CN109334937B - 船舶电池电力推进系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶电池电力推进系统及其控制方法，每个电池组、每个岸电和每个主推进电机均被分配接到分配电板上的4个接触器，4个接触器的4副触点一端连接后与对应的电池组、岸电或主推进电机连接，4个接触器的4副触点的另一端分别对应接一个变频器一端，变频器的另一端接直流母线，两个主推进电机电力供电直流母线通过1个固态断路器连接。通过分配电板中分组接触器控制，在充电和放电的工况下切换使用变频器，省去原先每个电池组对应的DC/DC变换器和两个岸电可控整流器，变频器数量节约三分二左右，大幅减低系统的成本的空间排布。并使用综合控制系统来进行能量管理、推进控制和全船监测，进一步提高了能量管理的效率。

Description

船舶电池电力推进系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种船舶电气及动力技术，特别涉及一种船舶电池电力推进系统及其控制方法。

背景技术

近年来随着技术的进步，以及人们对船舶动力系统提出更高的要求，柴电电力推进作为特种船舶的动力方式已经得到了普遍的认可。随着国家将对船舶污染物排放进行大力度的控制，以及电池技术的进步和价格的下降，电池电力推进系统作为清洁的动力系统的代表被广泛的提出，其满足“零排放”、“低噪音”的同时会进一步降低运行成本，是未来中小型内河船舶的动力首选。

目前针对电池电力推进系统的研发相对较少，大容量电池系统成组之后的充放电一致性效果有待进一步的观察，目前电池技术偏向于将大容量电池系统分割成若干个容量在100～300kWh不等的电池组，每个电池组通过1个DCDC换流器进行充放电控制，这样可以保证电池组之间电池芯的一致性较高，电池的安全可以进一步提高。

以常规内河游览船电池电力推进系统如图1为例，为了满足船舶一天约6～8小时船舶航行时间，需要配置约2400kWh电池作为动力，则需要配置12个专用的DC/DC变换器对电池进行充放电控制，以及2个岸电接入专用的可控整流器，12组电池组平分为2组动力，每组动力带一个岸电和一个主推进电机，两组动力通过固态断路器连接成一个直流母线，每组电池组通过各自对应的DC/DC变换器接直流母线，一个主推进电机通过对应的推进变频器接直流母线，一个岸电通过对应的岸电变频器接直流母线。

发明内容

本发明是针对现在电池电力推进系统大容量电池系统分组后每组电池需配置一个DC/DC变换器和专门的岸电接入用可控整流器导致系统成本高的问题，提出了一种船舶电池电力推进系统及其控制方法，通过分配电板中接触器选择切换的形式，只用若干个变频器即可达到电池电力系统供电正常工作的要求。并使用综合控制系统来进行能量管理、推进控制和全船监测的功能，进一步提升了能量管理的效率，推进控制的响应和全船的自动化水平。

本发明的技术方案为：一种船舶电池电力推进系统，包括数组电池组、两个主推进电机、2个岸电接口、1套分配电板、4个变频器、1个固态断路器和1套综合控制模块；船舶行驶时，电池组在综合控制模块控制下给两个主推进电机供电，船舶靠岸时，在综合控制模块控制下通过2个岸电接口将岸电引入给各个电池组充电；每个电池组、每个岸电和每个主推进电机均被分配接到分配电板上的4个接触器，4个接触器的4副触点一端连接后与对应的电池组、岸电或主推进电机连接，4个接触器的4副触点的另一端分别对应接一个变频器一端，变频器的另一端接直流母线，两个主推进电机电力供电直流母线通过1个固态断路器连接。

所述电池组通过接触器接入变频器时，变频器将直流变直流接直流母线，电池组内配置三相滤波器，接触器接于变频器和滤波器中间，滤波器和电池组正极连接，负极和直流母线负极相连接。

所述主推进电机通过接触器接入变频器时，变频器将直流母线上直流变交流，综合控制模块采用闭环矢量控制，对推进器的转速和转矩进行控制。

所述岸电接口通过接触器接入变频器时，变频器将交流变直流接直流母线，岸电接口与变频器之间配置LCL滤波器，变频器采用直流电流控制原理，功率因数超过0.99。

所述综合控制模块和变频器之间采用Profibus现场总线进行通讯，综合控制模块和电池组的电池管理系统采用RS485通讯接口和Modbus-RTU通讯协议，综合控制模块和岸电管理系统采用光纤接口和Modbus-TCP通讯协议，综合控制模块控制和监测分配电板内接触器的状态。

所述船舶电池电力推进系统控制方法，综合控制模块根据电池组、变频器状态信息及全船通导的信息，推进控制根据逻辑控制和算法，对推进方案进行优化、核心设备进行健康管理和推进故障限制；推进方案优化包括最优航速推荐方案和最佳效率推荐方案，根据电池组剩余容量、大气和水文状况、船舶航速、剩余航程、预期到港时间信息算出最优推进速度来推荐给驾驶人员；通过在线估算电池组、变频器、推进电机和日用负荷的综合最佳效率来推荐在线设备数量方案给管理人员；

核心设备健康管理：通过对电池组、变频器和推进电机的振动温度信息来综合预测核心设备的健康状况，并对管理人员提出设备维护和使用建议；

推进故障限制：第一时间获知电池组报警或故障情况后，对推进功率加以限制以防止突然丢失电池组后剩余电池组过载。

所述船舶电池电力推进系统控制方法，综合控制模块检测电池组容量，投入运行电池组大于等于2组，电池组之间负荷根据下垂模式自动分配，当投入电池组容量小于10％时，自动切换其他电池组投入运行。

所述船舶电池电力推进系统控制方法，直流母线首次上电或者因为严重故障导致直流母线失电情况下，由于每个变频器均有一个大电容挂在直流母线上，再次上电需要对大电容进行预充电，综合控制模块自动选择电池组作为预充电电源，控制预充电整流模块和预充电电阻对直流母线上大电容进行充电至80％额定直流母线电压后，自动控制电池组接触器合闸，自动断开预充电回路，变频器进入工作模式

本发明的有益效果在于：本发明船舶电池电力推进系统及其控制方法，通过分配电板中分组接触器控制，在充电和放电的工况下切换使用变频器，省去大部分原先每个电池组对应的DC/DC变换器，可以省去两个岸电可控整流器，变频器数量节约三分二左右，大幅减低系统的成本的空间排布。并使用综合控制系统来进行能量管理、推进控制和全船监测的功能，进一步提高了能量管理的效率，推进控制的响应和全船的自动化水平，使得船舶行驶中的污染物排放几乎为零。

附图说明

图1为常规内河游览船电池电力推进系统结构示意图；

图2为本发明本发明船舶电池电力推进系统结构示意图；

图3为本发明船舶电池电力推进系统靠岸充电能量流示意图；

图4为本发明船舶电池电力推进系统行驶放电能量流示意图；

图5为本发明电池与变频器的连接原理图。

具体实施方式

如图2所示为本发明船舶电池电力推进系统的实施例，系统由12个200kWh电池组、2个200kW主推进电机、2个200kW岸电接口、1套分配电板、4个200kW的变频器、1个固态断路器和1套综合控制模块组成，直流母线的电压为700VDC，电池组额定电压为580VDC，每个电池组、每个岸电和每个主推进电机均被分配接到分配电板上的4个接触器，4个接触器的4副触点一端连接后与对应的电池组、岸电或主推进电机连接，4个接触器的4副触点的另一端分别对应接一个变频器一端，变频器的另一端接直流母线，即每个电池组、每个岸电和每个主推进电机均通过自己分配到的第一接触器接到第一变频器，通过自己分配到的第二接触器接到第二变频器，通过自己分配到的第三接触器接到第三变频器，通过自己分配到的第四接触器接到第四变频器。

船舶靠岸电池充电时具体实施：如图3所示，综合控制模块控制岸电1的第二个接触器和岸电2的第三个接触器进行合闸，两个岸电分别通过变频器2和变频器3将岸电整流后接入直流母线。综合控制模块控制电池组1的第一个接触器和电池组7的第四接触器进行合闸，通过变频器1和变频器4将直流母线电能输入到电池组，采用1C的电流进行充电，每组电池组充电时间为1小时。将电池组1和7充满后，可进行2和8组的电池组进行充电，所有电池组充电时间预计为6个小时，考虑晚上谷时充电6小时可以满足白天6～8小时的行驶时间，亦可在船舶临时靠港的时候进行电能的补充。

船舶行驶电池放电时具体实施：如图4所示，综合控制模块控制电池组1的第一个接触器和电池组7的第三个接触器进行合闸，通过变频器1和变频器3将电池能量接入直流母线。综合控制模块控制主推进电机1的第二个接触器和主推进电机2的第四接触器进行合闸，通过变频器2和变频器4将直流母线电能输出至主推进电机，推动螺旋桨为船舶提供动力。如果船舶全速航行时，两组电池组可以为船舶提供1个小时的动力。所以当综合控制模块接收来自电池管理系统关于任一电池组容量小于10％时，将其余电量满的电池组投入运行。该系统可以全速航行约6个小时。

变频器三种能量变化具体实施：

1)当电池组通过接触器接入变频器时，变频器将直流变直流接直流母线，接线原理图如图5所示，电池组内需要配置三相滤波器，接触器接于变频器和滤波器中间，滤波器和电池组正极连接，负极和直流母线负极相连接。这种三相交错并联的结构有助于减少电压和电流的纹波，可以满足大功率电池组充放电的需求。

2)当主推进电机通过接触器接入变频器时，变频器将直流母线上直流变交流，采用闭环矢量控制原理对主推进电机进行控制。主推进电机上设置了增量式编码器，集成了完善的转矩过载保护、超速保护、功率限制、螺旋桨出水保护、温度保护及过压、过流等保护功能。通过接收综合控制系统的指令，实现对推进器的转速/转矩的精准控制。

3)当岸电接口通过接触器接入变频器时，变频器将交流变直流接直流母线，岸电接口与变频器之间配置LCL滤波器，变频器采用直流电流控制原理，功率因数超过0.99，岸电侧谐波水平被严格控制在5％以内，具备过流、短路等保护功能，保障系统供电的可靠性。

综合控制模块具体实施：

综合控制模块兼备能量管理、推进控制和监测报警，采用高性能PLC快速处理逻辑控制保证船舶动态响应和可靠的安全性能，并设置有工业计算机作为人界界面。综合控制模块和变频器之间采用Profibus现场总线进行通讯,和电池管理系统采用RS485通讯接口和Modbus-RTU通讯协议，和岸电管理系统采用光纤接口和Modbus-TCP通讯协议，综合控制模块控制和监测分配电板内接触器的状态。

1)能量管理主要功能

预充电功能：配置两套预充电整流模块和充电电阻，其电力通过电池组提供。直流母线首次上电或者因为严重故障导致直流母线失电情况下，由于每个变频器均有一个大电容挂在直流母线上，再次上电需要对大电容进行预充电，综合控制模块自动选择电池组作为预充电电源，控制预充电整流模块和预充电电阻对直流母线上大电容进行充电至80％额定直流母线电压后，自动控制电池组接触器合闸，自动断开预充电回路，变频器进入工作模式。

电池组控制模式：投入运行电池组大于等于2组，电池组之间负荷根据下垂模式自动分配；在网电池组容量小于10％时，自动切换其他电池组投入运行；

充电管理：岸电与船侧插座可靠连接后开始充电，直至电池容量达到满值时，分开岸电交流流接触器来完成充电过程。充电过程中功率管理实时监测变频器的工作状态，一旦有短路或者过载马上终止充电过程。功率管理与电池管理系统之间有通讯功能，功率管理系统根据电池管理系统的信息对电池组充电电流进行限制，采用恒流恒压充电模式，一旦达到电池容量满值，限制直流换流器输出。充电过程中功率管理系统实时监测电池组的电压、电流、SOC、温度和报警信号，一旦超出限定值立刻限制直流换流器输出。

2)推进控制主要功能

采用综合控制模块后，使推进控制和能量管理的信息得到了共享，并接入了全船通导信息，推进控制获得能量管理的全部信息(包括电池组、变频器和充电器等信息)和全船通导的信息后，根据相关逻辑控制和算法，对推进进行优化、健康管理和故障限制。

最优航速推荐方案：根据电池组剩余容量、大气和水文状况、船舶航速、剩余航程、预期到港时间等信息算出最优推进速度来推荐给驾驶人员；

最佳效率推荐方案：通过在线估算电池组、变频器、推进电机和日用负荷的综合最佳效率来推荐在线设备数量方案给管理人员；

核心设备健康管理：通过对电池组、变频器和推进电机的振动温度等信息来综合预测核心设备的健康状况，并对管理人员提出设备维护和使用建议；

推进故障限制：第一时间获知电池组报警或故障情况后，对推进功率加以限制以防止突然丢失电池组后剩余电池组过载。

3)全船监测主要功能

系统自检：运行过程中，能够自动检测系统自身故障，包括网络节点故障、模拟量信号断线故障。系统的自动检测功能不影响系统对各设备的正常监测报警功能。

用户权限管理：采用用户名及密码方式进行用户访问权限管理，设置管理员用户及普通用户两级用户访问权限。管理员用户可进行模拟量报警限值修改、用户登录日志查看等操作，普通用户则只能进行设备运行状态、故障记录查看及报警确认等基本操作。

监测设备状态显示：根据设备类别，分页面显示各监测设备运行状态。主要页面包括：电池组、主推进控制系统、电力系统、岸电充电等。友好的图形化界面以直观的方式显示各信号状态，重要参数将以虚拟仪表或者图形方式显示，图形显示状态根据实时监测数据的变化相应变化。

故障摘要：故障摘要列表显示系统中所有现存的以及故障虽然消失但未获确认的故障报警，并根据故障状态及故障优先级别以不同颜色区别显示。列表中的故障按照故障发生时间及故障确认时间排序，最近发生以及获得确认的故障排在列表的顶部，未获确认故障排在已获确认故障的前面。故障列表中包括故障名称、故障发生时间、故障状态等信息。

故障历史：故障历史列表中记录10000条的故障报警信息，超出容量后覆盖最初的历史记录。并根据故障是否排除以不同方式区别显示。最新发生的故障报警显示在故障历史的顶部，其他故障报警信息按故障发生的时间顺序排列。

报警限值设定：进入报警限值设定界面，选择需要修改的报警信号通道，可进行模拟量报警限值包括上上限值、上限值、下限值、下下限值或延时时间的设置。

趋势图显示：可对所有模拟量信号进行1个月内，采样周期为1S的数据存储并及趋势图显示。通过趋势图用户可通过曲线方式查看某设备参数的过程状态，了解设备运行状况，曲线在界面中动态移动始终跟踪监测变量的最新数值，并可通过拖动显示窗口查看历史趋势。

设备运行时间记录：系统能够对重要设备运行时间和运行次数进行统计和记录并保存在计算机硬盘中。运行时间记录精度为分钟级，最长统计时间可达30年，运行次数最大可达60000次。在管理员权限下，通过复位按钮，可对运行时间记录进行人工复位清零。此功能可以让维修人员周期维护设备作为参考依据。

Claims (4)

1.一种船舶电池电力推进系统控制方法，其特征在于，包括12个电池组、两个主推进电机、2个岸电接口、1套分配电板、4个变频器、1个固态断路器和1套综合控制模块；船舶行驶时，电池组在综合控制模块控制下给两个主推进电机供电，船舶靠岸时，在综合控制模块控制下通过2个岸电接口将岸电引入给各个电池组充电；每个电池组、每个岸电和每个主推进电机均被分配连接到分配电板上的4个接触器，4个接触器的4副触点一端连接后与对应的电池组、岸电或主推进电机连接，4个接触器的4副触点的另一端分别对应连接4个变频器一端，4个变频器的另一端均连接直流母线，两个主推进电机电力供电直流母线通过1个固态断路器连接；

所述电池组通过接触器接入变频器时，变频器将交流变直流接直流母线，电池组内配置三相滤波器，接触器接于变频器和滤波器中间，滤波器和电池组正极连接，负极和直流母线负极相连接；

所述主推进电机通过接触器接入变频器时，变频器将直流母线上直流变交流，综合控制模块采用闭环矢量控制，对推进器的转速和转矩进行控制；

所述岸电接口通过接触器接入变频器时，变频器将交流变直流接直流母线，岸电接口与变频器之间配置LCL滤波器，变频器采用直流电流控制原理，功率因数超过0.99；

所述综合控制模块和变频器之间采用Profibus现场总线进行通讯，综合控制模块和电池组的电池管理系统采用RS485通讯接口和Modbus-RTU通讯协议，综合控制模块和岸电管理系统采用光纤接口和Modbus-TCP通讯协议，综合控制模块控制和监测分配电板内接触器的状态；

船舶靠岸电池充电时：综合控制模块控制第一岸电接口的第二个接触器和第二岸电接口的第三个接触器进行合闸，两个岸电接口分别通过第二变频器和第三变频器将岸电整流后接入直流母线；综合控制模块控制第一电池组的第一个接触器和第七电池组的第四接触器进行合闸，通过第一变频器和第四变频器将直流母线电能输入到电池组，采用1C的电流进行充电，每组电池组充电时间为1小时；将第一电池组和第七电池组充满后，对第二电池组和第八电池组进行充电，所有电池组充电时间为6个小时；

船舶行驶电池放电时：综合控制模块控制第一电池组的第一个接触器和第七电池组的第三个接触器进行合闸，通过第一变频器和第三变频器将电池能量接入直流母线；综合控制模块控制第一主推进电机的第二个接触器和第二主推进电机的第四接触器进行合闸，通过第二变频器和第四变频器将直流母线电能输出至主推进电机，推动螺旋桨为船舶提供动力；船舶全速航行时，两组电池组可为船舶提供1个小时的动力，当综合控制模块接收来自电池管理系统关于任一电池组容量小于10%时，将其余电量满的电池组投入运行，系统可全速航行6个小时。

2.根据权利要求1所述船舶电池电力推进系统控制方法，其特征在于，综合控制模块根据电池组、变频器状态信息及全船通导的信息，推进控制根据逻辑控制和算法，对推进方案进行优化、核心设备进行健康管理和推进故障限制；推进方案优化包括最优航速推荐方案和最佳效率推荐方案，根据电池组剩余容量、大气和水文状况、船舶航速、剩余航程、预期到港时间信息算出最优推进速度来推荐给驾驶人员；通过在线估算电池组、变频器、推进电机和日用负荷的综合最佳效率来推荐在线设备数量方案给管理人员；

核心设备健康管理：通过对电池组、变频器和推进电机的振动温度信息来综合预测核心设备的健康状况，并对管理人员提出设备维护和使用建议；

推进故障限制：第一时间获知电池组报警或故障情况后，对推进功率加以限制以防止突然丢失电池组后剩余电池组过载。

3.根据权利要求2所述船舶电池电力推进系统控制方法，其特征在于，综合控制模块检测电池组容量，投入运行电池组大于等于2组，电池组之间负荷根据下垂模式自动分配，当投入电池组容量小于10%时，自动切换其他电池组投入运行。

4.根据权利要求2所述船舶电池电力推进系统控制方法，其特征在于，直流母线首次上电或者因为严重故障导致直流母线失电情况下，由于每个变频器均有一个大电容挂在直流母线上，再次上电需要对大电容进行预充电，综合控制模块自动选择电池组作为预充电电源，控制预充电整流模块和预充电电阻对直流母线上大电容进行充电至80%额定直流母线电压后，自动控制电池组接触器合闸，自动断开预充电回路，变频器进入工作模式。

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