CN115158101A - 一种电动船舶热管理系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动船舶热管理系统及其控制方法，其中热管理系统包括中央冷却器、内循环管路和外循环管路，外循环管路一侧连接船外河水，另一侧与中央冷却器相连，内循环管路一侧连接热负荷设备，另一侧与中央冷却器相连，此外在内循环管路上还并联有回水旁路和加热旁路；上述热管理系统能够对动力电池等热负荷设备进行加热升温或冷却降温，以此保持温度恒定。此外本发明还提供了一种针对上述热管理系统的控制方法，主要针对冷却模式下，通过管控水泵电机的运行频率，以此精准有效的维持热负荷设备的温度情况，并保障水泵电机的节能且安全地运行。

Description

一种电动船舶热管理系统及其控制方法

技术领域

本发明属于热管理技术领域，具体涉及一种电动船舶热管理系统及其控制方法。

背景技术

随着一系列关于船舶环保和可持续发展的政策相继发布，我国也逐渐推进船舶工业转型升级，向‘船舶电动化’发力。纯电动船，即驱动能源全部由电能供应的船舶。远洋航运多用于国与国之间的货物或人员运输，航程远、行驶环境复杂多变。对于船舶的吨位、续航能力都有极高的标准，并不适合纯电动船舶发展。相比于远洋海运，内河运输的范围小，且航线里程短。因此对于船舶的续航能力要求并不高，适合内河船舶的发展。动力电池是电动船得动力来源，具有一定得工作温度范围，高温下动力电池循环寿命减低、充放电功率受限、充电时间延长；低温下动力电池内部活性物质显著下降，电池内阻增加、充放电功率及容量明显降低，极端情况下，可导致动力电池无法充放电等情况，为了保证电池的高低温性能，需要在高温时对电池冷却，在低温时对电池进行加热。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种电动船舶热管理系统及其控制方法，用以解决电动船舶中热负荷设备的热管理问题。

本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种船舶热管理系统，其特征在于：包括中央冷却器、内循环管路和外循环管路，所述外循环管路一侧连接船外河水，另一侧与中央冷却器相连，外循环管路上串接有外循环泵组；所述内循环管路包括一条主路管道和两条旁路管道，所述主路管道一侧连接热负荷设备，另一侧连接中央冷却器，所述主路管道上串接有内循环泵组，所述旁路管道包括回水旁路和加热旁路，所述回水旁路和加热旁路均与中央冷却器相并联，其中加热旁路内串接有加热装置，加热旁路两端分别通过三通阀与主路管道相连，所述回水旁路设置在中央冷却器与加热旁路之间，回水旁路出口端与主路管道之间连接有温控三通阀。

进一步地，所述外循环管路上设有过滤器，所述过滤器设置在外循环管路取水口与外循环泵组之间。

进一步地，所述外循环泵组和内循环泵组中分别设有三台水泵，每台水泵各自配套有水泵电机，所述水泵电机为变频电机，水泵电机与智能电机管控模块相连并受其监测及控制。

进一步地，在中央冷却器外循环侧入口处设有外循环压力传感器、外循环流量计和外循环入口温度传感器，在中央冷却器外循环出口处设有外循环出口温度传感器；在热负荷设备入口处设有内循环压力传感器、内循环流量计和内循环入口温度传感器，在热负荷设备出口处设有内循环出口温度传感器和内循环出口压力传感器。

进一步地，还包括PLC，所述智能电机管控模块以及外循环压力传感器、外循环流量计、外循环入口温度传感器、外循环出口温度传感器、内循环压力传感器、内循环流量计、内循环入口温度传感器、内循环出口温度传感器、内循环出口压力传感器和温控三通阀(27)均与PLC相连并受其控制。

一种基于上述船舶热管理系统的控制方法：所述热管理系统包括加热模式和冷却模式，其中冷却模式下，中央冷却器接入内循环管路，并断开加热装置，所述外循环泵组和内循环泵组同时工作；

外循环侧，所述外循环泵组工作并对水泵电机进行PID自动调节，控制目标为温控三通阀内水温t27＝T27，其中T27为温控三通阀的阀值温度，同时当t27<T27时，温控三通阀开启回水旁路并调节阀门开度大小，直至t27＝T27，当t27>T27时，则温控三通阀保持回水旁路的阀门关闭；

内循环侧，所述内循环泵组工作并对水泵电机进行PID自动调节，控制目标为热负荷设备进出口压差△p＝P1，其中P1由人为设定。

进一步地，所述外循环泵组中同时有单台水泵或双台水泵工作，其中单台水泵工作时，当t27>T27并且水泵电机以SF1频率持续运行达到ST1时间后，则启动第二台水泵，两台水泵的水泵电机先以SF1频率运行ST2时间，之后转为PID自动调节；双台水泵工作时，当两台水泵的水泵电机均在SF2频率以下持续运行达到ST2时间后，则停止其中一台水泵；所述SF1、SF2、ST1、ST2均由人为设定。

进一步地，当单位时间内热负荷设备出口温升幅度△t>T2时，则所述外循环泵组中水泵电机提升F1频率运行ST3时间，之后转为PID自动调节；所述T2、F1、ST3均由人为设定。

进一步地，所述内循环泵组中单台水泵工作并对其水泵电机进行PID自动调节；当温控三通阀上回水旁路阀门为开启状态，并且内循环出口压力p26<P26时，则所述水泵电机提升F2频率运行；当温控三通阀上回水旁路阀门为关闭状态，且热负荷设备入口温度t24>T241或中央冷却器外循环侧入口温度t14>T141时，则启动第二台水泵，其中：

状态1，当t24>T242或t14>T142时，则双台水泵的水泵电机以SF3频率运行，直至t24≤T242且t14≤T142，并持续ST4时间后，则转入状态2；

状态2，当t24≤T242且t14≤T142时，双台水泵的水泵电机以SF1频率运行，直至t24≤T241且t14≤T141，并持续ST4时间后，则停止其中一台水泵，另一台水泵的水泵电机重新转为PID自动调节；

所述P26、F2、T241、T242、T141、T142、ST4均由人为设定，其中T241<T242，T141<T142。

进一步地，当外循环压力p12或外循环流量f13低于规定值时，判断所述外循环泵组中是否出现水泵故障，当热负荷设备入口压力p22或内循环流量f23低于规定值时，判断所述内循环泵组中是否出现水泵故障，当判别出故障水泵后，启用其余未工作水泵替换故障水泵。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种电动船舶热管理系统，能够对动力电池等热负荷设备进行加热升温或冷却降温，以此保持温度恒定。其中冷却模式下，通过内循环管路对动力电池等热负荷设备进行降温散热，而后通过中央冷却器，并结合利用外循环管路中吸入的河水对内循循环侧的冷却液进行降温，以此提升散热效果；此外通过在内循环管路中引入回水旁路的方式，利用温控三通阀辅助调节热负荷设备入口水温高度，以此保证冷却效果稳定。

(2)本发明还提供了一种针对上述热管理系统的控制方法，主要针对冷却模式下，通过管控水泵电机的运行频率，以此精准有效的维持热负荷设备的温度情况，并保障水泵电机的节能且安全地运行

(3)本发明通过在内循环管路和外循环管路中设置多个传感器，并制定相应的调控策略，以此动态调节水泵电机的运行状态，从而一方面达到加高的热管理性能，另一方面也能够节省水泵电机的能耗。

(4)常规水泵电机仅采用热继电器等器件，保护方式较为单一。本发明则通过智能电机管控模块并结合管线上各型传感器监测数据，综合评估判断水泵的故障情况，从而实现对于水泵多样化的保护。

附图说明

图1为本发明外循环管路图；

图2为本发明内循环管路图。

附图标记：

11-外循环泵组； 12-外循环压力传感器； 13-外循环流量计；

14-外循环入口温度传感器； 15-外循环出口温度传感器；

21-内循环泵组； 22-内循环入口压力传感器； 23-内循环流量计；

24-内循环入口温度传感器； 25-内循环出口温度传感器； 26-内循环出口压力传感器；

27-温控三通阀。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所示实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相通或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一、硬件结构

如图1和图2所示的热管理系统，包括中央冷却器、内循环管路和外循环管路，其中中央冷却器是一种换热装置，中央冷却器一侧(外循环侧)与外循环管路相连，另一侧(内循环侧)与内循环管路相连。

所述外循环管路一侧连接船外河水，另一侧连接中央冷却器，具体管路设置为：首先由船底门取水口处，依次经由过滤器和外循环泵组11连接至中央冷却器外循环侧入口，之后再由中央冷却器外循环侧出口连接至船舷外排水口处。

所述内循环管路包括一条主路管道和两条旁路管道。所述主路管道一侧连接热负荷设备(动力电池等)，另一侧连接中央冷却器，具体管路设置为：首先由中央冷却器内循环侧出口，经由内循环泵组21连接至热负荷设备入口，之后再由热负荷设备出口连接至中央冷却器内循环侧入口。两条旁路管道分别为回水旁路和加热旁路，其中加热旁路与中央冷却器相并联，加热旁路两端分别通过三通阀与所述主路管道连接；加热旁路内串接有加热装置；通过上述三通阀开关位置选择，可以选择切换冷却液流经中央冷却器还是流经加热装置。所述回水旁路并联在中央冷却器与加热旁路之间，回水旁路出口端与主路管道之间连接有温控三通阀27；所述温控三通阀27是一种通过自主调节水流量大小以保持水温恒定在设定值的合流阀；温控三通阀27具有一个主输入口、一个旁输入口和一个输出口，其中主输入口为全开状态，旁输入口设有阀门，且阀门能够根据温度情况自动调节开度大小；例如工作时主输入口接热水、旁输入口接冷水，温控三通阀27根据其内水温情况自动调节旁输入口的阀门开度，以保证输出的水温恒定；具体在本发明中，主输入口与中央冷却器内循环侧出口相连，旁输入口与回水旁路相连。

上述热管理系统的工作模式包括加热模式、冷却模式以及待机模式，其中待机模式即所有设备处于待机状态不进行任何动作。在加热模式下，仅内循环泵组21工作，同时通过加热旁路两端的三通阀，使得加热装置接入内循环管路、中央冷却器由内循环管路断开；此模式下，冷却液经加热装置加热后流入热负荷设备，以此为热负荷设备进行加热升温。

冷却模式下，则外循环泵组11和内循环泵组21同时工作，并通过加热旁路两端的三通阀，使得中央冷却器接入内循环管路，同时加热装置由内循环管路中断开。此模式下，在外循环侧，河水由船外抽入外循环管路，并经过滤器过滤后泵送进入中央冷却器；河水在中央冷却器中与内循环侧的冷却液进行热交换，以此帮助内循环侧冷却液散热降温，最后热交换后的河水再由外循环管路重新排入河道。在内循环侧，冷却液从中央冷却器中泵送进入热负荷设备，并在流经的过程中以热交换方式对热负荷设备进行冷却降温，而后升温后的冷却液重新回流至中央冷却器，并在中央冷却器中与河水热交换实现自身的散热降温。

上述外循环泵组11和内循环泵组21均为由多台水泵并联组合使用的水泵组，本实施例中水泵组中具体设有三台水泵，按功能目的分为两台主水泵和一台备用水泵。上述各台水泵分别配套有水泵电机，并由水泵电机驱动工作，所述水泵电机为变频电机，也即通过变频方式调节电机转速，最终达到调节水泵运行功率的目的。上述各水泵电机分别与智能电机管控模块电信号相连；所述智能电机管控模块能够实时监测水泵电机的电压、电流、频率等运行参数，并直接控制水泵电机的启停以及调节电机的输入频率。

为实现对上述热管理系统及其水泵组的智能控制：

在外循环管路上设置有外循环压力传感器12、外循环流量计13、外循环入口温度传感器14和外循环出口温度传感器15；其中外循环压力传感器12、外循环流量计13和外循环入口温度传感器14位于中央冷却器外循环侧入口处，外循环出口温度传感器15位于中央冷却器外循环侧出口处。

在内循环管路上设置有内循环入口压力传感器22、内循环流量计23、内循环入口温度传感器24、内循环出口温度传感器25、内循环出口压力传感器26；其中内循环压力传感器22、内循环流量计23和内循环入口温度传感器24位于热负荷设备入口处，内循环出口温度传感器25和内循环出口压力传感器26位于热负荷设备出口处。

上述智能电机管控模块、外循环压力传感器12、外循环流量计13、外循环入口温度传感器14、外循环出口温度传感器15、内循环入口压力传感器22、内循环流量计23、内循环入口温度传感器24、内循环出口温度传感器25、内循环出口压力传感器26以及温控三通阀27均与PLC电信号连接。其中外循环压力传感器12用于监测外循环压力p12，外循环流量计13用于监测外循环流量f13，外循环入口温度传感器14用于监测中央冷却器外循环侧入口温度t14，外循环出口温度传感器15用于监测中央冷却器外循环侧出口温度t15，内循环入口压力传感器22用于监测热负荷设备入口压力p22，内循环流量计23用于监测内循环流量f23，内循环入口温度传感器24用于监测热负荷设备入口温度t24，内循环出口温度传感器25用于监测热负荷设备出口温度t25，内循环出口压力传感器26用于监测热负荷设备出口压力p26，同时温控三通阀27也能监测其内水温t27。

二、控制方法

因冷却模式下，河水温度以及热负荷设备发热情况变化较大，为能够更加精准有效的维持热负荷设备的温度情况，同时也保障水泵电机的节能且安全地运行，因而制定相应控制策略。具体控制方法如下：

外循环侧：

策略1.1，外循环泵组中单台或双台水泵工作并对其水泵电机进行PID自动调节；PID自动调节的控制目标为温控三通阀27内水温t27＝阀值温度T27，其中阀值温度T27由人为设定，本实施例中设为34℃。与此同时，温控三通阀27也会根据其内水温t27情况，自动调节回水旁路的阀门开度；其中t27<T27时，温控三通阀27开启回水旁路并调节阀门开度大小，直至t27＝T27；而当t27>T27时，则保持回水旁路的阀门关闭。

由于PID自动调节存在上限频率SF1，SF1具体根据所采用的水泵型号由人为设定，例如设为45Hz，也即通过PID自动调节，水泵电机最大只能达到45Hz的运行频率。因此当外循环泵组中单台水泵工作性能不满足需求时，则启用双台水泵工作；反之如果双台水泵工作性能过剩时，则关闭其中一台。上述单/双水泵切换的具体规则为：

1)外循环泵组11中单台水泵工作时，当t27>T27并且水泵电机以SF1(45Hz)频率持续运行达到ST1时间(ST1由人为设定，本实施例中设为1min)后，则启动第二台水泵。第二台水泵进入工作后，两台水泵的水泵电机先以SF1频率运行，在持续运行ST2时间(ST2由人为设定，本实施例中设为5min)后，双台水泵的水泵电机转入PID自动调节。

2)外循环泵组11中双台水泵工作时，当两台水泵的水泵电机运行频率均低于SF2频率(SF2具体根据所采用的水泵型号由人为设定，例如设为40Hz)，并在SF2频率以下持续运行达到ST2(5min)时间后，则停止其中一台水泵，转为单台水泵工作并由PID自动调节其水泵电机。

策略1.2，在策略1.1的基础上，PLC根据实时采集到的热负荷设备出口温度t25，计算单位时间内热负荷设备出口温升幅度△t(如果是温度下降的情况，则△t为负值)，当△t>T2时(T2为人为设定)，则判定为船舶热负荷突增，从而将当前外循环泵组11中水泵电机的运行频率提升F1频率(F1为人为设定，本实施例中设为5Hz)，但是提升后的运行频率不能超过水泵电机最大运行频率SF3(SF3具体根据所采用的水泵型号由人为设定，例如设为50Hz)；水泵电机以提升后的频率持续运行ST3(ST3为人为设定，本实施例中设为5min)时间后重新回到策略1.1，转为PID自动调节。

策略1.3，在策略1.1～1.2的基础上，当外循环压力p12或者外循环流量f13低于规定值时，同时结合智能电机管控模块监测到的运行参数，判断外循环水泵是否出现故障。当PLC判定出某台水泵出现故障时，则停止该水泵，并启用其余未工作的水泵进行替换。

内循环侧：

策略2.1，内循环泵组21中单台水泵工作并对其水泵电机进行PID自动调节，PID自动调节的控制目标为热负荷设备进出口压差△p＝P1，其中△p＝p22-p26，本实施例中P1设定为0.3MPa。

策略2.2，在策略2.1的基础上，当温控三通阀27上回水旁路阀门为开启状态，且内循环出口压力p26<P26(P26由人为设定)时，则将此时水泵电机的运行频率提升F2频率(F2为人为设定，本实施例中设为5Hz)。

策略2.3，在策略2.1的基础上，当温控三通阀27上回水旁路阀门为关闭状态，同时t24>T241或t14>T141时，则内循环泵组21中启用第二台水泵，其中分为：

状态1，当t24>T242或t14>T142时，双台水泵的水泵电机以SF3(50Hz)频率运行；直至t24≤T242且t14≤T142，并持续ST4(ST4为人为设定，本实施例中设为2min)时间后，则转入状态2。

状态2，当t24≤T242且t14≤T142时，双台水泵的水泵电机以SF1(45Hz)频率运行；直至t24≤T241且t14≤T141，并持续ST4(2min)时间后，则停止其中一台水泵回到策略2.1。

上述T241、T242、T141和T242均由人为设定，其中T241<T242，T141<T142，具体本实施例中T241＝44℃、T242＝46℃、T141＝38℃、T142＝40℃。

策略2.4，在策略2.1～2.3的基础上，当热负荷设备入口压力p22或者内循环流量f23低于规定值时，同时结合智能电机管控模块监测到的运行参数，判断内循环泵组21中水泵是否出现故障。当PLC判定出某台水泵出现故障时，则停止该水泵，并启用其余未工作的水泵进行替换。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变形均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种船舶热管理系统，其特征在于：包括中央冷却器、内循环管路和外循环管路，所述外循环管路一侧连接船外河水，另一侧与中央冷却器相连，外循环管路上串接有外循环泵组(11)；所述内循环管路包括一条主路管道和两条旁路管道，所述主路管道一侧连接热负荷设备，另一侧连接中央冷却器，所述主路管道上串接有内循环泵组(21)，所述旁路管道包括回水旁路和加热旁路，所述回水旁路和加热旁路均与中央冷却器相并联，其中加热旁路内串接有加热装置，加热旁路两端分别通过三通阀与主路管道相连，所述回水旁路设置在中央冷却器与加热旁路之间，回水旁路出口端与主路管道之间连接有温控三通阀(27)。

2.根据权利要求1所述的船舶热管理系统，其特征在于：所述外循环管路上设有过滤器，所述过滤器设置在外循环管路取水口与外循环泵组(11)之间。

3.根据权利要求1所述的船舶热管理系统，其特征在于：所述外循环泵组(11)和内循环泵组(21)中分别设有三台水泵，每台水泵各自配套有水泵电机，所述水泵电机为变频电机，水泵电机与智能电机管控模块相连并受其监测及控制。

4.根据权利要求3所述的船舶热管理系统，其特征在于：在中央冷却器外循环侧入口处设有外循环压力传感器(12)、外循环流量计(13)和外循环入口温度传感器(14)，在中央冷却器外循环出口处设有外循环出口温度传感器(15)；在热负荷设备入口处设有内循环压力传感器(22)、内循环流量计(23)和内循环入口温度传感器(24)，在热负荷设备出口处设有内循环出口温度传感器(25)和内循环出口压力传感器(26)。

5.根据权利要求4所述的船舶热管理系统，其特征在于：还包括PLC，所述智能电机管控模块以及外循环压力传感器(12)、外循环流量计(13)、外循环入口温度传感器(14)、外循环出口温度传感器(15)、内循环压力传感器(22)、内循环流量计(23)、内循环入口温度传感器(24)、内循环出口温度传感器(25)、内循环出口压力传感器(26)和温控三通阀(27)均与PLC相连并受其控制。

6.一种基于权利要求1～5任一项所述船舶热管理系统的控制方法，其特征在于：所述热管理系统包括加热模式和冷却模式，其中冷却模式下，中央冷却器接入内循环管路，并断开加热装置，所述外循环泵组(11)和内循环泵组(21)同时工作；

外循环侧，所述外循环泵组(11)工作并对水泵电机进行PID自动调节，控制目标为温控三通阀(27)内水温t27＝T27，其中T27为温控三通阀(27)的阀值温度，同时当t27<T27时，温控三通阀(27)开启回水旁路并调节阀门开度大小，直至t27＝T27，当t27>T27时，则温控三通阀(27)保持回水旁路的阀门关闭；

内循环侧，所述内循环泵组(21)工作并对水泵电机进行PID自动调节，控制目标为热负荷设备进出口压差△p＝P1。

7.根据权利要求6所述的船舶热管理系统的控制方法，其特征在于：所述外循环泵组(11)中同时有单台水泵或双台水泵工作，其中单台水泵工作时，当t27>T27并且水泵电机以SF1频率持续运行达到ST1时间后，则启动第二台水泵，两台水泵的水泵电机先以SF1频率运行ST2时间，之后转为PID自动调节；双台水泵工作时，当两台水泵的水泵电机均在SF2频率以下持续运行达到ST2时间后，则停止其中一台水泵。

8.根据权利要求7所述的船舶热管理系统的控制方法，其特征在于：当单位时间内热负荷设备出口温升幅度△t>T2时，则所述外循环泵组(11)中水泵电机提升F1频率运行ST3时间，之后转为PID自动调节。

9.根据权利要求6所述的船舶热管理系统的控制方法，其特征在于：所述内循环泵组(21)中单台水泵工作并对其水泵电机进行PID自动调节；当温控三通阀(27)上回水旁路阀门为开启状态，并且内循环出口压力p26<P26时，则所述水泵电机提升F2频率运行；当温控三通阀(27)上回水旁路阀门为关闭状态，且热负荷设备入口温度t24>T241或中央冷却器外循环侧入口温度t14>T141时，则启动第二台水泵，其中：

状态1，当t24>T242或t14>T142时，则双台水泵的水泵电机以SF3频率运行，直至t24≤T242且t14≤T142，并持续ST4时间后，则转入状态2；

状态2，当t24≤T242且t14≤T142时，双台水泵的水泵电机以SF1频率运行，直至t24≤T241且t14≤T141，并持续ST4时间后，则停止其中一台水泵，另一台水泵的水泵电机重新转为PID自动调节；其中T241<T242，T141<T142。

10.根据权利要求6所述的船舶热管理系统的控制方法，其特征在于：当外循环压力p12或外循环流量f13低于规定值时，判断所述外循环泵组(11)中是否出现水泵故障，当热负荷设备入口压力p22或内循环流量f23低于规定值时，判断所述内循环泵组(21)中是否出现水泵故障，当判别出故障水泵后，启用其余未工作水泵替换故障水泵。

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