在于：所述充电系统包括充电器，用于连接岸电电源和切换柜。
6.根据权利要求1所述的一种电力推进船舶的能量管理及控制方法，其特征在于：所述推进系统包括第一、第二变频器及分别与第一、第二变频器连接的第一、第二电机。
7.根据权利要求1所述的一种电力推进船舶的能量管理及控制方法，其特征在于：所述逆变系统用于将直流电转换为交流电，给船舶配屏供电。
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