CN113955067A - 一种集装箱船的模块化电池供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种集装箱船的模块化电池供电系统，该系统包括柴油机、发电机、配电屏、充电逆变单元、冷藏集装箱、控制单元、箱式蓄电池，应用在集装箱船上。本发明系统利用箱式蓄电池组为冷藏集装箱供电，能大幅降低船舶柴油发电机组的总装机功率，进而降低发电机设备的投资成本。本发明中的箱式蓄电池的数量可以根据船上冷藏集装箱在港口的装卸情况自适应变化，实现能源的合理利用；并且在排放控制严格的沿海和内河地区，本发明能有效降低船舶的排放，满足区域要求。因此，在集装箱船大型化的趋势下，本发明有良好的应用前景。

Description

一种集装箱船的模块化电池供电系统

技术领域

本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种集装箱船的模块化电池供电系统。

背景技术

船舶电力系统主要是由电源装置、配电装置、电网和负载等组成。其中，电源装置通常为多台柴油发电机组组成，其产生的电能经船舶电网供给各类负载使用。船舶在航行中，除电力推进船舶外，像散货船、杂货船和油船等船上所有动力设备运行的所需的电网负荷一般为300～600kW左右，最多一般不会超过1000kW，但集装箱船比较特殊，因为船上装载非常多冷藏集装箱，每个冷藏集装箱需要用电制冷，所以集装箱船舶电网其运行负荷远远大于散货船、杂货船和油船等类型船舶。当前，超大型集装箱船最大可装载2000个以上的40尺冷藏集装箱，单个集装箱的功率约5kW，船舶电网运行峰值负荷可达到10000kW以上。为了满足集装箱船舶在冷藏集装箱装载数量最多的条件下，且船舶电网保持船舶动力设备和所有冷藏集装箱正常电力供应，再考虑船舶电网预留一定的盈余度，因此这样集装箱船船舶电源装置的电网装机容量非常大，通常需要配备多台的柴油发电机组，且每台发电机组输出功率较大，并且预留1～2台备用柴油发电机组在工作的柴油发电机组发生故障时投入使用。因此，相对于其他类型船舶，这种配备较多的柴油发电机组和单台发电机组较大的输出功率，使集装箱船舶电源装置的初期投资成本特别高。

冷藏集装箱制冷系统的工作原理为：当箱内温度低于所设温度的下限值时，制冷系统停止工作，当温度高于所设温度的上限值时，制冷系统重新启动。但实际上，冷藏集装箱的运行工况的规律性较差，制冷系统的启动和停车随机性太强，有时同时运行的冷藏集装箱数量较多，有时同时运行的数量较少；并且由于在不同的港口的冷藏集装箱装卸数量不一致，导致在每个航段船舶装载的冷藏集装箱数量差别很大(航段，此处是指相邻两个港口的船舶航行)。以上因素都导致在同一航段船舶柴油发电机组的输出负荷有很大的波动，不同航段船舶柴油发电机组的输出负荷波动更大。通常，这类船舶航行时整个航线的负载的平均运行功率约5000kW左右，相对于配备了10000kW的总装机容量而言，这造成了船上柴油发电机所提供的功率严重的冗余问题。

不仅如此，发电机的输出功率波动较大时会影响发电机的稳态稳定性，对电源装置要求较高。尽管对于一些冷藏集装箱可以采用延时启动的方式降低发电机输出功率的波动，但可能会存在冷藏集装箱达偏离设定的温度，进而有可能导致货物损坏。因此，如何减少集装箱船柴油发电机组的总装机容量，降低船舶冷藏集装箱负载功率的波动(也就是降低柴油发电机组输出功率波动)，是当前大型集装箱船舶亟需解决的重要难题之一。

当前，在其他类型船舶上，有人提出了蓄电池并联供电的方法。例如，专利号为CN107947316B的中国专利提出了一种船舶电力系统整流发电机与蓄电池并联供电控制方法，该专利利用蓄电池供电解决了船舶负载功率超过发电机额定功率的问题，提升了船舶电力系统的最大输出功率。专利号为CN105550462B的中国专利提出一种混合动力系统动力电池组存储能量与电池模块数量计算方法，该专利在电力推进船舶上利用蓄电池辅助发电机提供推进动力或储存发电机剩余电能，优化了电力推进船舶动力系统的运行效率。但电力推进船舶的推进功率是有规律的周期性的变化，而集装箱船的冷藏集装箱运行工况的规律性较差，并且每个航段冷藏集装箱的装载数量差别很大。上述两专利都没有解决集装箱船因船舶电网运行负荷变化，导致柴油发电机输出功率波动的问题。

针对集装箱船存在的电力问题，若是能提出一种蓄电池储能供电系统，该系统能大幅降低集装箱船舶柴油发电机组的总装机容量，降低设备的投资成本，利用蓄电池组为冷藏集装箱供电，减少发电机输出功率的波动，并能保持集装箱船整个航线的正常电力供给，那么这种系统具有很高的应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对上述提到的问题，提出一种集装箱船的模块化电池供电系统。该系统包括柴油发电机组供电系统和蓄电池供电系统。

其中，所述柴油发电机组供电系统包括：柴油机、发电机、配电屏、充电逆变单元、控制单元、冷藏集装箱、箱式蓄电池。

所述蓄电池供电系统包括：箱式蓄电池、充电逆变单元、控制单元、配电屏、冷藏集装箱。

在柴油发电机组供电系统中，所述柴油机、发电机、配电屏、冷藏集装箱连接；所述柴油发电机组供电系统中设有蓄电池充电系统，配电屏、充电逆变单元、箱式蓄电池依次相连接。

在蓄电池供电系统中，所述箱式蓄电池、充电逆变单元、配电屏、冷藏集装箱依次相连接，所述配电屏、控制单元、充电逆变单元依次相连接，所述箱式蓄电池外形为40尺的可移动集装箱，内部为模块化电池。

集装箱船运输过程中，当控制单元检测到船舶电网的运行负荷降低时，控制充电逆变单元为箱式蓄电池充电，由柴油发电机组供电系统单独为冷藏集装箱供电；当控制单元检测到船舶电网的运行负荷升高时，箱式蓄电池输出的电流经充电逆变单元逆变后并入配电屏统一调配，由柴油发电机组供电系统和蓄电池供电系统共同为冷藏集装箱供电，降低柴油发电机组的输出功率。此外，集装箱船在排放控制区航行时，也可以利用箱式蓄电池为冷藏集装箱供电，减少发电机的输出功率。

进一步的，本发明中的箱式蓄电池的数量能根据冷藏集装箱的装载数量实现自适应变化，并满足船舶供电需求。

本发明有益效果：

1.本发明系统应用在集装箱船上，利用箱式蓄电池的充电、放电过程，降低了船舶柴油发动机组输出功率的波动，进而降低船舶发电机组的总装机容量，降低了发电机设备的初投资成本。因此，本发明具有很好的应用价值。

2.本发明船舶在排放控制区或近海航行时利用箱式蓄电池协同柴油发电机组供电，降低了发电机的运行功率，进而减少了在近海限排区域废气的排放，降低了环境污染。

3.本发明的箱式蓄电池的数量能根据供电需求自适应变化，船舶在港口装卸货物时可以装卸所需的可移动式集装箱模块化电池，实现能量的合理利用。

附图说明

图1是本发明的系统图；

附图中：1.柴油机；2.发电机；3.配电屏；4.充电逆变单元；5.冷藏集装箱；6.控制单元；7.箱式蓄电池

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。

一种集装箱船的模块化电池供电系统，如图1所示，该系统包括柴油发电机组供电系统和蓄电池供电系统。其中，柴油发电机组供电系统包括：柴油机1、发电机2、配电屏3、充电逆变单元4、冷藏集装箱5、控制单元6、箱式蓄电池7。蓄电池供电系统包括：箱式蓄电池7、充电逆变单元4、控制单元6、配电屏3、冷藏集装箱5。充电逆变单元4由控制单元6控制，充电逆变单元4既可以利用配电屏3输出的电流为箱式蓄电池7充电，也可以将箱式蓄电池7输出的直流电逆变后并入配电屏3中。配电屏3可以将船舶电网的运行负荷的波动信息传递给控制单元6。

本发明系统应用在集装箱船上，目的是降低集装箱船发电机组的总装机容量，降低成本。以一艘配备6台柴油发电机组的大型集装箱船为例，船上的每一个冷藏集装箱5都需要用电制冷，船舶的负载功率较大，利用本发明系统可以减少柴油发电机组的数量，配备4台柴油发电机组就可以满足船舶的总装机容量。其中3台柴油发电机组和多个箱式蓄电池7联合供电可以满足船舶动力设备和所有冷藏集装箱5正常电力供应，1台为备用柴油发电机组。

如图1所示，在柴油发电机组供电系统中，由柴油机1和发电机2组成的柴油发电机组产生的电能并入配电屏3中，配电屏3调配供给冷藏集装箱5和船舶其他负载使用；该系统中设有蓄电池充电系统，配电屏3输出的电能经充电逆变单元4为箱式蓄电池7充电。在蓄电池供电系统中，箱式蓄电池7输出的电能经充电逆变单元4逆变后并入配电屏3，由配电屏3统一调配供给冷藏集装箱5和船舶其他负载使用。

充电逆变单元4在本发明中有三种工作状态：充电状态，即船舶柴油发电机组产生的富裕功率为箱式蓄电池7充电；放电状态，即箱式蓄电池7向配电屏3供电；停机状态，即配电屏3既不向箱式蓄电池7充电，箱式蓄电池7也不向配电屏3供电。

集装箱船运输过程中，当控制单元6检测到船舶电网的运行负荷低于设定的下限值(人为设置的)时，控制充电逆变单元4为充电状态，由柴油发电机组供电系统单独为冷藏集装箱5供电，柴油发电机组产生的富裕功率用于箱式蓄电池7的充电；当控制单元6检测到船舶电网的运行负荷高于设定的上限值(人为设置的)时，控制充电逆变单元4将箱式蓄电池7输出的直流电逆变成交流电，并入配电屏3统一调配，由柴油发电机组供电系统和蓄电池供电系统共同为冷藏集装箱5供电，降低柴油发电机组的输出功率。

具体的，当船舶电网的运行负荷较低时，充电逆变单元4为充电状态，箱式蓄电池7储存柴油发电机组产生的富裕电能；当船舶电网的运行负荷提高，但提高幅度较小(即电网负荷波动较小)时，充电逆变单元4为停机状态，柴油发电机组产生的电能优先供给船舶负载使用；当船舶电网的运行负荷提高较大的幅度(即电网负荷波动较大)时，充电逆变单元4为放电状态，箱式蓄电池7输出的电能经充电逆变单元4逆变后并入配电屏3，由配电屏3调配供给冷藏集装箱5使用。同样的，当船舶电网的运行负荷降低时，降低幅度较小时充电逆变单元4为停机状态，降低幅度较大时充电逆变单元4为充电状态。

上文中提到的船舶电网运行负荷设定的上限和下限值是根据冷藏集装箱5的装载数量人为设置的。为了进一步描述所提出的上限值或下限值的概念，下文以一艘集装箱船为例做具体解释。假设集装箱船的航线为青岛港—上海港—深圳港，在青岛港内装载一定数量的冷藏集装箱5出发至上海港时，船舶电网的峰值负荷可达8000kW，最低约2000kW(电网负荷的波动是由冷藏集装箱5运行工况发生变化引起的)，经计算船舶电网平均运行负荷(此处及下文主要指冷藏集装箱5的平均运行功率)为4750kW，可以在控制单元6内设置下限值为4500kW，上限值为5000kW。船舶电网的运行负荷低于4500kW时，配电屏3向箱式蓄电池7充电；高于5000kW时，箱式蓄电池7向配电屏3供电；在4500kW和5000kW之间时，配电屏3既不向箱式蓄电池7充电，箱式蓄电池7也不向配电屏3供电。当船舶在上海港继续加装一定数量的冷藏集装箱5出发时，船舶电网的峰值负荷约10000kW左右，计算得船舶电网平均运行负荷升高至5250kW，此时在控制单元6中设定的下限值为5000kW，上限值为5500kW。从上述实例可以看出，集装箱船电网的峰值负荷非常高，但集装箱船应用本发明系统，无需配备较大的柴油发电机组的总装机容量。

控制单元6中设定的上限值和下限值是根据冷藏集装箱5的数量动态变化的，并且可以根据实际情况对设定的上限值和下限值合理设置。航行过程中若想增加箱式蓄电池7的充电量，可将控制单元6中的下限值相对于船舶电网平均运行负荷设定的适当偏大；若想增加箱式蓄电池7的放电量，将控制单元6中的上限值相设定的适当偏小；若不想箱式蓄电池7在航行过程中频繁的充、放电，可将下限值设定的适当偏小，上限值相设定的适当偏大，增大充电逆变单元4停机状态的区间。

此外，集装箱船在排放控制区或沿海地区航行时，该区域对船舶的排放要求较高，由于柴油发电机组会产生较多的污染气体，可以利用箱式蓄电池7和发电机2共同为冷藏集装箱5供电，能够降低发电机2的运行负荷，进而减少污染气体的排放。集装箱船在进入排放控制区之前，船员可以根据航线提前在前一个港口额外加装一定数量的箱式蓄电池7，船舶在排放控制区或沿海地区内尽可能减少使用或不使用柴油发电机组，提高箱式蓄电池7的放电比例。这对于排放控制区或大气污染物排放控制严格沿海地区和内河地区，此类船舶很容易满足该区域的排放要求，因此，本发明有很高的应用价值和发展前景。

进一步的，为了满足冷藏集装箱5的所需的最大功率要求，可以依据冷藏集装箱5的数量和冷藏集装箱5的平均运行功率计算所需的箱式蓄电池7。集装箱船停靠码头装卸货物，当卸掉一定数量的冷藏集装箱5时，按计算结果卸掉一定比例的箱式蓄电池7；同理，当加装一定数量的冷藏集装箱5时，也按照计算结果加装一定比例的箱式蓄电池7。

实际上，集装箱船上的集装箱基本不可能达到船舶的满载数量，据统计显示，目前世界上22000TEU(20英尺标准集装箱)的集装箱船在其运输历史上完成的最大的实际载箱量是19621TEU，因此，船舶有充足的空间加装本发明中的箱式蓄电池7，箱式蓄电池7的装卸是完全可以实现的。

综上所述，本发明系统主要目的是利用箱式蓄电池7为冷藏集装箱5供电，减少船舶柴油发电机组的总装机容量，并降低柴油发电机组输出功率的波动。其中，当船舶电网的运行负荷提高较大的幅度时，由箱式蓄电池7和发电机2共同供电，船舶电网的运行负荷降低较大的幅度时，发电机2单独供电，产生的富裕电能由箱式蓄电池7储存。这使得集装箱船的柴油发电机组无须配备过大的总装机容量，减少了柴油发电机组输出功率的波动，降低了电源装置的初期投入成本。更为重要的是，本发明系统能降低船舶大气污染物的排放，实现船舶绿色航运。

以上所述仅是本发明的优先实施方式，但实现时不受上述实施例限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种集装箱船的模块化电池供电系统，其特征在于：该系统包括柴油发电机组供电系统和蓄电池供电系统，

所述柴油发电机组供电系统包括：柴油机(1)、发电机(2)、配电屏(3)、充电逆变单元(4)、冷藏集装箱(5)、控制单元(6)、箱式蓄电池(7)，

所述蓄电池供电系统包括：箱式蓄电池(7)、充电逆变单元(4)、控制单元(6)、配电屏(3)、冷藏集装箱(5)，

在蓄电池供电系统系统中，所述箱式蓄电池(7)、充电逆变单元(4)、配电屏(3)、冷藏集装箱(5)依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种集装箱船的模块化电池供电系统，其特征在于：所述柴油发电机组供电系统中设有蓄电池充电系统，配电屏(3)、充电逆变单元(4)、箱式蓄电池(7)依次相连接。

3.根据权利要求1所述的一种集装箱船的模块化电池供电系统，其特征在于：配电屏(3)、控制单元(6)、充电逆变单元(4)依次相连接。

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