CN115864594A - 基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法，包括：在纯电池航行模式下，对每组锂电池进行功率差异化控制，使所有锂电池平均放电；当锂电池组的荷电状态下降至第一预设值时，启动发电机组对船舶系统进行供电；使锂电池组与发电机组按照预设承担功率比值对船舶动力系统的直流母线进行功率输出；使锂电池组在承担预设时间的功率输出后从放电模式切换为充电模式；根据锂电池组的荷电状态选择充电模式。通过锂电池的荷电状态判断当前是否接入发电机组以及根据荷电状态选择充电模式，尽可能地利用锂电池组充放电策略提高发电机组的有功功率，从整体上提高了油电双驱动船舶的续航能力。

Description

基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，具体涉及一种基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法。

背景技术

随着环保需求的不断扩大，船舶能效设计指数（Energy Efficiency DesignIndex，EEDI）第二、三阶段碳排放要求日益严格，混合动力系统凭借其良好的操控性能、较高的动力转化效率、较低的排放费用消耗而备受关注，成为未来的发展方向之一。

船用电池技术尚未足够成熟，例如续航力的问题，考虑到船舶的电池舱容积限度，为提高续航，配置过多电池，则面临投入成本增加的问题，因此目前船舶的纯电续航基本在100公里左右。若要增加航行里程，则需要通过充电来解决，但是锂电池即便是快充也要2-3小时。同时锂电池设备还存在使用寿命、更换等问题。

因此，如何改善混合动力驱动船舶中锂电池充放电控制，以平衡航行续航和锂电池使用寿命之间的关系，成为目前亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法，以解决现有技术中混合动力船舶对于锂电池充放电策略存在续航和使用寿命未达到平衡的问题。

本发明实施例提供了一种基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法，包括：

在纯电池航行模式下，对每组锂电池进行功率差异化控制，使所有锂电池平均放电；

当锂电池组的荷电状态下降至第一预设值时，启动发电机组对船舶系统进行供电；

使锂电池组与发电机组按照预设承担功率比值对船舶动力系统的直流母线进行功率输出；

使锂电池组在承担预设时间的功率输出后从放电模式切换为充电模式；

根据锂电池组的荷电状态选择充电模式。

可选地，还包括：

在混合动力航行模式下，当发电机组的负荷率大于第二预设值时，锂电池组的工作状态为放电模式或充电模式。

可选地，第二预设值设为80%~90%。

可选地，还包括：

若锂电池组的荷电状态不足20%，则使锂电池组从放电模式切换为充电模式。

可选地，根据锂电池组的荷电状态选择充电模式，包括：

当锂电池组的荷电状态处于0~80%之间时，采用恒流充电；

当锂电池组的荷电状态超过80%时，采用恒压充电。

可选地，当锂电池组满足充电条件，且在锂电池组切换为充电模式之前，还包括：

当发电机组的负荷率小于第三预设值时，抬升发电机组的输出功率。

可选地，第三预设值设为70%~80%。

可选地，还包括：

采用差异化功率分配的方式将发电机组增加的输出功率输送至锂电池组进行充电。

可选地，还包括：

将锂电池组通过斩波器连接至直流母线；

获取直流母线端电压、锂电池电压和斩波器端控制施加在锂电池端的趋势电压；

当趋势电压大于锂电池电压时，锂电池组为充电模式；

当趋势电压小于锂电池电压时，锂电池组为放电模式。

可选地，功率差异化控制包括：

对每个锂电池设置下垂曲线控制程序；

若船舶直流组网系统的负载功耗增加，检测到母线电压降低，则根据检测到的当前电压在下垂曲线控制程序映射出的输出功率，控制变频器使锂电池输出的电流增加，直至锂电池输出的功率到达船舶直流组网系统增加的负载功耗，达到工况稳定。

本发明实施例的有益效果：

通过对每组锂电池进行功率差异化控制，使每个锂电池的工况趋于一致，尽量使每个锂电池的使用寿命也趋于一致，避免产生个别锂电池损耗严重，需要单独更换的情况发生。通过锂电池的荷电状态判断当前是否接入发电机组以及根据荷电状态选择充电模式，尽可能地利用锂电池组充放电策略提高发电机组的有功功率，从整体上提高了油电双驱动船舶的续航能力。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例中一种基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法的流程图；

图2示出了本发明实施例中一种基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法的斩波电路；

图3示出了本发明实施例中一种直流电压下垂特性示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法，如图1所示，包括：

步骤S10，在纯电池航行模式下，对每组锂电池进行功率差异化控制，使所有锂电池平均放电。

在本实施例中，为使多个锂电池组、锂电池组中的若干锂电池能够统一充电，对各个锂电池进行放电控制：船舶处于纯电池航行模式下时，多组锂电池共同放电，由于每组锂电池荷电状态SOC可能不尽相同，因此对每组锂电池进行功率差异化控制，最终成功的让多组锂电池SOC逐渐趋于一致后，使锂电池组达到平均放电。在具体实施例中，若船舶处于混合航行模式，可能会出现部分锂电池组处于放电状态，部分锂电池组处于充电状态，或者锂电池组处于充/放电模式切换状态，不同状态下的锂电池不适用功率差异化控制。

步骤S20，当锂电池组的荷电状态下降至第一预设值时，启动发电机组对船舶系统进行供电。

在本实施例中，根据锂电池的荷电状态启动发电机组对船舶动力系统进行供电，船舶切换到混合航行模式。发电机组包括等效发电机组，例如推进电机转为发电机后，可以视为发电设备。在具体实施例中，第一预设值设为50%。在具体实施方式中，第一预设值根据实际需要进行设置。

步骤S30，使锂电池组与发电机组按照预设承担功率比值对船舶动力系统的直流母线进行功率输出。

在本实施例中，在混合航行模式下，设置锂电池组与发电机组承担功率比值，例如设置为1:1，即平均分配，在具体实施例中，通过设置统一的下垂特性曲线实现锂电池组与发电机组的功率平均分配。

步骤S40，使锂电池组在承担预设时间的功率输出后从放电模式切换为充电模式。

在本实施例中，预设时间根据步骤S20中的第一预设值、步骤S30中的预设承担功率比值、船舶负载功耗以及发电机组输出功率进行设置。在具体实施例中，综合工况判断锂电池组的电量在经过一定时间后下降到30%以下，将锂电池组从放电模式切换至充电模式。

步骤S50，根据锂电池组的荷电状态选择充电模式。

在本实施例中，根据锂电池组的荷电状态选择恒压充电或恒流充电模式。

本实施例中的油电双驱动船舶采用直流母线的方式接入电源和负载。

发电机组、锂电池作为电源时其主要作用是向直流母线灌输能量，满足负载的能量需求，由能量守恒定律可知，负载损耗的能量=电源发出的能量，所以当发电机组的负荷率较低时，代表着发电机组有更大的能力来输出能量时，可以将锂电池转为负载，即斩波器将锂电池转为充电模式，将直流母线上的能量流向锂电池，当产生能量缺口时，发电机组整流模块需要对应输出锂电池增加的充电功率，此时发电机组输出功率=锂电池充电功率+日用负载功率，其转化步骤如下：

1.锂电池与发电机组共同放电，锂电池功率+发电机组功率=负载功率。

2.负载功率不变，锂电池输出功率转移至发电机组，此时表现为发电机组功率上升，独自承担负载功率，锂电池功率为0，退出放电。

3.锂电池转为充电模式，视作负载，等效负载功率增加，发电机组进一步提升功率，直至负载与发电组输出功率平衡，此时发电机组输出功率=原负载功率+锂电池充电功率。

通过对每组锂电池进行功率差异化控制，使每个锂电池的工况趋于一致，尽量使每个锂电池的使用寿命也趋于一致，避免产生个别锂电池损耗严重，需要单独更换的情况发生。通过锂电池的荷电状态判断当前是否接入发电机组以及根据荷电状态选择充电模式，尽可能地利用锂电池组充放电策略提高发电机组的有功功率，从整体上提高了油电双驱动船舶的续航能力。

作为可选的实施方式，还包括：

在混合动力航行模式下，当发电机组的负荷率大于第二预设值时，锂电池组的工作状态为放电模式或充电模式。第二预设值设为80%~90%。

在本实施例中，第二预设值设置为85%，即发电机组承担85%的负载功耗时，锂电池组不强制进入充电模式。

作为可选的实施方式，还包括：

若锂电池组的荷电状态不足20%，则使锂电池组从放电模式切换为充电模式。

在本实施例中，锂电池组的荷电状态低于20%时，强制切换为充电模式。

作为可选的实施方式，根据锂电池组的荷电状态选择充电模式，包括：

当锂电池组的荷电状态处于0~80%之间时，采用恒流充电；

当锂电池组的荷电状态超过80%时，采用恒压充电。

在本实施例中，恒流恒压充电方式结合了恒流和恒压两种充电方式的优点，初期充电采用恒流充电，当SOC较高时采用恒压充电，这样克服了恒流充电过充和充电不足的问题，也避免了恒压充电初期电流过高对电池的损伤问题，其中电压和电流的控制通过电池管理系统BMS、主控器与斩波执行机构配合完成。BMS系统向主控器反馈SOC值。

作为可选的实施方式，当锂电池组满足充电条件，且在锂电池组切换为充电模式之前，还包括：

当发电机组的负荷率小于第三预设值时，抬升发电机组的输出功率。第三预设值设为70%~80%。

在本实施例中，当发电机组的负荷率小于80%时，通过上位机控制发电机组抬升输出功率，在锂电池组满足充电条件的前提下，将锂电池组切换为充电模式。

作为可选的实施方式，还包括：

采用差异化功率分配的方式将发电机组增加的输出功率输送至锂电池组进行充电。

在本实施例中，与放电控制类似，对每个锂电池采用差异化功率分配的方式进行充电，使每个锂电池的充电状态趋于一致。

作为可选的实施方式，还包括：

将锂电池组通过斩波器连接至直流母线；

获取直流母线端电压、锂电池电压和斩波器端控制施加在锂电池端的趋势电压；

当趋势电压大于锂电池电压时，锂电池组为充电模式；

当趋势电压小于锂电池电压时，锂电池组为放电模式。

在本实施例中，如图2所示，锂电池正极与母线正极之间通过一个斩波模块连接，锂电池负极与母线负极与斩波器负极相连，U1为母线端电压，U3为电池本身电压电压，斩波器是可以控制施加在锂电池U3端的趋势电压U2。

当被控制的趋势电压U2大于U3时，由于电流趋势是由高电势流入低电势，此时电联表现为从母线通过斩波器流入电池，此为电池充电。

当被控制的趋势电压U2小于U3时，电流由电池通过斩波器流向母线，此为电池放电。

由于直流母线本身为由部分储能功能，微小的波动不具备扰乱负载的能力，而斩波器的U2变化为瞬时改变，因此母线电压始终是有能量交换且处于动态的微小波动，此微小波动不会影响负载端且可作为控制输入，用来反馈母线的能量变化趋势。

作为可选的实施方式，功率差异化控制包括：

对每个锂电池设置下垂曲线控制程序；

若船舶直流组网系统的负载功耗增加，检测到母线电压降低，则根据检测到的当前电压在下垂曲线控制程序映射出的输出功率，控制变频器使锂电池输出的电流增加，直至锂电池输出的功率到达船舶直流组网系统增加的负载功耗，达到工况稳定。

在本实施例中，下垂特性曲线的设定是直流组网功率分配得以实现的关键，通过下垂特性曲线的逻辑设置，使每个锂电池达成如图3所示的输出功率与直流母线电压间的对应关系，借以达到功率分配的目的。

直流组网系统运行中势必涉及到锂电池组增加或减少，锂电池组功率调节等操作，此时除了涉及到系统稳态时常规的功率控制技术与功率分配技术外，还需要使用功率转移技术，即将一组锂电池的的一部分或全部功率转移到其他锂电池组的技术。一台锂电池组收到功率转移命令后，需将自身承担功率转移至另一台柴油机承担，但系统负载未变化，系统总功率应保持不变，系统不应有较大波动，即直流母线电压U1理论上应最终不变。所以采用调节下垂曲线逻辑来实现功率转移。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法，其特征在于，包括：

在纯电池航行模式下，对每组锂电池进行功率差异化控制，使所有锂电池平均放电；

当锂电池组的荷电状态下降至第一预设值时，启动发电机组对船舶系统进行供电；

使锂电池组与所述发电机组按照预设承担功率比值对船舶动力系统的直流母线进行功率输出；

使所述锂电池组在承担预设时间的功率输出后从放电模式切换为充电模式；

根据所述锂电池组的荷电状态选择充电模式。

2.根据权利要求1所述的基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法，其特征在于，还包括：

在混合动力航行模式下，当所述发电机组的负荷率大于第二预设值时，所述锂电池组的工作状态为放电模式或充电模式。

3.根据权利要求2所述的基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法，其特征在于，所述第二预设值设为80％～90％。

4.根据权利要求1所述的基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法，其特征在于，还包括：

若所述锂电池组的荷电状态不足20％，则使所述锂电池组从放电模式切换为充电模式。

5.根据权利要求1所述的基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法，其特征在于，根据所述锂电池组的荷电状态选择充电模式，包括：

当所述锂电池组的荷电状态处于0～80％之间时，采用恒流充电；

当所述锂电池组的荷电状态超过80％时，采用恒压充电。

6.根据权利要求1所述的基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法，其特征在于，当所述锂电池组满足充电条件，且在所述锂电池组切换为充电模式之前，还包括：

当所述发电机组的负荷率小于第三预设值时，抬升所述发电机组的输出功率。

7.根据权利要求6所述的基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法，其特征在于，所述第三预设值设为70％～80％。

8.根据权利要求6所述的基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法，其特征在于，还包括：

采用差异化功率分配的方式将所述发电机组增加的输出功率输送至所述锂电池组进行充电。

9.根据权利要求1所述的基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法，其特征在于，还包括：

将所述锂电池组通过斩波器连接至所述直流母线；

获取直流母线端电压、锂电池电压和所述斩波器端控制施加在所述锂电池端的趋势电压；

当所述趋势电压大于所述锂电池电压时，所述锂电池组为充电模式；

当所述趋势电压小于所述锂电池电压时，所述锂电池组为放电模式。

10.根据权利要求1所述的基于油电双驱动船舶的锂电池充放电控制方法，其特征在于，所述功率差异化控制包括：

对每个所述锂电池设置下垂曲线控制程序；

若船舶直流组网系统的负载功耗增加，检测到母线电压降低，则根据检测到的当前电压在下垂曲线控制程序映射出的输出功率，控制变频器使锂电池输出的电流增加，直至锂电池输出的功率到达船舶直流组网系统增加的负载功耗，达到工况稳定。

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