CN113928525B - 船舶纯电池动力推进系统的故障穿越方法 - Google Patents

船舶纯电池动力推进系统的故障穿越方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种船舶纯电池动力推进系统的故障穿越方法，主要针对动力系统中的锂电池组进行监控。通过各个支路上的斩波器实时监测锂电池组的输出电压情况，当其输出电压变化率du/dt发生异常变化超过设定值后，动力系统中相应支路的斩波器将立即停止运行，同时断开相应支路上与锂电池组连接的断路器实现电气隔离，最后将相关故障信息通过通讯控制线缆传递至功率管理系统PMS。为了防止因电池组异常或故障对整个船舶推进系统电网的稳定性造成影响，功率管理系统PMS通过抛弃非重要负载、限制推进功率以及越控提高电池放电电流对系统进行调控，使得电力推进系统重新建立平衡。

Description

船舶纯电池动力推进系统的故障穿越方法
技术领域
本发明涉及一种电动船舶领域，具体来说涉及一种船舶纯电池动力推进系统的故障穿越方法。
背景技术
新能源船舶最重要的动力推进系统是基于电池包提供能源，因此电池包能否正常运转决定着新能源船舶能够正常运行，并且在船舶航行过程中，若电池动力系统发生故障必须有相应的应对措施，保障船舶能够顺利靠岸，而不是漂泊在海面上。现有专利大多聚焦于电池故障的评判，如专利CN202011543908.9、CN201710753068.0、CN201711331218.5和CN202010263187.X等，采用了多种方式评析电池的健康情况，并对电池可能发生的故障进行预测，但是没有提出电池故障后的应对方法；专利CN201711210997.3通过电池容量判断电池是否故障，并采用直接更换故障模块的方法解决电池故障，虽然能够较为及时解决电池系统的故障，但是无法应对船舶在航行过程中突遇故障时的应急反馈，且当船舶运行在海上时难以实现相关模块的及时更换。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种防止因电池组异常或故障对整个船舶推进系统电网的稳定性造成影响的船舶纯电池动力推进系统的故障穿越方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种船舶纯电池动力推进系统的故障穿越方法，其中，船舶纯电池动力推进系统包括控制系统、动力系统和负载系统；
控制系统包括有负责电池系统的主要参数测量、状态监控及安全运行的电池管理系统BMS、功率管理系统PMS和负责推进负载的调速和功率限制的推进控制系统PCS；
功率管理系统PMS包括主控制器，主控制器与交换机相连接，交换机与电池管理系统BMS相连接；交换机与若干斩波子控制器以及推进子控制器和日用电源子控制器相连接，推进控制系统PCS与交换机相连接；
动力系统包括有多组相同配置的锂电池支路，每组锂电池支路包括有锂电池组，锂电池组通过电缆依次连接主断路器、斩波器后连通至直流母线上；
负载系统包括为船舶提供前进动力输出的推进负载、以及为船舶作业及船员生活提供能量的日用电源负载；
日用电源负载包括从直流母线通过电缆依次连接的日用电源变频器、日用分断路器、日用电源变压器、日用电源断路器、日用电源母线，日用电源母线经由若干带第一负载断路器的电路连接重要负载，日用电源母线经由若干带第二负载断路器的电路连接非重要负载；
所有斩波子控制器通过通讯控制线缆与各个斩波器相对应连接；推进子控制器通过通讯控制线缆与推进变频器相连接；日用电源子控制器通过通讯控制线缆与日用电源变频器相连接；
该船舶纯电池动力推进系统的故障穿越方法，包括以下步骤：
步骤一、通过各个支路上的斩波器实时监测锂电池组的输出电压情况，当其输出电压变化率du/dt发生异常变化超过设定值后，动力系统中相应支路的斩波器将立即停止运行，同时断开相应支路上与锂电池组连接的断路器实现电气隔离；
步骤二、将相关故障信息通过通讯控制线缆传递至功率管理系统PMS；功率管理系统PMS通过抛弃非重要负载、限制推进功率以及越控提高电池放电电流对系统进行调控，使得电力推进系统重新建立平衡，具体如下：
(1)抛弃非重要负载
日用负载依据其在船舶行驶过程中的重要性，分为重要负载和非重要负载；当动力系统中某一支路上的锂电池组发生故障后，故障信息经相应支路的斩波器子控制器传递至功率管理系统PMS，功率管理系统PMS系统依据功率均衡的准则，依照预先设定的非重要负载功率等级，向日用配电板发出信号，依次卸载非重要负载，直至∑Pk≤∑Pf，式中k为故障的锂电池组序号，k∈i，i表示各个支路锂电池的编号集合，i＝{1,2,3,,,n}；f为卸载的日用负载编号，f∈h；h为所有非重要日用负载的编号集合，h＝{1,2,3,,,t}；
(2)限制推进功率
当抛弃了所有非重要负载且降低剩余重要负载功率后仍然无法满足当前系统正常运转的需求时，功率管理系统PMS依据剩余功率需求
Figure BDA0003314622730000031
向推进变频器发出信号，降低推进变频器的输出电流，通过限制推进电机的最大输出功率来满足当前系统的功率需求；
(3)电池组越控
当抛弃了所有非重要负载、降低剩余重要负载功率、且限制推进功率后仍然无法满足当前系统正常运转的需求时，功率管理系统PMS的主控制器从电池管理系统BMS中读取到没有发生故障的各个锂电池组的实时状态，读取的信息包括各个锂电池组的剩余电量SOC、锂电池组所处环境湿度RH以及目前各个锂电池组电芯的温度值T；主控制器根据电池实时的不同状态不断调整各个正常的锂电池组的放电能力，具体依据以下准则对各个锂电池组进行过载放电以尽量减少对锂电池组的损伤：
(a)当SOC≤20％或RH≥70％或T≤5℃或T＞55℃时，主控制器不越控，各个电池组维持正常的放电状态；
(b)当SOC＞20％、RH＜70％并且5℃＜T≤30℃时，主控制器越控，控制电池管理系统BMS提高剩余锂电池组的放电电流至200％；
(c)当SOC＞20％、RH＜70％并且30℃＜T＜55℃时，主控制器越控，控制电池管理系统BMS提高剩余锂电池组的放电电流至150％。
作为一种优选的方案，所述步骤二中抛弃非重要负载时，当
Figure BDA0003314622730000032
即当前故障的锂电池组数目较多，所有非重要负载全部脱开仍然无法满足其余负载的功率需求时，功率管理系统PMS控制降低输出给重要负载的电压至剩余重要负载运行所允许的最小值。/>
作为一种优选的方案，所述非重要负载根据重要程度分为两级，包括非重要1级和非重要2级，功率管理系统PMS在卸载负载时按照先非重要1级、后非重要2级的方式按设定顺序选取其中的设备脱开日用负载。
作为一种优选的方案，所述推进负载包括从直流母线通过电缆依次连接的推进变频器、推进分断路器、推进电机、推进桨叶。
本发明的有益效果是：
1、通过负载等级的划分，依托功率平衡的原则，对纯电池动力系统中的各个负载进行管理，能够快速且定量的衡量电池故障后可抛弃的负载类型与数量，使得整个船舶动力系统能够快速恢复平衡，且不会影响到船舶重要设备的正常运转，提高了纯电池船舶面对故障的稳定性。
2、通过运用电池过载能力，使得船舶在航行过程中面对极端情况时也能够具有航行能力，同时设置电池过载越控的先决条件，使得电池组在恰当的条件下进行定量过载，保护了电池的使用安全性，提高了电池在特殊情况下的使用寿命。
3、通过电网功率平衡策略的实施，同时设置了多层电网保障手段，最大程度的保障了电网在发生故障时的稳定性，使得纯电池船舶在应对风险时不需脱离电网，不仅减少了反复并网对电网的冲击还保证船舶可以一直维持一定程度的运转直至故障的解除，提高了故障穿越的能力。
附图说明
图1是本发明的船舶纯电池动力推进系统示意图。
图2为电池组越控方法的流程示意图。
图中：1-控制系统，11-电池管理系统BMS，12-功率管理系统PMS，13-主控制器，14-交换机，15-斩波子控制器。16-推进子控制器，17-日用电源子控制器，18-推进控制系统PCS，2-动力系统，21-锂电池组，22-主断路器，23-斩波器，3-负载系统，31-推进变频器，32-推进断路器，33-推进电机，34-桨叶，35-日用电源变频器，36-负载断路器，37-日用电源变压器，38-日用电源断路器，39-日用电源母线，310-第一负载断路器，311-重要负载，312-第二负载断路器，313-非重要负载。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
如图1所示，船舶纯电池动力推进系统，包括控制系统1、动力系统2和负载系统3；
控制系统1包括有负责电池系统的主要参数测量、状态监控及安全运行的电池管理系统BMS11、功率管理系统PMS12和负责推进负载的调速和功率限制的推进控制系统PCS18；
功率管理系统PMS12包括主控制器13，主控制器13与交换机14相连接，交换机14与电池管理系统BMS11相连接；交换机14与若干斩波子控制器15以及推进子控制器16和日用电源子控制器17相连接，推进控制系统PCS18与交换机14相连接；
动力系统2包括有多组相同配置的锂电池支路，每组锂电池支路包括有锂电池组21，锂电池组21通过电缆依次连接主断路器22、斩波器23后连通至直流母线4上；
负载系统3包括为船舶提供前进动力输出的推进负载、以及为船舶作业及船员生活提供能量的日用电源负载；
推进负载包括从直流母线4通过电缆依次连接的推进变频器31、推进分断路器32、推进电机33、推进桨叶34；
日用电源负载包括从直流母线4通过电缆依次连接的日用电源变频器35、日用分断路器36、日用电源变压器37、日用电源断路器38、日用电源母线39，日用电源母线39经由若干带第一负载断路器310的电路连接重要负载311，日用电源母线39经由若干带第二负载断路器312的电路连接非重要负载313；
所有斩波子控制器15通过通讯控制线缆与各个斩波器23相对应连接；推进子控制器16通过通讯控制线缆与推进变频器31相连接；日用电源子控制器17通过通讯控制线缆与日用电源变频器35相连接；
为了防止因电池组异常或故障对整个船舶推进系统电网的稳定性造成影响，该船舶纯电池动力推进系统的故障穿越方法，包括以下步骤：
步骤一、通过各个支路上的斩波器23实时监测锂电池组21的输出电压情况，当其输出电压变化率du/dt发生异常变化超过设定值后，动力系统2中相应支路的斩波器23将立即停止运行，同时断开相应支路上与锂电池组21连接的断路器实现电气隔离；
步骤二、将相关故障信息通过通讯控制线缆传递至功率管理系统PMS 12；功率管理系统PMS 12通过抛弃非重要负载313、限制推进功率以及越控提高电池放电电流对系统进行调控，使得电力推进系统重新建立平衡，具体如下：
(1)抛弃非重要负载313
日用负载依据其在船舶行驶过程中的重要性，分为重要负载311和非重要负载313；当动力系统2中某一支路上的锂电池组21发生故障后，故障信息经相应支路的斩波器23子控制器传递至功率管理系统PMS 12，功率管理系统PMS12系统依据功率均衡的准则，依照预先设定的非重要负载313功率等级，向日用配电板发出信号，依次卸载非重要负载313，非重要负载313根据重要程度分为两级，包括非重要1级和非重要2级，其中非重要1级为{厨房设备，空调…}，非重要2级为{机舱风机，压载水泵，冷冻设备…}，功率管理系统PMS 12在卸载负载时按照先非重要1级、后非重要2级的方式按设定顺序选取其中的设备脱开日用负载；直至∑Pk≤∑Pf，式中k为故障的锂电池组21序号，k∈i，i表示各个支路锂电池的编号集合，i＝{1,2,3,,,n}；f为卸载的日用负载编号，f∈h；h为所有非重要日用负载的编号集合，h＝{1,2,3,,,t}；
当
Figure BDA0003314622730000071
即当前故障的锂电池组21数目较多，所有非重要负载313全部脱开仍然无法满足其余负载的功率需求时，功率管理系统PMS 12控制降低输出给重要负载311的电压至剩余重要负载311运行所允许的最小值；使剩余日用负载的输出功率尽量降低，尽可能满足此时推进系统运转的功率需求
(2)限制推进功率
当抛弃了所有非重要负载313且降低剩余重要负载311功率后仍然无法满足当前系统正常运转的需求时，功率管理系统PMS 12依据剩余功率需求
Figure BDA0003314622730000072
向推进变频器31发出信号，降低推进变频器31的输出电流，通过限制推进电机33的最大输出功率来满足当前系统的功率需求；
(3)电池组越控
如图2所示，当抛弃了所有非重要负载313、降低剩余重要负载311功率、且限制推进功率后仍然无法满足当前系统正常运转的需求时，功率管理系统PMS 12接收到来自动力系统2中锂电池组21故障的信息后，功率管理系统PMS 12的主控制器13从电池管理系统BMS11中读取到没有发生故障的各个锂电池组21的实时状态，读取的信息包括各个锂电池组21的剩余电量SOC、锂电池组21所处环境湿度RH以及目前各个锂电池组21电芯的温度值T；主控制器13根据电池实时的不同状态不断调整各个正常的锂电池组21的放电能力，(该操控策略利用电池组自身可过载工作的特点，在一定时间内进行超额定功率供能，以保证全船正常运行。)具体依据以下准则对各个锂电池组21进行过载放电以尽量减少对锂电池组21的损伤：
(a)当SOC≤20％或RH≥70％或T≤5℃或T＞55℃时，主控制器13不越控，各个电池组维持正常的放电状态；
(b)当SOC＞20％、RH＜70％并且5℃＜T≤30℃时，主控制器13越控，控制电池管理系统BMS 11提高剩余锂电池组21的放电电流至200％；
(c)当SOC＞20％、RH＜70％并且30℃＜T＜55℃时，主控制器13越控，控制电池管理系统BMS 11提高剩余锂电池组21的放电电流至150％。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种船舶纯电池动力推进系统的故障穿越方法，其中，船舶纯电池动力推进系统包括控制系统、动力系统和负载系统；
控制系统包括有负责电池系统的主要参数测量、状态监控及安全运行的电池管理系统BMS、功率管理系统PMS和负责推进负载的调速和功率限制的推进控制系统PCS；
功率管理系统PMS包括主控制器，主控制器与交换机相连接，交换机与电池管理系统BMS相连接；交换机与若干斩波子控制器以及推进子控制器和日用电源子控制器相连接，推进控制系统PCS与交换机相连接；
动力系统包括有多组相同配置的锂电池支路，每组锂电池支路包括有锂电池组，锂电池组通过电缆依次连接主断路器、斩波器后连通至直流母线上；
负载系统包括为船舶提供前进动力输出的推进负载、以及为船舶作业及船员生活提供能量的日用电源负载；
日用电源负载包括从直流母线通过电缆依次连接的日用电源变频器、日用分断路器、日用电源变压器、日用电源断路器、日用电源母线，日用电源母线经由若干带第一负载断路器的电路连接重要负载，日用电源母线经由若干带第二负载断路器的电路连接非重要负载；
所有斩波子控制器通过通讯控制线缆与各个斩波器相对应连接；推进子控制器通过通讯控制线缆与推进变频器相连接；日用电源子控制器通过通讯控制线缆与日用电源变频器相连接；
该船舶纯电池动力推进系统的故障穿越方法，包括以下步骤：
步骤一、通过各个支路上的斩波器实时监测锂电池组的输出电压情况，当其输出电压变化率du/dt发生异常变化超过设定值后，动力系统中相应支路的斩波器将立即停止运行，同时断开相应支路上与锂电池组连接的断路器实现电气隔离；
步骤二、将相关故障信息通过通讯控制线缆传递至功率管理系统PMS；功率管理系统PMS通过抛弃非重要负载、限制推进功率以及越控提高电池放电电流对系统进行调控，使得电力推进系统重新建立平衡，具体如下：
(1)抛弃非重要负载
日用负载依据其在船舶行驶过程中的重要性，分为重要负载和非重要负载；当动力系统中某一支路上的锂电池组发生故障后，故障信息经相应支路的斩波器子控制器传递至功率管理系统PMS，功率管理系统PMS系统依据功率均衡的准则，依照预先设定的非重要负载功率等级，向日用配电板发出信号，依次卸载非重要负载，直至∑Pk≤∑Pf，式中k为故障的锂电池组序号，k∈i，i表示各个支路锂电池的编号集合，i＝{1,2,3,...,n}；f为卸载的日用负载编号，f∈h；h为所有非重要日用负载的编号集合，h＝{1,2,3,...,t}；
(2)限制推进功率
当抛弃了所有非重要负载且降低剩余重要负载功率后仍然无法满足当前系统正常运转的需求时，功率管理系统PMS依据剩余功率需求
Figure QLYQS_1
向推进变频器发出信号，降低推进变频器的输出电流，通过限制推进电机的最大输出功率来满足当前系统的功率需求；/>
(3)电池组越控
当抛弃了所有非重要负载、且限制推进功率后仍然无法满足当前系统正常运转的需求时，功率管理系统PMS的主控制器从电池管理系统BMS中读取到没有发生故障的各个锂电池组的实时状态，读取的信息包括各个锂电池组的剩余电量SOC、锂电池组所处环境湿度RH以及目前各个锂电池组电芯的温度值T；主控制器根据电池实时的不同状态不断调整各个正常的锂电池组的放电能力，具体依据以下准则对各个锂电池组进行过载放电以尽量减少对锂电池组的损伤：
(a)当SOC≤20％或RH≥70％或T≤5℃或T＞55℃时，主控制器不越控，各个电池组维持正常的放电状态；
(b)当SOC＞20％、RH＜70％并且5℃＜T≤30℃时，主控制器越控，控制电池管理系统BMS提高剩余锂电池组的放电电流至200％；
(c)当SOC＞20％、RH＜70％并且30℃＜T＜55℃时，主控制器越控，控制电池管理系统BMS提高剩余锂电池组的放电电流至150％。
2.如权利要求1所述的一种船舶纯电池动力推进系统的故障穿越方法，其特征在于：所述步骤二中抛弃非重要负载时，当
Figure QLYQS_2
即当前故障的锂电池组数目较多，所有非重要负载全部脱开仍然无法满足其余负载的功率需求时，功率管理系统PMS控制降低输出给重要负载的电压至剩余重要负载运行所允许的最小值。
3.如权利要求2所述的一种船舶纯电池动力推进系统的故障穿越方法，其特征在于：所述非重要负载根据重要程度分为两级，包括非重要1级和非重要2级，功率管理系统PMS在卸载负载时按照先非重要1级、后非重要2级的方式按设定顺序选取其中的设备脱开日用负载。
4.如权利要求3所述的一种船舶纯电池动力推进系统的故障穿越方法，其特征在于：所述推进负载包括从直流母线通过电缆依次连接的推进变频器、推进分断路器、推进电机、推进桨叶。
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