CN111591424B - 一种纯电动公务艇动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于船艇纯电动技术领域，涉及一种纯电动公务艇动力系统，包括至少两组结构相同的主电路拓扑结构，该结构包括动力模块，通过双向DC‑DC稳压模块及熔断器供电至直流母排；直流母排，用于整船电能的接入及分配，且直流母排设置有至少一个熔断器；动力模块的直流电通过双向DC‑DC稳压模块及熔断器接入，通过熔断器、DC‑AC逆变模块逆变成交流电供电力推进系统及全船辅助、日用负荷使用；双向DC‑DC稳压模块、DC‑AC逆变模块及直流母排分别通过profinet总线与功率管理系统通信，以控制各模块的工作，各模块将各自的实时运行状态信息上传至功率管理系统，便于功率管理系统对整船数据进行分析处理。

Description

一种纯电动公务艇动力系统
技术领域
本发明属于船艇纯电动技术领域，涉及动力系统，具体涉及一种纯电动公务艇动力系统。
背景技术
我国船艇行业纯电动技术应用较晚，截至目前尚未有真正取得中国船级社认可的纯电动公务艇在运行。目前，公务艇动力系统主要以柴油机直驱为主，少量采用油-电混动、纯电的推进方式。然而，柴油机直驱及油-电混动并未真正解决船舶排放的污染问题，少量纯电动公务艇采用“动力电池组(或超级电容)+变直流母线”的推进方式，这种主拓扑结构无法控制动力电池组(或超级电容)的功率输出、无法实现等电压条件并网、无法实现通过直流母排进行动力电池组(或超级电容)的充电、选择性保护等一系列问题，市场试用情况不佳。
目前，国内应用较多的电动公务艇动力系统拓扑如图1所示，这种动力系统采用动力电池组和柴油发电机组共同作为电源的供电模式。柴油机作为原动机带动发电机发出交流电，同时动力电池组作为清洁能源通过逆变器提供交流电。两种电源所提供的电能在频率、电压、相序相同的情况下通过配电设备并网；推进时电能通过交-交变频器提供频率和电压可变的交流电控制电动机带动螺旋桨旋转，辅助及生活用电一般通过日用变压器电压转换后供给辅助设备。然而，这种油电混合交流网的供电模式存在以下缺点：首先，其并未解决环境污染问题、未真正实现清洁化，动力电池仅作为一种清洁能源元素存在；其次，对于对舒适度要求较高的公务艇、游览船、观光船，柴油机的振动及机械噪音尚未得到解决；最后，这种主拓扑结构要求柴油机必须是定速机，否则，由于发电机发出电能电压的变动不能实现与电池组的实时并网。
为了克服上述油电混合交流网供电模式存在的问题，又出现了如图2所示的纯电动变母线直流网供电模式。这种主拓扑公务艇的电能完全来源于动力电池组，动力电池组通过直流母线提供变化的直流电供给负荷，推进负荷、辅助及日用负荷均挂接在逆变器上，通过逆变器将直流电变换成交流电给负荷供电。然而，这种拓扑结构完全采用动力电池组供电，虽然解决了柴油机所带来的噪声、振动、污染等问题，实现了清洁化；但这种主拓扑结构仅适用于动力电池组容量较小、推进功率小的公务艇。直流母线电压随着动力电池组的放电一直处于变化状态且无法控制：一方面各电池组内部环流较大，发热明显；另一方面对逆变器的直流侧输入电压范围要求较宽。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种纯电动公务艇动力系统，从而保证公务艇的舒适性及供电稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种纯电动公务艇动力系统，包括至少两组结构相同的主电路拓扑结构，所述主电路拓扑结构包括，
动力模块，通过双向DC-DC稳压模块及熔断器供电至直流母排；
直流母排，用于整船电能的接入及分配，且直流母排设置有至少一个熔断器；动力模块的直流电通过双向DC-DC稳压模块及熔断器接入，通过熔断器、DC-AC逆变模块逆变成交流电供电力推进系统及全船辅助、日用负荷使用；
双向DC-DC稳压模块、DC-AC逆变模块及直流母排分别与功率管理系统通信，以控制各模块的工作，各模块将各自的实时运行状态信息上传至功率管理系统，便于功率管理系统对整船数据进行分析处理。
进一步，所述直流母排还连接有AC-DC整流模块，用于在停泊时配合双向DC/DC稳压模块完成充电。
进一步，所述AC-DC整流模块在交流接触器的控制下与船舶岸电配电箱相接，船舶岸电配电箱将AC 380V市电通过交流接触器、AC-DC整流模块、直流母排、熔断器、双向DC-DC稳压模块、供电接触器给动力电池组充电。
进一步，所述直流母排分三路供电，第一路直流电流经熔断器、DC-AC辅助逆变器逆变成交流电，再经过滤波单元、断路器、变压器转换成辅助负荷及日用负荷所需的交流电供全船使用；第二路直流电经熔断器、供电接触器、DC-AC推进逆变器给推进电机供电；第三路直流电，当直流母排上的电压高于设定恒压值时，经熔断器、DC-DC斩波模块进行推进能量的回馈吸收。
进一步，所述DC-AC辅助逆变器、DC-AC推进逆变器、DC-DC斩波模块分别通过profinet总线与功率管理系统通信，以控制各设备的工作。
进一步，所述动力模块包括相连的动力电池组及电池管理系统，所述电池管理系统与功率管理系统通过profinet总线进行通信，所述电池管理系统将动力电池组的实时状态信息传输给功率管理系统。
进一步，所述动力电池组的实时状态信息包括电压、电流、温度、电量、放电深度及平均充电状态的数据信息。
进一步，所述动力电池组经双向DC-DC模块进行充放电：
放电时，直流电经输入端正极DC+流入，经三相桥上半桥VT1、VT2、VT3任一桥臂IGBT及滤波器L1、L2、L3流入直流母排，然后经三相桥下半桥VT4、VT5、VT6任一桥臂IGBT回流负极DC-形成回路进行放电；
充电时，由船舶岸电配电箱接入直流母排转换成的直流电经正极LV+流入，经三相桥下桥臂VT4、VT5、VT6任一桥臂IGBT回流到负极LV-形成回路完成充电，回路中电容C1、C2、C3用于稳压。
进一步，所述动力电池组采用两组相互独立的磷酸铁锂动力电池组。
进一步，所述直流母排还设有支撑电容，所述支撑电容用于提供足够时间的熔断电流，以提高整个系统在发生短路故障时的安全性。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：整个系统采用纯电动母线恒压直流网供电，除了向电力推进系统供电外，还向全船辅助及日用负荷供电；通过增加双向DC-DC稳压模块的设计，不仅保证了动力模块中电池组间电压的一致，同时很好地阻断了电池组间环流的发生，减少了电池组内的发热，从而保证了整个系统的稳定；通过在直流母排及系统各支路增加熔断器用于系统的选择性保护，以保证单点、单支路、单边故障的扩散保护。
此外，通过增加AC-DC整流模块的设计，在停泊时配合双向DC-DC稳压模块完成充电功能，系统充电时，可以根据电池管理系统通信上传给功率管理系统的电池电压、电流、放电深度及平均充电状态的数据进行充电电流控制，防止电池过充及发热；由于熔断器的熔断是一个热量积累的过程，为了保证熔断器的I2t达到熔断的弧前容量必须提供足够时间的熔断电流，直流母排上设置了支撑电容，由于支撑电容的储能及电压不会瞬变的特性很好地解决了熔断的问题，以提高整个系统在发生短路故障时的安全性。
附图说明
图1为现有电动船艇动力系统采用油电混合交流供电模式的示意图；
图2为现有电动船艇动力系统采用纯电动变母线电压直流网供电模式的示意图；
图3为本发明提供的纯电动母线恒压直流网供电模式的示意图；
图4为本发明提供的一种纯电动公务艇动力系统的主拓扑结构原理图；
图5为本发明提供的双向DC-DC稳压模块的原理框图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
参见图3所示，本发明提供了一种纯电动母线恒压直流网供电模式的示意图，该供电模式适用于各种新能源船艇，尤其对于电源容量需求较大的纯电动公务艇优点更加明显。其电源配置完全按照中国船级社规范要求进行了分组配置，以两组为例，两组动力电池组通过双向DC-DC电源转换模块控制并网及给电池组充电，直流电压幅值可以通过双向DC-DC电源转换模块进行调节。推进负荷、辅助及日用负荷均在恒定的直流电网上取电，通过设置于直流配电柜中的功率管理系统(PMS)控制DC-AC逆变模块分配电能给各个负荷使用。
结合图4所示，为本发明提供的一种纯电动公务艇动力系统的主拓扑结构原理图，包括至少两组结构相同的主电路拓扑结构，船舶岸电配电箱(简称岸电箱)配电AC 380V，50Hz，分三路供电，第一路电和第三路电分别在充电接触器KM9、KM10的控制下，再经AC-DC整流模块与直流母排相接，用于在停泊时配合双向DC-DC稳压模块完成充电，为避免各模块开启时冲击电流过大烧毁，AC-DC整流模块的充电接触器KM9、KM10的投入，以及动力模块供电接触器KM1、KM2的投入，均设置有预充电电阻对各模块启动时进行预充；第二路电在交流接触器KM11的控制下输出AC 380V的交流电用于船舶靠岸停泊时直接给日用负荷供电。
以一组主电路拓扑结构为例，其包括：
动力模块，通过双向DC-DC稳压模块及熔断器供电至直流母排，在直流母排处并网及分配电能，熔断器FU1、FU2主要起熔断保护作用；
直流母排，用于整船电能的接入及分配，且直流母排设置有至少一个熔断器；动力模块的直流电通过双向DC-DC稳压模块及熔断器接入，通过熔断器、DC-AC逆变模块逆变成交流电供电力推进系统及全船辅助、日用负荷使用；
充电回路，用于对电池组充电，岸电箱将AC 380V市电通过交流接触器KM10、AC-DC整流模块、直流母排、熔断器FU1、双向DC-DC稳压模块、供电接触器KM1给1#动力电池组充电；
双向DC-DC稳压模块、DC-AC逆变模块及直流母排分别通过profinet总线与功率管理系统(PMS)通信，以控制各模块的工作，各模块将各自的实时运行状态信息上传至功率管理系统(PMS)，便于功率管理系统(PMS)对整船数据进行分析处理。
进一步，动力模块通过供电接触器KM1，双向DC-DC稳压模块，熔断器FU1供电至直流母排，在直流母排处并网及分配电能。
进一步，直流母排分三路供电，第一路直流电流经熔断器FU9、DC-AC辅助逆变器逆变成交流电，再经过滤波单元、断路器QF1、变压器、断路器QF3转换成辅助负荷及日用负荷所需的交流电供全船使用；第二路直流电经熔断器FU5、供电接触器KM7、DC-AC推进逆变器给推进电机供电，驱动全回转舵桨旋转推动船舶航行；第三路直流电，当直流母排上的电压高于设定恒压值时，经熔断器FU7、DC-DC斩波模块进行推进能量的回馈吸收。
进一步，DC-AC辅助逆变器、DC-AC推进逆变器、DC-DC斩波模块分别通过profinet总线与功率管理系统(PMS)通信，以方便功率管理系统(PMS)控制各设备的工作。
进一步，动力模块包括相连的动力电池组及电池管理系统(BMS)，电池管理系统(BMS)与功率管理系统(PMS)通过profinet总线进行通信，电池管理系统(BMS)将动力电池组的实时状态信息传输给功率管理系统(PMS)；其中，动力电池组的实时状态信息包括电压、电流、温度、电量、放电深度及平均充电状态的数据信息，功率管理系统(PMS)根据接收到的数据信息对整船数据进行分析处理。
进一步，结合图5所示，动力电池组经双向DC-DC模块进行充放电：
放电时，直流电经输入端正极DC+流入，经三相桥上半桥VT1、VT2、VT3任一桥臂IGBT及滤波器L1、L2、L3流入直流母排，然后经三相桥下半桥VT4、VT5、VT6任一桥臂IGBT回流负极DC-形成回路进行放电；
充电时，由船舶岸电配电箱接入直流母排转换成的直流电经正极LV+流入，经三相桥下桥臂VT4、VT5、VT6任一桥臂IGBT回流到负极LV-形成回路完成充电，回路中电容C1、C2、C3用于稳压。
此外，本发明提供的这种大容量供电系统，其动力电池组是通过14400多个小的电池单体通过串并联的方式形成，但由于电池单体的差异性及线路阻抗的不一致导致各个电池组输出端电压不一致，由于电压差的存在电池组之间会形成环流，环流过大会导致电池发热甚至烧毁，影响电池组的使用寿命。双向DC-DC稳压模块不仅保证了电池组间电压的一致，同时很好地阻断了电池组间环流的发生，从而保证了电网的稳定。此外，整个动力系统充电时，可以根据电池管理系统通信上传给功率管理系统的电池、电压、电流、放电深度和平均充电状态的数据信息进行充电电流控制，防止电池过充及发热。
优选地，动力电池组采用两组相互独立的磷酸铁锂动力电池组。
进一步，直流母排还设有支撑电容。目前，行业中直流配电产品大部分采用电力电子开关进行母排的选择性保护或者不进行并网供电，该系统的主电路拓扑结构中母排的熔断保护通过合理设置母排上的熔断器FU3、FU4的熔值进行实现，相较于电力电子开关，成本大幅降低。直流母线系统中最重要的就是系统发生短路故障时的选择性，以达到控制故障扩散及损坏设备的目的，由于熔断器的熔断是一个热量积累的过程，为了保证熔断器的I2t达到熔断的弧前容量必须提供足够时间的熔断电流，直流母排上设置了支撑电容，由于支撑电容的储能及电压不会瞬变的特性很好地解决了熔断的问题，提高整个系统在发生短路故障时的安全性。
进一步，直流母排及系统各支路设置了不同熔值的熔断器(FU1、FU2、FU5、FU6、FU7、FU8、FU9、FU10)用于系统的选择性保护，以保证单点、单支路、单边故障的扩散保护。
综上，在整个动力系统中，双向DC-DC稳压模块、AC-DC整流模块、DC-AC推进逆变器、DC-AC辅助逆变器、DC-DC斩波模块及直流母排分别通过profinet总线与设置于直流母排基于PLC开发的功率管理系统通信以控制各模块及设备的工作；各模块及设备的运行状态信息通过各类传感器或通信总线上传至功率管理系统；同时电池管理系统与功率管理系统也进行总线通信，电池管理系统实时将动力电池组的电压、电流、温度、电量等状态信息传输给功率管理系统，功率管理系统对整船数据进行分析处理，以保证公务艇的舒适性及供电稳定性。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种纯电动公务艇动力系统，其特征在于，包括至少两组结构相同的主电路拓扑结构，所述主电路拓扑结构包括，
动力模块，通过双向DC-DC稳压模块及熔断器供电至直流母排；所述动力模块包括相连的动力电池组及电池管理系统，所述电池管理系统与功率管理系统通过profinet总线进行通信，所述电池管理系统将动力电池组的实时状态信息传输给功率管理系统；
所述动力电池组经双向DC-DC模块进行充放电：放电时，直流电经输入端正极DC+流入，经三相桥上半桥VT1、VT2、VT3任一桥臂IGBT及滤波器L1、L2、L3流入直流母排，然后经三相桥下半桥VT4、VT5、VT6任一桥臂IGBT回流负极DC-形成回路进行放电；充电时，由船舶岸电配电箱接入直流母排转换成的直流电经正极LV+流入，经三相桥下桥臂VT4、VT5、VT6任一桥臂IGBT回流到负极LV-形成回路完成充电，回路中电容C1、C2、C3用于稳压；
直流母排，用于整船电能的接入及分配，且直流母排设置有至少一个熔断器；动力模块的直流电通过双向DC-DC稳压模块及熔断器接入，通过熔断器、DC-AC逆变模块逆变成交流电供电力推进系统及全船辅助、日用负荷使用；
所述直流母排还设有支撑电容，所述支撑电容用于提供足够时间的熔断电流，以提高整个系统在发生短路故障时的安全性；
所述直流母排分三路供电，第一路直流电流经熔断器、DC-AC辅助逆变器逆变成交流电，再经过滤波单元、断路器、变压器转换成辅助负荷及日用负荷所需的交流电供全船使用；第二路直流电经熔断器、供电接触器、DC-AC推进逆变器给推进电机供电；第三路直流电，当直流母排上的电压高于设定恒压值时，经熔断器、DC-DC斩波模块进行推进能量的回馈吸收；
双向DC-DC稳压模块、DC-AC逆变模块及直流母排分别与功率管理系统通信，以控制各模块的工作，各模块将各自的实时运行状态信息上传至功率管理系统，便于功率管理系统对整船数据进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的纯电动公务艇动力系统，其特征在于，所述直流母排还连接有AC-DC整流模块，用于在停泊时配合双向DC-DC稳压模块完成充电。
3.根据权利要求2所述的纯电动公务艇动力系统，其特征在于，所述AC-DC整流模块在交流接触器的控制下与船舶岸电配电箱相接，船舶岸电配电箱将AC380V市电通过交流接触器、AC-DC整流模块、直流母排、熔断器、双向DC-DC稳压模块、供电接触器给动力电池组充电。
4.根据权利要求1所述的纯电动公务艇动力系统，其特征在于，所述DC-AC辅助逆变器、DC-AC推进逆变器、DC-DC斩波模块分别通过profinet总线与功率管理系统通信，以控制各设备的工作。
5.根据权利要求1所述的纯电动公务艇动力系统，其特征在于，所述动力电池组的实时状态信息包括电压、电流、温度、电量、放电深度及平均充电状态的数据信息。
6.根据权利要求1所述的纯电动公务艇动力系统，其特征在于，所述动力电池组采用两组相互独立的磷酸铁锂动力电池组。
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