CN115214387B - 一种船舶纯电池动力系统及其能量管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种船舶纯电池动力系统及其能量管理方法，包括1套固定式锂离子电池组、1套可移动箱式锂离子电池组、1套直流配电板、1套交流配电板、2套推进电机、1套直流充电接口、1套交流岸电接口和1套能量管理系统；直流配电板包括1套直流变换器、2套日用逆变器、2套推进逆变器及若干直流接触器。通过配置一套固定式电池组和一套或多套移动箱式电池组的接入船舶直流电网，固定式电池组配置直流变换器，直流电网配置了直流充电接口和交流岸电接口，并配置了多策略的能量管理系统。具有电量配置灵活，靠港充换电灵活，实现充换电时船舶不会失去电力，减少船舶计划外等待时间，优化的航行策略和能量管理策略提高了船舶的安全和可靠性。

Description

一种船舶纯电池动力系统及其能量管理方法
技术领域
本发明涉及一种电池动力技术，特别涉及一种船舶纯电池动力系统及其能量管理方法。
背景技术
随着国家将对船舶污染物排放进行大力度的控制，以及电池技术的进步和价格的下降，电池动力作为清洁的动力系统的代表被广泛的提出，其满足“零排放”、“低噪音”的同时会进一步降低运行成本，是未来中小型内河船舶的动力首选。
目前纯电池动力船舶主要采用固定式电池组安装于船舶的电池舱内，该种型式限定了船舶的航行自由和配置电池组的电量，当固定式电池组电量处于低位时，船舶需要返港进行充电，充电时间一般在4～6个小时。
移动箱式电池组装船的应用也刚刚起步，主要以20英尺和40英尺集装箱式电池组为主，如果船舶只配置移动式电池组，在换电的时候船舶会有一段时间处于失电状态，且单个集装箱电量较大，电量调度比较困难。
目前针对固定多点航线和靠岸充换电船舶的能量管理方法和策略较少，无法为船员提供可靠安全的航行和能量管理方案并进行实时控制。
发明内容
针对现在纯电池动力船舶应用于固定多点航线和靠岸充换电的场景，只配置固定式电池组的船舶存在电池组电量限制和充电时间过长限制，只配置移动箱式电池组的船舶存在电量调度困难，换电时处于失电状态问题，提出了一种船舶纯电池动力系统及其能量管理方法，通过配置一套固定式电池组和一套或多套移动箱式电池组的接入船舶直流电网，并配置了多策略的能量管理系统，有效解决了电量的限制、充电时长的限制、换电时船舶失电的问题。
本发明的技术方案为：一种船舶纯电池动力系统，包括1套固定式锂离子电池组、1套可移动箱式锂离子电池组、1套直流配电板、1套交流配电板、2套推进电机、1套直流充电接口、1套交流岸电接口和1套能量管理系统；直流配电板包括1套直流变换器、2套日用逆变器、2套推进逆变器及若干直流接触器；
纯电池动力船舶正常航行时，固定式锂离子电池组通过直流变换器将电能传输至直流配电板直流母线，可移动箱式锂离子电池组通过直流接触器直接连接至直流配电板直流母线，直流电能通过推进逆变器将能量传输推进电机和螺旋桨，直流电能通过日用逆变器到交流配电板为交流负载提供三相400VAC电能；
纯电池动力船舶靠岸停泊时，选择直接更换可移动箱式锂离子电池组为直流配电板直流母线供电，或者通过岸边直流充电桩连接直流充电接口为直流配电板直流母线供电，或者通过岸电交流供电桩连接交流岸电接口到交流配电板，再通过日用逆变器为直流配电板直流母线供电。
优选的，所述能量管理系统通过Profibus通讯模块与直流变换器、推进逆变器和日用逆变器通讯进行数据交互；所述能量管理系统通过CAN模块与固定式锂离子电池组BMS、可移动箱式锂离子电池组BMS、岸电直流充电桩进行数据交互；
岸边直流充电桩连接直流岸电接口接入船舶时，所述能量管理系统根据需求控制直流充电桩直接为可移动箱式锂离子电池组进行恒流充电，能量管理系统根据需求控制直流充电桩提供稳定直流电压并控制直流变换器为固定式锂离子电池组进行恒流充电；
交流岸电供电桩连接交流岸电接口接入船舶时，所述能量管理系统根据需求控制日用逆变器直接为可移动箱式锂离子电池组进行恒流充电，能量管理系统根据需求控制日用逆变器提供稳定直流电压并控制直流变换器为固定式锂离子电池组进行恒流充电。
一种船舶纯电池动力系统的能量管理方法，建立所述船舶纯电池动力系统，能量管理系统检测控制供电回路电压到达直流母线电压后，控制闭合对应直流接触器，使供电回路接入直流配电板直流母线。
进一步，所述可移动箱式锂离子电池组更换接入船舶直流配电板母线时，所述能量管理系统控制接入的可移动箱式锂离子电池组对固定式锂离子电池组进行HPPC充放电测试，通过电池等效模型和曲线分析获取接入的可移动箱式锂离子电池组的等效电路模型的关键参数；所述能量管理系统能够根据接入移动箱式锂离子电池组等效模型关键参数和算法，使固定式锂离子电池组经直流变换器放电具备和可移动箱式锂离子电池组相同的放电特性,放电特性为不同SOC和负载电流下的负载电压特性。
进一步，所述能量管理系统根据船舶航行计划、码头停靠计划、充换电计划、经济性因素、当前电池组状态和SOC值、推进功率和交流负载进行推荐并确定最优航行方案和最优能量调度方案。
进一步，所述最优航行方案和能量管理方案的包括：
调度固定式锂离子电池组和移动箱式锂离子电池组在船上的充放电工况、充放电功率和充放电时长；
调度固定式锂离子电池组和移动箱式锂离子电池组在靠岸时的充换电工况、充电功率和充电时长；
调度推进电机的功率；
调度日用负载的功率。
本发明的有益效果在于：本发明船舶纯电池动力系统及其能量管理方法，通过配置一套固定式电池组和一套或多套移动箱式电池组的接入船舶直流电网，固定式电池组配置了直流变换器，直流电网配置了直流充电接口和交流岸电接口，并配置了多策略的能量管理系统；该方案具有电量配置灵活，靠港充换电灵活，实现充换电时船舶不会失去电力，减少船舶计划外等待时间，优化的航行策略和能量管理策略提高了船舶的安全和可靠性。
附图说明
图1为本发明船舶纯电池动力系统示意图；
图2为本发明船舶纯电池动力系统充放电能量流示意图；
图3为本发明HPPC测试曲线示意图；
图4为本发明电池组等效模型示意图；
图5为本发明电池组联合充放电控制功能2示意图；
图6为本发明电池组联合充放电控制功能2控制逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示为本发明船舶纯电池动力系统实施例，船舶纯电池动力系统包括1套500kWh固定式锂离子电池组、1套1500kWh可移动箱式锂离子电池组、1套750VDC直流配电板、1套400VAC交流配电板、2套250kW推进电机、1套500kW直流充电接口、1套500kW交流岸电接口和1套能量管理系统；750VDC直流配电板包括1套500kW直流变换器、2套250kW日用逆变器、2套250kW推进逆变器及若干直流接触器。
直流配电板的直流母线为冗余设计，一用一备，中间通过可控开关连接；可移动箱式锂离子电池组通过直流接触器接入直流配电板的第二直流母线上；固定式锂离子电池组通过直流接触器、直流配电板的直流变换器接入直流配电板的第一直流母线上；直流充电接口通过各自直流接触器接入直流配电板的两个直流母线上；两套推进电机分别通过推进逆变器接入直流配电板的两个直流母线上；交流配电板与直流配电板的两个直流母线分别通过日用逆变器连接，交流岸电接口和交流负载接在400VAC交流配电板上。
纯电池动力船舶正常航行时，固定式锂离子电池组通过直流变换器将电能传输至直流配电板直流母线，可移动箱式锂离子电池组通过直流接触器直接连接至直流配电板直流母线，直流电能通过推进逆变器将能量传输推进电机和螺旋桨，直流电能通过日用逆变器到交流配电板为交流负载提供三相400VAC电能。
纯电池动力船舶靠岸停泊时，可选择直接更换可移动箱式锂离子电池组为直流配电板直流母线供电，或者通过岸边直流充电桩连接直流充电接口为直流配电板直流母线供电，或者通过岸电交流供电桩连接交流岸电接口到交流配电板，再通过日用逆变器为直流配电板直流母线供电。
1、能量管理系统具体实施：
能量管理系统采用冗余可编程控制器作为主控制器，并配置用于和直流变换器、推进逆变器和日用逆变器通讯的Profibus通讯模块，配置用于电池组BMS和直流充电桩通讯的CAN模块，通讯协议J1939，配置用于和全船综合控制系统通讯的网口模块，配置用于和触摸屏通讯的以太网模块。
能量管理系统和直流变换器、推进逆变器和日用逆变器通讯的主要内容：1)控制数据包括：模块启动、模块停止、总线控制模式、充放电模式；2)状态数据包括：模块直流电压、模块输出电压、模块频率、模块功率、模块电流、模块电压、模块温度、模块故障字、模块就绪、模块运行、模块报警、模块故障；
能量管理系统和电池组BMS主要通讯内容包括：电池组总电压、电池组电电流、SOC值、SOH值、单体电池压、电池温度、三级报警代码、综合状态、接触器状态、绝缘值、舱室温度、最大允许充放电功率值等。
能量管理系统和岸电直流充电桩连接过程：物理连接完成、低压辅助上电、充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段、充电结束阶段、结束充电；其中充电阶段中，综合控制系统和岸电直流充电系统实时交互数据，交互数据包括电压输出值、电流输出值、电池温度、电池电压、充电状态、SOC值、绝缘状态等。
触摸屏可以显示所有直流变换器、推进逆变器、日用逆变器、电池组、岸电直流充电桩的状态和报警信息。
2、外供电源充电功能实施
如图2所示，本实施例中，直流充电桩通过直流充电接口接入船舶时，能量管理系统根据需求控制直流充电桩直接为可移动箱式锂离子电池组进行恒流充电，如图2中①所示能量流示意；能量管理系统根据需求控制直流充电桩提供稳定直流电压并控制直流变换器为固定式锂离子电池组进行恒流充电，如图2中②所示能量流示意；
如图2所示船舶纯电池动力系统充放电能量流示意图，交流岸电供电桩连接交流岸电接口接入船舶时，能量管理系统根据需求控制两个日用逆变器直接为可移动箱式锂离子电池组进行恒流充电，如图2中③所示能量流示意；能量管理系统根据需求控制日用逆变器提供稳定直流电压并控制直流变换器为固定式锂离子电池组进行恒流充电，如图2中④所示能量流示意；
3、不间断直流并网方法实施；
能量管理系统通过与电池组BMS进行通讯获得电池组电压，能量管理系统通过CAN通讯控制直流充电桩输出至直流配电板母线的电压，能量管理系统遥控控制直流变换器输出至直流配电板母线的电压，能量管理系统遥控控制日用逆变器工作在整流模式下并控制其输出至直流配电板母线的电压。
当可移动箱式锂离子电池组接入直流配电板母线时，能量管理控制直流变换器或者日用逆变器输出电压和可移动箱式锂离子电池组电压一致，闭合直流接触器使可移动箱式锂离子电池组接入直流电网；
固定式锂离子电池组通过直流变换器接入直流配电板母线时，能量管理控制直流变换器调整电压和直流配电板母线电压一致，实现固定式锂离子电池组接入直流电网；
直流充电桩接入直流配电板母线时，能量管理系统通过CAN通讯调整直流充电桩输出电压并将直流接触器吸合，实现直流充电桩接入直流电网；
交流充电桩经过日用逆变器接入直流配电板母线时，日用逆变器器调整电压和直流配电板母线电压一致，实现交流岸电经可控整流进入直流电网；
4、锂离子电池模型自学习功能和锂离子电池放电特性模拟功能实施；
更换的可移动箱式锂离子电池组接入船舶直流配电板母线时，能量管理系统控制可移动箱式锂离子电池组对固定式锂离子电池组进行HPPC充放电测试，如图3所示过程，t1-t2时间内进行充电，t2-t3时间内搁置，t3-t4时间内进行充电，t4-t5时间内搁置；通过电池等效模型和曲线分析获取可移动箱式锂离子电池组的等效电路模型(如图4)的关键参数欧姆内阻Ro、极化内阻Rp、极化电容Cp、开路电压变化Cb和开路电压Uoc(电池理想电压)。
能量管理系统能够根据移动箱式锂离子电池组等效模型关键参数(Uoc、Cb、Ro、Rp、Cp)和算法:
其中UL为负载电压、τ为极化时间常数(τ＝RpCp)、IL为负载电流、Ip为极化电阻上的电流。
通过上述五个关键参数和上述算法计算得到电池组在不同SOC下和负载电流下的负载电压特性，使固定式锂离子电池组经直流变换器放电具备和可移动箱式锂离子电池组相同的放电特性。放电特性为不同SOC和负载电流下的负载电压特性。
5、最优航行方案和能量管理方案具体实施
能量管理系统根据船舶航行计划、码头停靠计划、充换电计划、经济性因素、当前电池组状态和SOC值、推进功率和交流负载进行推荐并确定最优航行方案和最优能量调度方案，并具有实时更新功能；
通过航行计划确定剩余航次，通过当前位置和下一个码头的位置确定当前航次剩余里程，通过码头停靠时间、码头当前移动箱式锂离子电池组库存、码头直流充电和交流充电桩计划使用情况确定是否进行换电、是否进行充电、充电功率和充电时长，考虑充电和换电的经济性和考虑航速时长和充电时长的经济性，通过前电池组状态和SOC值、推进功率和交流负载估算航速和续航里程。
最终确定最优航行方案和能量管理方案的功能包括如下：
a)调度固定式锂离子电池组和移动箱式锂离子电池组在船上的充放电工况、充放电功率和充放电时长；
b)调度固定式锂离子电池组和移动箱式锂离子电池组在靠岸时的充换电工况、充电功率和充电时长；
c)调度推进电机的功率；
d)调度日用负载的功率；
5)电池组联合充放电控制功能具体实施
全船总负荷＝两套推进电机功率和日用负载；
电池组最大输出功率为根据电池组温度、环境温度和健康状态确定的最大输出功率，由BMS确定该数据并传输给能量管理系统；
具体电池组联合充放电控制功能如下：
功能1：开启锂离子电池放电特性模拟功能，固定式锂离子电池组和移动箱式锂离子电池组同时均分快速响应全船总负荷；
功能2：固定移动箱式锂离子电池组输出功率，如图5所示固定输出功率；当全船总负荷小于该固定输出功率时，剩余的功率为固定式锂离子电池组充电，如图5所示充电区域；当全船总负荷大于该固定输出功率时，多余的功率由固定式锂离子电池组放电，如图5所示放电区域；如图6所示能量管理系统控制算法图，P1 *为固定输出功率，P1为能量管理获取可移动箱式锂离子电池组实时功率，两个功率的差值经过PI控制器调节后作为直流变换器DC/DC电流给定输入i2 *,直流变换器给定电流和实际电流的差值经过PI控制器调节后作为PWM调节器的控制信号，控制直流变换器充放电。
功能3：设定移动箱式锂离子电池组限定输出功率；当全船总负荷小于该限定输出功率时，该功率均由移动箱式锂离子电池组提供；当全船总负荷大于该限定输出功率时，多余的功率由固定式锂离子电池组充电。
功能4：固定移动箱式锂离子电池组充电功率；当全船总负荷加该固定充电功率小于移动箱式锂离子电池组最大放电功率时，能量管理系统对推进变频器输出功率或者非重要日用负载进行限制。
功能5：固定固定式锂离子电池组输出功率；当全船总负荷小于该固定输出功率时，该功率均由固定式锂离子电池组提供；当全船总负荷大于该固定输出功率时，多余的功率由移动箱式锂离子电池组放电。
功能6：设定固定式锂离子电池组限定输出功率；当全船总负荷小于该固定输出功率时，剩余的功率为移动箱式锂离子电池组充电；当全船总负荷大于该固定输出功率时，多余的功率由移动箱式锂离子电池组放电。
功能7：固定固定式锂离子电池组充电功率；当全船总负荷加该固定充电功率大于固定式锂离子电池组最大放电功率时，能量管理系统对推进变频器输出功率或者非重要日用负载进行限制。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种船舶纯电池动力系统的能量管理方法，船舶纯电池动力系统包括1套固定式锂离子电池组、1套可移动箱式锂离子电池组、1套直流配电板、1套交流配电板、2套推进电机、1套直流充电接口、1套交流岸电接口和1套能量管理系统；直流配电板包括1套直流变换器、2套日用逆变器、2套推进逆变器及若干直流接触器；
纯电池动力船舶正常航行时，固定式锂离子电池组通过直流变换器将电能传输至直流配电板直流母线，可移动箱式锂离子电池组通过直流接触器直接连接至直流配电板直流母线，直流电能通过推进逆变器将能量传输推进电机和螺旋桨，直流电能通过日用逆变器到交流配电板为交流负载提供三相400VAC电能；
纯电池动力船舶靠岸停泊时，选择直接更换可移动箱式锂离子电池组为直流配电板直流母线供电，或者通过岸边直流充电桩连接直流充电接口为直流配电板直流母线供电，或者通过岸电交流供电桩连接交流岸电接口到交流配电板，再通过日用逆变器为直流配电板直流母线供电；
所述能量管理系统通过Profibus通讯模块与直流变换器、推进逆变器和日用逆变器通讯进行数据交互；所述能量管理系统通过CAN模块与固定式锂离子电池组BMS、可移动箱式锂离子电池组BMS、岸电直流充电桩进行数据交互；
岸边直流充电桩连接直流岸电接口接入船舶时，所述能量管理系统根据需求控制直流充电桩直接为可移动箱式锂离子电池组进行恒流充电，能量管理系统根据需求控制直流充电桩提供稳定直流电压并控制直流变换器为固定式锂离子电池组进行恒流充电；
交流岸电供电桩连接交流岸电接口接入船舶时，所述能量管理系统根据需求控制日用逆变器直接为可移动箱式锂离子电池组进行恒流充电，能量管理系统根据需求控制日用逆变器提供稳定直流电压并控制直流变换器为固定式锂离子电池组进行恒流充电；
所述能量管理系统检测控制供电回路电压到达直流母线电压后，控制闭合对应直流接触器，使供电回路接入直流配电板直流母线；
其特征在于，所述可移动箱式锂离子电池组更换接入船舶直流配电板母线时，所述能量管理系统控制接入的可移动箱式锂离子电池组对固定式锂离子电池组进行HPPC充放电测试，通过电池等效模型和曲线分析获取接入的可移动箱式锂离子电池组的等效电路模型的关键参数；所述能量管理系统能够根据接入移动箱式锂离子电池组等效模型关键参数和算法，使固定式锂离子电池组经直流变换器放电具备和可移动箱式锂离子电池组相同的放电特性,放电特性为不同SOC和负载电流下的负载电压特性。
2.根据权利要求1所述船舶纯电池动力系统的能量管理方法，其特征在于，所述锂离子电池组联合充放电控制如下：
1)开启锂离子电池放电特性模拟功能，固定式锂离子电池组和移动箱式锂离子电池组同时均分快速响应全船总负荷；
2)固定移动箱式锂离子电池组输出功率：当全船总负荷小于该固定输出功率时，剩余的功率为固定式锂离子电池组充电；当全船总负荷大于该固定输出功率时，多余的功率由固定式锂离子电池组放电；P1 *为固定输出功率，P1为能量管理获取可移动箱式锂离子电池组实时功率，两个功率的差值经过PI控制器调节后作为直流变换器DC/DC电流给定输入i2 *,直流变换器给定电流和实际电流的差值经过PI控制器调节后作为PWM调节器的控制信号，控制直流变换器充放电；
3)设定移动箱式锂离子电池组限定输出功率；当全船总负荷小于该限定输出功率时，该功率均由移动箱式锂离子电池组提供；当全船总负荷大于该限定输出功率时，多余的功率由固定式锂离子电池组充电；
4)固定移动箱式锂离子电池组充电功率；当全船总负荷加该固定充电功率小于移动箱式锂离子电池组最大放电功率时，能量管理系统对推进变频器输出功率或者非重要日用负载进行限制；
5)固定固定式锂离子电池组输出功率；当全船总负荷小于该固定输出功率时，该功率均由固定式锂离子电池组提供；当全船总负荷大于该固定输出功率时，多余的功率由移动箱式锂离子电池组放电；
6)设定固定式锂离子电池组限定输出功率；当全船总负荷小于该固定输出功率时，剩余的功率为移动箱式锂离子电池组充电；当全船总负荷大于该固定输出功率时，多余的功率由移动箱式锂离子电池组放电；
7)固定固定式锂离子电池组充电功率；当全船总负荷加该固定充电功率大于固定式锂离子电池组最大放电功率时，能量管理系统对推进变频器输出功率或者非重要日用负载进行限制。
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