CN110001907A - 一种新能源船用锂离子电池-锌空气电池混合动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新能源船用锂离子电池‑锌空气电池混合动力系统，其特征是，包括并行接入到混合动力船舶能量控制单元的锂离子电池控制单元和锌空气电池控制单元，所述锂离子电池控制单元设有一组锂离子电池组，锂离子电池组通过双向DC/DC变换器连接电机控制模块；所述锌空气电池控制单元设有一组锌空气电池组，锌空气电池组通过单向DC/DC变换器连接电机控制模块，电机控制模块顺序连接推进电机和螺旋桨。这种系统，由两种具有不同特性的电池组构成，充分发挥锂离子电池比功率较大、储能效果佳以及锌空气电池比能量相对较高等优势，从根本上解决新能源船舶动力不足、续航里程不足以及制动能量浪费问题。
Description
技术领域
本发明涉及混合动力技术，具体是一种新能源船用锂离子电池-锌空气电池混合动力系统。
背景技术
随着环境污染和能源匮乏问题的日益突出，发展可再生的、新型无污染的新能源材料是实现能源可持续发展的必经之路。在船舶领域，单纯利用柴油机的技术改革很难满足国家的排放标准，而锂离子电池和锌空气电池共同驱动的混合动力技术已逐渐成为可行的技术方案。锌空气电池因具有能量密度高、绿色环保、资源丰富、较高的电容量以及成本低等有点，被视为新能源船舶混合动力的首选之一。锌空气电池是以空气中的氧气作为正极活性物质，以金属锌作为负极活性物质，在催化剂的电催化作用下发生化学反应而放出电能的化学电源。
目前，将锂离子电池作为新能源船舶的推进动力电源，基本可以满足船舶动力需求，但是无法满足行驶里程的要求，而在动力系统中加入锌空气电池，一方面可以克服船舶续航里程不足的问题，另一方面，锂离子电池的存在可以解决单纯利用锌空气电池作为船舶动力时输出功率偏低的难题。与此同时，将锂离子电池作为制动能量的储能装置，将混合动力船舶制动能量进行回收，实现能量回收循环利用的目的，并最终解决新能源船舶动力不足、续航里程短以及制动能量浪费等问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种新能源船用锂离子电池-锌空气电池混合动力系统。这种系统，由两种具有不同特性的电池组构成，充分发挥锂离子电池比功率较大、储能效果佳以及锌空气电池比能量相对较高等优势，从根本上解决新能源船舶动力不足、续航里程不足以及制动能量浪费问题。
实现本发明目的的技术方案是：
一种新能源船用锂离子电池-锌空气电池混合动力系统，与现有技术不同的是，包括并行接入到混合动力船舶能量控制单元的锂离子电池控制单元和锌空气电池控制单元，所述锂离子电池控制单元设有一组锂离子电池组，锂离子电池组通过双向DC/DC变换器连接电机控制模块；所述锌空气电池控制单元设有一组锌空气电池组，锌空气电池组通过单向DC/DC变换器连接电机控制模块，电机控制模块顺序连接推进电机和螺旋桨。
所述锂离子电池控制单元和锌空气电池控制单元，均设有串联在一起的主控模块和从控模块，主控模块负责数据分析并作出下一步保护指示，从控模块负责采集锂离子电池温度、电压参数，上报到主控模块中，主控模块与串联在一起的控制及配电模块与电流传感器连接，控制及配电模块负责供电电路的控制及保护，电流传感器负责检测供电电路电流的变化情况，主控模块监控控制及配电模块与电流传感器的工作状态。
所述锂离子电池组为至少2组。
所述锌空气电池组为至少2组。
双向DC/DC变换器的作用是为混合动力船舶提供推力和吸收制动过程的暂存能量。
电机控制模块设有DC/AC逆变器和控制器，其中控制器作用是接受推进电机转速等信号反馈到仪表，当发生制动或者加减速行驶时，控制器控制变频器频率的升降，从而达到加减速目的，电机控制模块可采用型号为XHM1系列的电机控制模块。
所述螺旋桨作为新能源船舶的推进器，一方面利用螺旋桨的机械能推进船舶运动，另一方面，新能源船舶制动或减速过程中，螺旋桨转速由高到低，频率突减，此时系统可能处于回馈发电状态，能量通过电机控制系统反馈于锂离子电池组，完成能量回收任务。
电机控制模块将电池组存储的电量转化为驱动电机的电能，并经过螺旋桨的机械能来推动船舶航行，或者帮助船舶制动，并将部分制动能量进行回收，并通过双向DC/DC变换器反馈到锂离子电池组中。
在本技术方案中，根据船舶航行时的功率和行驶里程需求，由混合动力船舶能量管理系统决定由锂离子电池组单独、锌空气电池组单独或者锂离子电池组和锌空气电池组相互配合共同满足实际需求，在船舶加速或者逆流行驶时，采用锂离子电池组单独或者锂离子电池组和锌空气电池组同时提供动力满足功率需求，此时，混合动力船舶能量管理单元将充电指令分别发给锂离子电池控制单元和锌空气电池控制单元，锂离子电池控制单元和锌空气电池控制单元，分别控制锂离子电池组和锌空气电池组为推进电机提供动力，其中，锂离子电池组输出端连接双向DC/DC变换器输入端，双向DC/DC变换器输出端连接电机控制模块输入端，电机控制模块顺序连接推进电机、螺旋桨完成锂离子电池组充电工作，锌空气电池组输出端连接单向DC/DC变换器输入端，单向DC/DC变换器输出端连接电机控制模块输入端，电机控制模块顺序连接推进电机、螺旋桨完成锌空气电池组充电工作。
在船舶顺流平缓航行时，功率输出需求不大，使用锌空气电池组单独为船舶运行提供动力，此时，混合动力船舶能量管理单元将充电指令发给锌空气电池控制单元，锌空气电池控制单元控制锌空气电池组为推进电机提供动力，其中，锌空气电池组输出端连接单向DC/DC变换器输入端，单向DC/DC变换器输出端连接电机控制模块输入端，电机控制模块顺序连接推进电机、螺旋桨完成锌空气电池组充电工作。
当船舶刹车或减速时，通过制动回充为锂离子电池组进行补电，实现能量回收利用，此时，螺旋桨转速由高到低，频率突减，此时系统可能处于回馈发电状态，能量通过电机控制模块顺序连接双向DC/DC变换器传输到锂离子电池组中，最后，在船舶停泊靠岸时，由锌空气电池组为锂离子电池组进行供电，此时，锌空气电池组顺序连接单向DC/DC变换器、电机控制模块、双向DC/DC变换器将电量传输到锂离子电池组，完成对锂离子电池组补充电量的任务。
与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：
（1）克服新能源船舶动力需求不足的问题：采用锂离子电池组和锌空气电池组并联组成的混合动力电池系统，充分利用锂离子电池组输出功率大，锌空气电池组比容量相对较高的优势，根据船舶运行时的实际工况和动力需求，提供最佳的供电策略；
（2）解决新能源船舶续航里程不足的问题：采用本发明的混合动力电池系统，可以由混合动力船舶能量管理系统具体分配两种动力系统的功率输出情况。在一定的情况下，可以通过制动回充和锌空气电池组的输出功率为锂离子电池组进行补电，这种供电策略很大程度上提高新能源船舶的续航里程；
（3）可以有效地延长锂离子电池组和锌空气电池组的使用寿命：新能源船舶航行过程中需大功率输出时，选择锂离子电池组单独或锂离子电池组和锌空气电池组两者相结合共同提供动力，这种工况下，可使锌空气电池组在低电流放电的最佳状态内工作，提高锌空气电池组的使用寿命。与此同时，锌空气电池组相对稳定的功率输出使得锂离子电池组不会出现过流放电情况，大大提高锂离子电池组的使用寿命；
（4）混合动力船舶制动能量得到有效回收利用，从而降低系统运行成本：本发明的混合动力电池系统中，加入双向DC/DC转换器，可以有效地回收船舶制动或减速时的能量，并以存储的方式，由锂离子电池组储存起来，最大限度的将能量进行回收，将系统运行时的能耗降到最低，从而降低系统的运行成本。
这种系统，由两种具有不同特性的电池组构成，充分发挥锂离子电池比功率较大、储能效果佳以及锌空气电池比能量相对较高等优势，从根本上解决新能源船舶动力不足、续航里程不足以及动能量浪费问题。
附图说明
图1为实施例的工作原理结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的的限定。
实施例：
参照图1，一种新能源船用锂离子电池-锌空气电池混合动力系统，包括并行接入到混合动力船舶能量控制单元的锂离子电池控制单元和锌空气电池控制单元，所述锂离子电池控制单元设有一组锂离子电池组，锂离子电池组通过双向DC/DC变换器连接电机控制模块；所述锌空气电池控制单元设有一组锌空气电池组，锌空气电池组通过单向DC/DC变换器连接电机控制模块，电机控制模块顺序连接推进电机和螺旋桨。
所述锂离子电池控制单元和锌空气电池控制单元，均设有串联在一起的主控模块和从控模块，主控模块负责数据分析并作出下一步保护指示，从控模块负责采集锂离子电池温度、电压参数，上报到主控模块中，主控模块与串联在一起的控制及配电模块与电流传感器连接，控制及配电模块负责供电电路的控制及保护，电流传感器负责检测供电电路电流的变化情况，主控模块监控控制及配电模块与电流传感器的工作状态。
所述锂离子电池组为至少2组。
所述锌空气电池组为至少2组。
双向DC/DC变换器的作用是为混合动力船舶提供推力和吸收制动过程的暂存能量，本例优选型号为SD-200B、SD-200C。
电机控制模块设有DC/AC逆变器和控制器，其中控制器作用是接受推进电机转速等信号反馈到仪表，当发生制动或者加减速行驶时，控制器控制变频器频率的升降，从而达到加减速目的，本例电机控制模块采用型号为XHM1系列的电机控制模块。
所述螺旋桨作为新能源船舶的推进器，一方面利用螺旋桨的机械能推进船舶运动，另一方面，新能源船舶制动或减速过程中，螺旋桨转速由高到低，频率突减，此时系统可能处于回馈发电状态，能量通过电机控制系统反馈于锂离子电池组，完成能量回收任务。
电机控制模块将电池组存储的电量转化为驱动电机的电能，并经过螺旋桨的机械能来推动船舶航行，或者帮助船舶制动，并将部分制动能量进行回收，并通过双向DC/DC变换器反馈到锂离子电池组中。
本例中主控模块型号为BC54B，包含绝缘监测、高压检测并且具有无线数据传输功能，将从控模块中对电池采集的信息进行汇总、对电池组做出相应的保护策略。
本例中从控模块型号为BM5112S、BM5124S、BM5136S以及BM5148S，其集成多路电压、温感采集，具有对电芯温度、电压采集以及电池均衡等功能。
强电控制模块负责锂离子电池组和锌空气电池组充放电回路以及预充回路的电源管理，另外具有过流保护，可以很好的控制混合动力电池系统的输出功率。强电控制模块内部设置继电器，本例中继电器优选型号为FWP-500A/700A，其额定电流为500A/700A,额定电压为700V，完全满足锂离子电池组和锌空气电池组并联组成的复合电源最大上限电流值、电压值。
本例中电流传感器优选型号为JCE500-ASS/E，功能是采集电池组的充放电电流和回馈电流，其电流量程为-500A-500A。
在本例中，根据船舶航行时的功率和行驶里程需求，由混合动力船舶能量管理系统决定由锂离子电池组单独、锌空气电池组单独或者锂离子电池组和锌空气电池组相互配合共同满足实际需求，在船舶加速或者逆流行驶时，采用锂离子电池组单独或者锂离子电池组和锌空气电池组同时提供动力满足功率需求，此时，混合动力船舶能量管理单元将充电指令分别发给锂离子电池控制单元和锌空气电池控制单元，锂离子电池控制单元和锌空气电池控制单元，分别控制锂离子电池组和锌空气电池组为推进电机提供动力，其中，锂离子电池组输出端连接双向DC/DC变换器输入端，双向DC/DC变换器输出端连接电机控制模块输入端，电机控制模块顺序连接推进电机、螺旋桨完成锂离子电池组充电工作，锌空气电池组输出端连接单向DC/DC变换器输入端，单向DC/DC变换器输出端连接电机控制模块输入端，电机控制模块顺序连接推进电机、螺旋桨完成锌空气电池组充电工作。
在船舶顺流平缓航行时，功率输出需求不大，使用锌空气电池组单独为船舶运行提供动力，此时，混合动力船舶能量管理单元将充电指令发给锌空气电池控制单元，锌空气电池控制单元控制锌空气电池组为推进电机提供动力，其中，锌空气电池组输出端连接单向DC/DC变换器输入端，单向DC/DC变换器输出端连接电机控制模块输入端，电机控制模块顺序连接推进电机、螺旋桨完成锌空气电池组充电工作。
当船舶刹车或减速时，通过制动回充为锂离子电池组进行补电，实现能量回收利用，此时，螺旋桨转速由高到低，频率突减，此时系统可能处于回馈发电状态，能量通过电机控制模块顺序连接双向DC/DC变换器传输到锂离子电池组中，最后，在船舶停泊靠岸时，由锌空气电池组为锂离子电池组进行供电，此时，锌空气电池组顺序连接单向DC/DC变换器、电机控制模块、双向DC/DC变换器将电量传输到锂离子电池组，完成对锂离子电池组补充电量的任务。
Claims (4)
1.一种新能源船用锂离子电池-锌空气电池混合动力系统，其特征是，包括并行接入到混合动力船舶能量控制单元的锂离子电池控制单元和锌空气电池控制单元，所述锂离子电池控制单元设有一组锂离子电池组，锂离子电池组通过双向DC/DC变换器连接电机控制模块；所述锌空气电池控制单元设有一组锌空气电池组，锌空气电池组通过单向DC/DC变换器连接电机控制模块，电机控制模块顺序连接推进电机和螺旋桨。
2.根据权利要求1所述的新能源船用锂离子电池-锌空气电池混合动力系统，其特征是，所述锂离子电池控制单元和锌空气电池控制单元，均设有串联在一起的主控模块和从控模块，主控模块与串联在一起的控制及配电模块与电流传感器连接。
3.根据权利要求1所述的新能源船用锂离子电池-锌空气电池混合动力系统，其特征是，所述锂离子电池组为至少2组。
4.根据权利要求1所述的新能源船用锂离子电池-锌空气电池混合动力系统，其特征是，所述锌空气电池组为至少2组。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190712 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |