CN110979616A - 一种基于三电系统的纯电动船动力总成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于三电系统的纯电动船动力总成系统，包括主控制器、动力锂电池组、超级电容组和电动驱动装置，所述主控制器通过网络与所述电动驱动装置相连，还包括燃料电池堆，所述燃料电池堆配置有燃料电池管理系统，所述燃料电池管理系统通过网络与主控器相连，所述主控制器通过动力开关装置分别与所述动力锂电池组、超级电容组、燃料电池堆和电动驱动装置相连，用于控制动力开关装置实现对所述动力锂电池组、超级电容组和燃料电池堆的切换以向所述电动驱动装置供电，以及实现对所述动力锂电池组、超级电容组和燃料电池堆之间的能量传递。本发明能够满足纯电动船在不同情况下航行的电量需求。
Description
技术领域
本发明涉及船舶动力系统，特别是涉及一种基于三电系统的纯电动船动力总成系统。
背景技术
在纯电动船动力总成系统的研究过程中我们发现，在一些大型的船舶应用中，在解决了动力特性后，为了获得很长的续航里程必须配置大量的动力锂电池(MWh的数量级)，以满足续航里程的需求，而且，由于电池的容量增大，必然需要很长的充电时间，在具体的应用中，往往是不能满足其实际作业需要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于三电系统的纯电动船动力总成系统，能够满足纯电动船在不同情况下航行的电量需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于三电系统的纯电动船动力总成系统，包括主控制器、动力锂电池组、超级电容组和电动驱动装置，所述主控制器通过网络与所述电动驱动装置相连，还包括燃料电池堆，所述燃料电池堆配置有燃料电池管理系统，所述燃料电池管理系统通过网络与主控器相连，所述主控制器通过动力开关装置分别与所述动力锂电池组、超级电容组、燃料电池堆和电动驱动装置相连，用于控制动力开关装置实现对所述动力锂电池组、超级电容组和燃料电池堆的切换以向所述电动驱动装置供电，以及实现对所述动力锂电池组、超级电容组和燃料电池堆之间的能量传递。
所述动力锂电池组配置有电池管理系统，所述电池管理系统通过网络与所述主控制器相连。
所述超级电容组配置有超级电容管理系统，所述超级电容管理系统通过网络与所述主控制器相连。
所述网络为CAN总线网络。
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：本发明通过主控制器对动力开关装置进行控制，使得在不同情况下能够采用不同的电源系统向电动驱动装置供电，从而满足船舶航行的需求，并且还可以通过控制动力开关装置实现三电系统之间的能力传递，从而保证了船舶长时间的续航里程需求。
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基于三电系统的纯电动船动力总成系统，如图1所示，包括主控制器、动力锂电池组、超级电容组和电动驱动装置，所述主控制器通过网络与所述电动驱动装置相连，还包括燃料电池堆，所述燃料电池堆配置有燃料电池管理系统，所述燃料电池管理系统通过网络与主控器相连，所述主控制器通过动力开关装置分别与所述动力锂电池组、超级电容组、燃料电池堆和电动驱动装置相连，用于控制动力开关装置实现对所述动力锂电池组、超级电容组和燃料电池堆的切换以向所述电动驱动装置供电，以及实现对所述动力锂电池组、超级电容组和燃料电池堆之间的能量传递。其中，所述动力锂电池组配置有电池管理系统，所述电池管理系统通过网络与所述主控制器相连。所述超级电容组配置有超级电容管理系统，所述超级电容管理系统通过网络与所述主控制器相连。
本实施方式中的主控制器由数字控制器DSP+FPGA器件构成，其构成了整个动力总成系统的控制部分，所有的外部接口和连接于网络的数据部分都与主控制器相关。该主控制器在完成硬件设计后，所有的内部的控制程序可以采用DSP汇编语言完成设计，因此具有结构紧凑占用空间少的特征，同时运算速度快，具有灵活的算法因子调度功能。当控制器完成结构设计后，由计算机通过一个编程连接口实施数据下载，并激活运行，在设置阶段可以将所有需要的参数设置在控制器中，分配那些端口被激活，采用选定的通讯协议，或不同的通讯速率。同时确定哪一路接口作为系统的主要对象接口，该通讯接口是可以获得的主讯息，然后通过编排不同的协议，将其转换成各个模组所需要的参数和指定接口协议。在整个转换过程中是实现双向或多方互通的。在进入通讯的初期阶段，主要任务是完成综合布局、栈区的规划和通讯速率的确定，以及时序的划定等等。
本实施方式中采用的网络为CAN总线网络，其是整个动力总成系统的核心数据传输枢纽，所有信息数据在主控制器的调度下，可以完成相互间的传递和控制，通过CAN总线网络可以使得主控制器与各个部件之间实现模块级的数据通讯。
本实施方式中的燃料电池堆采用氢燃料电池堆，其作为整个动力总成系统中三电系统中的一种储能系统，其能量输出部分与动力开关装置相连，并接收动力开关装置的调度控制，其输入部分为氢燃料电池控制系统，通过氢燃料电池控制系统控制实施制作氢电。该氢燃料电池控制系统作为制氢设备的主要核心控制器，完成对氢燃料电池制备过程中所有的控制、调节和输出。该氢燃料电池控制系统连接于氢燃料电池电堆的所有控制单元组件，对制氢过程所有参数的进行调节和控制，同时，通过其接口接收来自主控制器的参数调节需求，作为主控制器的执行接收控制器。氢燃料电池控制系统所有的动作、调节参数都受控于主控制器。
本实施方式中的动力锂电池系统作为整个动力总成系统中三电系统中的一种储能系统，其能量输出部分与动力开关装置相连，并接收动力开关装置的调度控制，其电能的输出接收电池管理系统的控制，通过动力开关装置的调度控制完成对动力锂电池系统中各个锂电池组的充电和放电。也就是说，本动力锂电池系统的充电和放电过程都是在动力开关装置的执行控制下完成输入和输出。电池管理系统负责监管各个锂电池组所有的单体电池的参数，并将此动态参数通过CAN总线网络传给主控制器，用以显示和信息传输。另外，电池管理系统还管理着整个动力锂电池系统的能量流动过程，传输能量的量值，由其原始的测得参数确定。
本实施方式中的超级电容系统作为整个动力总成系统中三电系统中的一种储能系统，其能量输出部分与动力开关装置相连，并接收动力开关装置的调度控制，其电能的输出，接收超级电容管理系统的控制，通过动力开关装置的调度控制完成对超级电容组的充电和放电。也就是说，本超级电容系统的充电和放电过程都是在动力开关装置的执行控制下完成输入和输出。超级电容管理系统负责监管超级电容模组所有的参数，并将此动态参数通过CAN总线网络传给主控制器，用以显示和信息传输。另外，超级电容管理系统还管理着整个超级电容系统的能量流动过程，传输能量的量值，由其原始的测得参数确定。
本实施方式中的动力开关装置作为三电系统的切换装置，其动作过程完全受控于主控制器的控制。在任何时刻，其接收控制器的调节控制指令，完成将能量输出给电动驱动装置，其能量通过动力母排实施传输。通过控制动力开关装置还能够完成三电系统互相之间的能量传递。本实施方式中的动力开关装置可以选用四通道开关芯片实现，每个通道分别与动力锂电池组、超级电容组、燃料电池堆和电动驱动装置，通过主控制器可以选择不同的通道的开关打开和闭合，从而完成切换和能量传递的功能。
本实施方式的电动驱动装置通过动力母排与动力开关装置相连，通过电动驱动装置(变频输出控制)，将直流电转换成受控的交流变频驱动电，推动电动机的转矩输出，以带动螺旋桨，从而实现推进船舶航行的目的。
本实施方式的动力总成系统完成系统联接，上电后，完成对主控制器的基础参数设置，完成与远程计算机系统的Internet链接，系统即被激活，此时，在就地只要操控主控制器，系统便可以开始运行。通过主控制器观测燃料电池控制系统、电池管理系统、超级电容管理系统，只有在观测到的主控制器与各个管理控制系统处于完备状态，系统才能启动电机驱动装置，启动电动机，否则，系统将进行调节和控制。
主控制器的控制过程如下：在航行过程中，将根据电动驱动装置输出的状态，实施三电之间的切换，其动力总成系统的控制过程主要分三个过程阶段：
1)、船舶航行中的急剧加速、制动过程：
加速过程，即为需要提供瞬间能量，首先由超级电容给出瞬间能量，当能量匮乏时，再由动力锂电池提供能量，并由氢燃料电池包给予动力锂电池实施补充电能；制动过程，即为能量回收过程，由于氢燃料电池包是不可能回收电能的，此时，将首先由超级电容实施能量回收，当出现溢出时，将由动力锂电池接收多余部分的能量。
2)、系统需要提供足够的动力驱动功率(相对平缓)
此时，三电系统将同时输出能量提供给动力驱动系统，因为，氢燃料电池包的特征是，在有小波动需求能量输出时，系统是能够满足要求的，在平缓条件下，为了输出足够的能量，此时，氢燃料电池包、动力锂电池、超级电容同时输出能量。
3)、平缓航行中需要提供持续的能量(船舶巡航过程)
当纯电动船进入巡航阶段(由动力驱动系统设置的巡航点位)，此时，将由氢燃料电池包直接提供船舶电能，驱动船舶航行。当系统发现氢燃料电池包还有富裕的能量时，氢燃料电池包除了提供推进动力所需要的能量外，还额外地给锂电池系统进行补电。
不难发现，本发明通过主控制器对动力开关装置进行控制，使得在不同情况下能够采用不同的电源系统向电动驱动装置供电，从而满足船舶航行的需求，并且还可以通过控制动力开关装置实现三电系统之间的能力传递，从而保证了船舶长时间的续航里程需求。
Claims (9)
1.一种基于三电系统的纯电动船动力总成系统，包括主控制器、动力锂电池组、超级电容组和电动驱动装置，所述主控制器通过网络与所述电动驱动装置相连，其特征在于，还包括燃料电池堆，所述燃料电池堆配置有燃料电池管理系统，所述燃料电池管理系统通过网络与主控器相连，所述主控制器通过动力开关装置分别与所述动力锂电池组、超级电容组、燃料电池堆和电动驱动装置相连，用于控制动力开关装置实现对所述动力锂电池组、超级电容组和燃料电池堆的切换以向所述电动驱动装置供电，以及实现对所述动力锂电池组、超级电容组和燃料电池堆之间的能量传递。
2.根据权利要求1所述的基于三电系统的纯电动船动力总成系统，其特征在于，所述动力锂电池组配置有电池管理系统，所述电池管理系统通过网络与所述主控制器相连。
3.根据权利要求1所述的基于三电系统的纯电动船动力总成系统，其特征在于，所述超级电容组配置有超级电容管理系统，所述超级电容管理系统通过网络与所述主控制器相连。
4.根据权利要求1所述的基于三电系统的纯电动船动力总成系统，其特征在于，所述网络为CAN总线网络。
5.根据权利要求1所述的基于三电系统的纯电动船动力总成系统，其特征在于，所述主控制器根据所述电动驱动装置输出的状态判断船舶航行阶段，并根据不同的航行阶段控制动力开关装置实现对所述动力锂电池组、超级电容组和燃料电池堆的切换。
6.根据权利要求5所述的基于三电系统的纯电动船动力总成系统，其特征在于，所述主控制器判断出船舶航行阶段为加速阶段时，所述主控制器控制动力开关装置实现所述超级电容组向所述电动驱动装置供电，当超级电容组的能量低于门限时，所述主控制器控制动力开关装置实现所述动力锂电池向所述电动驱动装置供电，并使得所述燃料电池堆向所述动力锂电池进行充电。
7.根据权利要求5所述的基于三电系统的纯电动船动力总成系统，其特征在于，所述主控制器判断出船舶航行阶段为制动阶段时，所述主控制器控制动力开关装置实现所述超级电容组进行能量回收，当超级电容组的能量充满时，所述主控制器控制动力开关装置实现动力锂电池组进行能量回收。
8.根据权利要求5所述的基于三电系统的纯电动船动力总成系统，其特征在于，所述主控制器判断出船舶航行阶段为平缓航行阶段时，所述主控制器控制动力开关装置实现所述动力锂电池组、超级电容组和燃料电池堆同时向所述电动驱动装置供电。
9.根据权利要求5所述的基于三电系统的纯电动船动力总成系统，其特征在于，所述主控制器判断出船舶航行阶段为巡航阶段时，所述主控制器控制动力开关装置实现所述燃料电池堆向所述电动驱动装置供电，所述燃料电池堆在能量大于所述电动驱动装置所需能量的情况下，所述主控制器控制动力开关装置实现所述燃料电池堆向所述动力锂电池进行充电。
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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 | ||
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