CN113353228A - 一种纯电池动力船舶的集成控制系统 - Google Patents

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CN113353228A CN202110714411.7A CN202110714411A CN113353228A CN 113353228 A CN113353228 A CN 113353228A CN 202110714411 A CN202110714411 A CN 202110714411A CN 113353228 A CN113353228 A CN 113353228A
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Abstract

本发明公开了一种纯电池动力船舶的集成控制系统，包括动力系统、配电系统、推进系统和智能辅助驾驶系统，所述动力系统包括集装箱以及设置在所述集装箱内的锂电池、电池管理系统、照明系统和监控系统，多组所述锂电池并联设置，便于根据实际电力需求选择并联运行的锂电池组数，灵活性强，所述监控系统包括热控系统、可燃气体探测系统、消防系统和失火报警系统，所述热控系统、可燃气体探测系统及消防系统分别与所述失火报警系统电性连接，能够及时对动力系统的内部状况进行检测和自动排障，所述配电系统设置在配电舱内，所述推进系统设置在推进舱内，所述智能辅助驾驶系统包括边缘计算单元、显示屏和数据采集系统，稳定可靠，提升船舶的安全性。

Description

一种纯电池动力船舶的集成控制系统
技术领域
本发明涉及船舶控制系统技术领域，具体涉及一种纯电池动力船舶的集成控制系统。
背景技术
柴油机动力船舶在航行过程中，会产生大量的油污水，且噪音污染严重，燃烧柴油所产生的二氧化碳、硫化物、氮氧化物和颗粒物也会造成严重的大气污染，因此船舶排放被列为第三大污染源，电池动力船舶舍弃了传统船舶污染严重和噪声大的柴油机和发电机组，选用电池作为船舶动力源，在满足船舶功率需求的同时，具有能耗低、排放少、噪音小等特点，成为船舶发展的重要方向。
现有的电池动力船舶多为混合动力系统，仅在现有的柴油机船体上进行改进，将动力机构改造成电动或混动的结构，但多是将电动机作为辅助动力，纯电池动力的船舶仅集中在小型船只上，比如快艇等，适用范围较窄；使用锂离子电池作为船舶的动力源，能够大幅提升船舶的续航力，但当遇到温度过高、外部撞击、挤压等外界因素，容易发生热失控、引起火灾甚至爆炸，造成船舶损毁或人员伤亡，存在安全隐患。
发明内容
为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种纯电池动力船舶的集成控制系统，采用纯电池动力机构，减少柴油机的使用，绿色环保，减少污染，保护水体生态环境，具有低噪音无烟尘的特点，能够满足船舶的实际电力需求，具备消防功能和探测功能，减少安全隐患。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种纯电池动力船舶的集成控制系统，包括动力系统、配电系统、推进系统和智能辅助驾驶系统，所述动力系统包括集装箱以及设置在所述集装箱内的锂电池、电池管理系统、照明系统和监控系统，多组所述锂电池并联设置，所述监控系统包括热控系统、可燃气体探测系统、消防系统和失火报警系统，所述热控系统、可燃气体探测系统及消防系统分别与所述失火报警系统电性连接，所述配电系统设置在配电舱内，所述推进系统设置在推进舱内，所述智能辅助驾驶系统包括边缘计算单元、显示屏和数据采集系统。
本发明的有益效果是：
设置多组并联设置的锂电池，能够根据实际电力需求选择需要并联运行的锂电池的数量，灵活性强，能够满足电力需要；将动力系统设置在集装箱内，减少外界撞击、挤压等突发状况对锂电池造成的影响，提升安全性，便于根据实际需求增减动力系统的数量，灵活性强；设置电池管理系统，对锂电池的状态进行实时检测分析，便于操作人员及时发现异常，提升船舶安全性；设置照明系统，便于操作人员观察集装箱内部动力系统的状况，检修方便；设置配电系统，对动力系统的电力分配至推进系统和船舶的其他用电设备，提升船舶供电的稳定性和持续性，减少电网瘫痪现象；设置监控系统，热控系统能够对集装箱内的温度进行检测和降温，可燃气体探测系统能够对集装箱内是否有可燃气体泄出并进行排气，降低火灾或爆炸风险，消防系统能够对集装箱进行自动灭火，及时排除危险因素，热控系统、可燃气体探测系统及消防系统分别与失火报警系统电性连接，在系统自动排障无法消除危险时，提醒操作人员注意；设置智能辅助驾驶系统，通过数据采集系统来采集船舶的周边环境信息，并由边缘计算单元进行数据处理并传至显示屏进行显示，提升驾驶员驾驶的可靠性。
优选地，所述电池管理系统包括主控模块、从控模块、温控模块和显示模块，所述主控模块通过CAN接口与所述从控模块、温控模块和显示模块电性连接，所述温控模块包括温度检测装置，所述温度检测装置用于检测所述锂电池的温度信息，所述从控模块包括电压检测装置、电流检测装置和均衡装置，所述显示模块包括用户操作界面。
优选地，所述配电系统包括功率管理系统、直流配电板、交流配电板、DC/DC装置、DC/AC装置和保护装置，所述直流配电板通过所述DC/DC装置与所述锂电池连接，所述交流配电板通过所述DC/AC装置与所述锂电池连接，所述保护装置包括固态短路器和快速熔断器。
优选地，所述推进系统包括PLC控制系统、全回转操作手柄和无轴轮缘推进器，所述推进系统包括驾驶室控制和机旁控制，所述机旁控制包括设置在所述推进舱旁的机旁箱，所述PLC控制系统设置在所述机旁箱内，所述机旁箱与所述无轴轮缘推进器配合设置，通过所述机旁箱来控制所述无轴轮缘推进器，所述驾驶室控制包括设置在驾驶室内的控制面板和控制器，通过所述控制面板来控制所述无轴轮缘推进器。
优选地，所述驾驶室内还设有备用系统，所述备用系统与所述推进系统配合设置，通过所述备用系统控制所述推进系统。
优选地，所述无轴轮缘推进器包括全回转转舵机构和轮缘式推进器，轮缘式推进器包括导管、轮缘式电机、含毂螺旋桨、水润滑轴承和空心轴，所述轮缘式电机包括定子和转子，所述含毂螺旋桨包括桨毂和桨叶，所述定子集成在所述导管中，所述转子集成在所述桨叶的叶梢，所述桨毂设置在所述空心轴上，所述水润滑轴承设置在所述桨毂中心，所述全回转转舵机构设置在所述空心轴内，所述全回转转舵机构包括转舵电机和转舵变频器，所述转舵变频器用于驱动所述转舵电机转动。
优选地，所述数据采集系统包括雷达天线、AIS系统和GPS系统，所述数据采集系统将采集到的数据同步后传给所述边缘计算单元，所述边缘计算单元对接收到的数据进行融合，并将融合后的数据进行三维还原，将三维还原的数据传送至渲染服务进行渲染，得到实时的三维场景和AR视觉场景，并在所述显示屏上进行显示。
优选地，所述热控系统包括温度传感器、报警器和制冷装置。
优选地，所述可燃气体探测系统包括探测装置和应急排风装置。
优选地，所述消防系统包括自动探火装置和自动灭火装置。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的整体示意图；
图2为本发明一较佳实施例的电池管理系统的示意图；
图3为本发明一较佳实施例的监控系统的示意图；
图4为本发明一较佳实施例的配电系统的示意图；
图5为本发明一较佳实施例的轮缘式推进器的结构示意图。
图中：
1－动力系统；2－配电系统；3－推进系统；30－导管；31－轮缘式电机；311－定子；312－转子；321－桨毂；322－桨叶；33－水润滑轴承；34－空心轴；4－智能辅助驾驶系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参见附图1至附图4，本实施例中的纯电池动力船舶的集成控制系统包括动力系统1、配电系统2、推进系统3以及智能辅助驾驶系统4。
动力系统1包括集装箱以及设置在集装箱内的锂电池、电池管理系统(BMS)、照明系统和监控系统，锂电池用于给船舶的航行提供动力，电池管理系统用于实现锂电池的实时电量及运行状况的信号采集和检测分析，如锂电池的模块温度、电池电压/电流等，照明系统用于提供集装箱内的照明，便于操作人员对动力系统1进行检修，监控系统用于对锂电池的实时温度、集装箱内的可燃气体等进行监测并报警，同时具备消防功能。
若干锂电池形成电池组，多个电池组之间可同时并联运行，锂电池的集中设置，使得船舶动力源的稳定性更好，锂电池分组设置在集装箱中，减少外界碰撞对锂电池的影响，增加安全性，延长锂电池的使用寿命。
本实施例中，锂电池采用磷酸铁锂电池，通过多个电池组的并联运行，能够满足船舶的动力需求，且没有燃油、废气排放污染，无噪音，绿色环保。
本实施例中，动力系统1设置在船舶尾部的甲板上，便于对动力系统1进行维修更换，便于增设集装箱。
BMS由主控模块(BCU)、从控模块(BMU)、温控模块(BTU)、显示模块(BDU)组成，BCU负责锂电池的集中管理和运行，BCU通过CAN接口与BMU、BTU、BDU进行高速通信，BTU包括温度检测装置，用于采集锂电池的温度信息，BMU包括电压检测装置、电流检测装置和均衡装置，用于采集锂电池的内部电压、电流等信息，并均衡锂电池的电压和电流，使其保持一致，避免过充、过放现象的产生，延长使用寿命，BMS通过对锂电池数据的实时分析，能够动态制定锂电池的管理策略，通过温度管理、电压均衡管理、充放电管理等手段，采集锂电池的总电压、总电流、电池温度、电池剩余电量(SOC)等数据，进而将数据传输给BCU进行信息处理，控制锂电池的工作状态，BDU用于显示锂电池的状态信息，并显示异常的锂电池的编号，便于操作人员处理，BDU还包括用户操作界面，操作人员通过用户操作界面可调整电池的参数配置。
在本实施例中，集装箱内还设有不间断电源(UPS)，UPS为锂电池组以及BMS提供不间断电源，当船舶出现意外的停电事故时，能够保证配电系统2的正常运行。
监控系统用于实现锂电池的实时状态监视，并对危险状况进行报警，监控系统包括热控系统、可燃气体探测系统、消防系统和失火报警系统，热控系统包括温度传感器和报警器，热控系统用于对锂电池的温度变化状况进行监测控制，当锂电池的温度过高，会导致正负极短路，进而造成锂电池热失控，温控系统能够在锂电池热失控之前进行报警，防止产生火灾，为锂电池动力系统1的安全稳定运行提供保障，热控系统还包括制冷装置，温度传感器检测到温度过高时，制冷装置对集装箱内部进行制冷降温，能够有效的对锂电池组进行散热，当温度传感器检测到温度过高时，制冷装置启动，当制冷装置启动后在一定的预设时间内，温度传感器仍检测到温度异常，报警器启动，提醒操作人员注意。
本实施例中，集装箱上设有供散热的散热孔，散热孔与制冷装置配合，提升散热效率。
本实施例中，制冷装置采用工业空调，制冷效果好。
可燃气体探测系统包括探测装置和应急排风装置，可燃气体探测系统与失火报警系统电性连接，当探测装置检测到集装箱内有可燃气体溢出时，应急排风装置启动，集装箱上设有风孔，应急排风装置与风孔配合，将可燃气体通过集装箱上风孔排出，防止因锂电池组的温度过高引燃可燃气体，应急排风装置启动后在一定的预设时间内，探测装置仍能检测到可燃气体时，失火报警系统报警。
本实施例中，应急排风装置采用风扇、风机等。
消防系统包括自动探火装置和自动灭火装置，自动探火装置用于检测是否有火源产生，消防系统与失火报警系统电性连接，当自动探火装置检测到集装箱内有火源时，自动灭火装置启动进行灭火，当自动灭火装置启动后在一定的预设时间内，自动探火装置仍检测到火源，则触发失火报警系统，发出警报声提醒操作人员注意。
本实施例中，消防系统还包括手动灭火装置，如灭火器等，设置在集装箱一侧，便于操作人员进行手动灭火。
配电系统2用于实现直流及交流的转换，配电系统2设置在船舶的配电舱内，配电系统2包括功率管理系统(PMS)、直流配电板、交流配电板、DC/DC装置、DC/AC装置和保护装置，PMS用于对船舶上的用电设备所需功率进行计算，并实现锂电池的功率分配，降低因大功率用电设备突然投入运行造成的电网瘫痪风险，提升动力系统1的稳定性；
DC/DC装置配合锂电池侧的滤波电感使用，控制锂电池组输出电流的同时，能够维持直流配电板的稳定，并采用直流侧的电压下垂控制，保证多个集装箱的锂电池组并联供电时输出功率的平衡性，DC/DC装置还能够提供过流、过温、过载、短路等保护功能，保证系统供电的可靠性；
DC/AC装置配合正弦波滤波器使用，保证能够输出完美的正弦波，电网谐波水平被控制在5％以内，具备精准的电压幅值、频率控制功能，同时，能够提供过流、短路等保护，保证系统供电的可靠性；
保护装置包括固态断路器和快速熔断器，能够提供短路、过负荷、过/欠电压等故障的继电保护，固态断路器可在350μs内切除故障区域，快速熔断器能够在1.8ms内切除故障区域，保护装置能够确保船舶供电的连续性，提升动力系统1的安全性和可靠性；
锂电池经过DC/DC装置升压后连接至直流配电板，为船舶的推进系统3提供动力，DC/AC装置将直流电源逆变为380V的交流电源，经交流配电板为船舶上的三相交流负载供电，经过AC400V/230V变压器和交流配电板供电给全船的用电设备，提升了系统容量的配置能力，适应性更强。
推进系统3包括PLC控制系统、全回转操作手柄和无轴轮缘推进器，操作人员通过操纵全回转操作手柄来控制无轴轮缘推进器的转速和转向，推进系统3包括驾驶室控制和机旁控制，通过驾驶室和机旁两个部位来进行控制，机旁控制包括机旁箱，机旁箱设置在推进系统3的推进舱旁，PLC控制系统设置在机旁箱内，每台推进器配备一套机旁控制箱，在机旁箱可就地操控无轴轮缘推进器，驾驶室内设有控制面板和控制器，通过驾驶室的控制面板能够远程操控推进器及推进器逆变器，驾驶室内还设有备用系统，备用系统与推进系统3配合设置，当主站发生故障时，可通过备用系统控制推进系统3。
在本实施例中，船舶上装配两套无轴轮缘推进器，无轴轮缘推进器包括全回转转舵机构和轮缘式推进器，如附图5所示，轮缘式推进器包括导管30、轮缘式电机31、含毂螺旋桨、水润滑轴承33和空心轴34，轮缘式电机31包括定子311和转子312，含毂螺旋桨包括桨毂321和桨叶322，定子311集成在导管30中，转子312集成在桨叶322的叶梢，桨毂321设置在空心轴34上，在桨叶322的转动过程中，转子312始终位于定子311的内部，如此设置，去除了齿轮和密封，减去了最大的故障点，可靠性强，水润滑轴承33设置在桨毂321中心，稳定性强，通过轮缘式电机31直接驱动含毂螺旋桨，不需要中间传动环节，效率高，将电机置于水下，直接水冷，不需要在推进舱内配置制冷风机，节省能源，采用推力导管，提升推进效率和推力，含毂螺旋桨外部有机壳保护，耐撞击，不易损坏变形，延长使用寿命，全回转转舵机构设置在空心轴34中，全回转转舵机构包括转舵电机和转舵变频器，转舵变频器用于驱动转舵电机转动，从而改变含毂螺旋桨的转向，全回转转舵机构为现有技术，在此不做赘述，全回转转舵机构采用转舵电机驱动，不转舵时不耗费能源，节约能源。
智能辅助驾驶系统4包括边缘计算单元、显示屏和数据采集系统，基于三维实时重构技术、信息融合技术和实时风险智能评估技术，在电子航道图、水文气象信息的基础上，数据采集系统包括雷达天线、AIS系统和GPS系统等感知设备，用于全方位采集环境信号，将数据同步后传给边缘计算单元，边缘计算单元对接收到的数据进行分析和提取，基于信息融合技术、认知决策技术、机器学习技术等，结合船舶自身的状态信息对各项分析结构进行数据融合，得到航行环境、船舶预警等信息，并将融合后的数据进行三维还原，将三维还原的数据传送至渲染服务进行渲染，得到实时的三维场景和AR视觉场景，并在显示屏上进行显示，实时向船舶驾驶人员给出可靠的可视结果，不受黑夜、雾天等能见度低的不良天气影响，且能够实时评估碰撞、搁浅、倾覆等航行风险，提前预警，综合提升船舶航行的安全性，减少事故的发生。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种纯电池动力船舶的集成控制系统，其特征在于：包括动力系统(1)、配电系统(2)、推进系统(3)和智能辅助驾驶系统(4)，所述动力系统(1)包括集装箱以及设置在所述集装箱内的锂电池、电池管理系统、照明系统和监控系统，多组所述锂电池并联设置，所述监控系统包括热控系统、可燃气体探测系统、消防系统和失火报警系统，所述热控系统、可燃气体探测系统及消防系统分别与所述失火报警系统电性连接，所述配电系统(2)设置在配电舱内，所述推进系统(3)设置在推进舱内，所述智能辅助驾驶系统(4)包括边缘计算单元、显示屏和数据采集系统。
2.根据权利要求1所述的纯电池动力船舶的集成控制系统，其特征在于：所述电池管理系统包括主控模块、从控模块、温控模块和显示模块，所述主控模块通过CAN接口与所述从控模块、温控模块和显示模块电性连接，所述温控模块包括温度检测装置，所述温度检测装置用于检测所述锂电池的温度信息，所述从控模块包括电压检测装置、电流检测装置和均衡装置，所述显示模块包括用户操作界面。
3.根据权利要求1所述的纯电池动力船舶的集成控制系统，其特征在于：所述配电系统(2)包括功率管理系统、直流配电板、交流配电板、DC/DC装置、DC/AC装置和保护装置，所述直流配电板通过所述DC/DC装置与所述锂电池连接，所述交流配电板通过所述DC/AC装置与所述锂电池连接，所述保护装置包括固态短路器和快速熔断器。
4.根据权利要求1所述的纯电池动力船舶的集成控制系统，其特征在于：所述推进系统(3)包括PLC控制系统、全回转操作手柄和无轴轮缘推进器，所述推进系统(3)包括驾驶室控制和机旁控制，所述机旁控制包括设置在所述推进舱旁的机旁箱，所述PLC控制系统设置在所述机旁箱内，所述机旁箱与所述无轴轮缘推进器配合设置，通过所述机旁箱来控制所述无轴轮缘推进器，所述驾驶室控制包括设置在驾驶室内的控制面板和控制器，通过所述控制面板来控制所述无轴轮缘推进器。
5.根据权利要求4所述的纯电池动力船舶的集成控制系统，其特征在于：所述驾驶室内还设有备用系统，所述备用系统与所述推进系统(3)配合设置，通过所述备用系统控制所述推进系统(3)。
6.根据权利要求4所述的纯电池动力船舶的集成控制系统，其特征在于：所述无轴轮缘推进器包括全回转转舵机构和轮缘式推进器，轮缘式推进器包括导管(30)、轮缘式电机(31)、含毂螺旋桨、水润滑轴承(33)和空心轴(34)，所述轮缘式电机(31)包括定子(311)和转子(312)，所述含毂螺旋桨包括桨毂(321)和桨叶(322)，所述定子(311)集成在所述导管(30)中，所述转子(312)集成在所述桨叶(322)的叶梢，所述桨毂(321)设置在所述空心轴(34)上，所述水润滑轴承(33)设置在所述桨毂(321)中心，所述全回转转舵机构设置在所述空心轴(34)内，所述全回转转舵机构包括转舵电机和转舵变频器，所述转舵变频器用于驱动所述转舵电机转动。
7.根据权利要求1所述的纯电池动力船舶的集成控制系统，其特征在于：所述数据采集系统包括雷达天线、AIS系统和GPS系统，所述数据采集系统将采集到的数据同步后传给所述边缘计算单元，所述边缘计算单元对接收到的数据进行融合，并将融合后的数据进行三维还原，将三维还原的数据传送至渲染服务进行渲染，得到实时的三维场景和AR视觉场景，并在所述显示屏上进行显示。
8.根据权利要求1所述的纯电池动力船舶的集成控制系统，其特征在于：所述热控系统包括温度传感器、报警器和制冷装置。
9.根据权利要求1所述的纯电池动力船舶的集成控制系统，其特征在于：所述可燃气体探测系统包括探测装置和应急排风装置。
10.根据权利要求1所述的纯电池动力船舶的集成控制系统，其特征在于：所述消防系统包括自动探火装置和自动灭火装置。
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CN114889752A (zh) * 2022-05-10 2022-08-12 中远海运重工有限公司 大型电池动力内河集装箱船
CN115056957A (zh) * 2022-06-28 2022-09-16 上海泷洋船舶科技有限公司 一种船用智能电推与智能船系统

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