CN210391534U - 一种用于新能源船舶的锂离子电池-镁空气电池混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了用于新能源船舶的锂离子电池‑镁空气电池混合动力系统，包括并联接入混合动力电池控制单元的锂离子电池组和镁空气电池组，锂离子电池组和镁空气电池组的内部分别设有锂离子电池控制单元和镁空气电池控制单元，其中，锂离子电池组通过混合动力电池控制单元连接第一电力推进单元构成第一供电电路，镁空气电池组通过混合动力电池控制单元连接第二电力推进单元构成第二供电电路，锂离子电池组还外接充电控制单元。这种系统，将锂离子电池和镁空气电池两者的优势充分发挥，锂离子电池保证船舶实际航行工况中的功率需求，镁空气电池可以单独的作为动力电源为驱动电机提供较小的功率需求，在锂离子电池电量不足时及时为其补充电量。

Description

一种用于新能源船舶的锂离子电池-镁空气电池混合动力 系统

技术领域

本实用新型涉及新能源船舶的动力系统，具体涉及一种用于新能源船舶的锂离子电池-镁空气电池混合动力系统。

背景技术

随着全球经济的快速发展，人们对煤炭、石油等传统能源的需求日益剧增，同时带来的环境问题十分严重。国家对寻求节能环保、可持续发展的能源十分关注。因此，合理有效的开发可再生能源关系着国家能源战略发展。针对上述问题，在船舶领域，为达到节能减排、降低污染排放的目标，放弃传统的燃油推进模式，选择一种新能源混合动力推进模式，会成为未来动力发展的新方向。目前，合理的利用锂离子电池和金属空气电池等动力电源组成的混合动力系统技术已成为混合动力船舶的研发热点。

镁空气电池作为金属空气电池中的一种，其本身具有比能量较高、储存寿命长、安全性好、成本较低以及可相对较大功率平稳放电等优点，已成为新能源船舶动力电源的选择之一。镁空气电池是以空气中的氧气作为正极活性物质，以金属镁或镁合金作为负极活性物质，而空气中的氧气可以通过气体扩散电极到达电化学反应界面与金属镁或镁合金反应而放出电能的一种化学电源。

目前，单独的利用镁空气电池作为新能源船舶的动力电源，可以满足船舶行驶过程中的续航需求，但是若要满足船舶启动或加速时的功率需求，还需要加大镁空气电池的尺寸，从而系统运行成本会大大提高。此系统中加入锂离子电池，可以充分发挥锂离子电池输出功率较大且稳定的优势，最终构建一种最佳船用混合动力电池系统。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，而提供用于新能源船舶的锂离子电池-镁空气电池混合动力系统。这种系统，将锂离子电池和镁空气电池两者的优势充分发挥，锂离子电池以输出稳定的功率给驱动电机为目标，保证船舶实际航行工况中的功率需求，镁空气电池可以单独的作为动力电源为驱动电机提供较小的功率需求，也可以辅助锂离子电池电量保持在安全工作范围内，在锂离子电池电量不足时及时为其补充电量。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种用于新能源船舶的锂离子电池-镁空气电池混合动力系统，与现有技术不同的是，包括并联接入混合动力电池控制单元的锂离子电池组和镁空气电池组，所述锂离子电池组和镁空气电池组的内部分别设有锂离子电池控制单元和镁空气电池控制单元，其中，锂离子电池组通过混合动力电池控制单元连接第一电力推进单元构成第一供电电路，镁空气电池组通过混合动力电池控制单元连接第二电力推进单元构成第二供电电路，锂离子电池组还外接充电控制单元。

所述混合动力电池控制单元设有顺序串联设置的第一熔断器、第三自动开关、联络开关、第五熔断器和第二熔断器，在第三自动开关和联络开关之间并联有第一自动开关，在第五熔断器和第二熔断器之间设有第二自动开关，锂离子电池组和充电控制单元并联接入第一自动开关构成锂离子电池组补充电量回路，镁空气电池组与第二自动开关连通，第一熔断器、第二熔断器分别连通第一电力推进单元和第二电力推进单元，其中第一自动开关、第二自动开关分别控制锂离子电池组和镁空气电池组的电量输出。

所述锂离子电池组内设有锂离子电池控制单元，锂离子电池控制单元包括第三熔断器、第一充放电继电器、第一预充电阻、第一预充继电器，其中，第一预充电阻与第一预充继电器串联够成锂离子电池组预充回路与第一充放电继电器并联后再与第三熔断器串联后一端接锂离子电池组输出端另一端与第一自动开关连通。

所述镁空气电池组内部设有镁空气电池控制单元，镁空气电池控制单元包括括第四熔断器、第二充放电继电器、第二预充电阻、第二预充继电器，其中，第二预充电阻与第二预充继电器串联够成镁空气电池组预充回路与第二充放电继电器并联后再与第四熔断器串联后一端接镁空气电池组输出端另一端与第二自动开关连通。

所述第一电力推进单元设有串联的第一推进变频器和第一推进电机，其中，第一推进变频器设有第一推进逆变单元DC/AC。

所述第二电力推进单元设有串联的第二推进变频器和第二推进电机，其中，第二推进变频器设有第二推进逆变单元DC/AC，第二推进逆变单元DC/AC与第一推进逆变单元DC/AC相同。

所述充电控制单元设有充电桩和DC/AC逆变器，充电控制单元将市电AC380V转变为直流电源在锂离子电池组所需的电压范围。

本技术方案中采用双电机推进模式，目的是提高系统冗余性，船舶在实际航行过程中，若其中一台电机出现故障，可以混合动力电池控制系统切换到另一台电机，继续进行工作。

正常工况下，锂离子电池组通过第一自动开关对第一推进电机进行供电，镁空气电池组通过第二自动开关对第二推进电机进行供电，当锂离子电池组或镁空气电池组中的任意一组出现故障时，由联络开关将故障电源一方对应的负载转移到正常动力电源上，而在各支路安装熔断器，作用是当支路电流超过规定值时，通过自身熔断，将电路断开，保护电路安全运行。

其中，当锂离子电池组和镁空气电池组分别对第一推进电机和第二推进电机供电时，将联络开关断开，第一自动开关、第二自动开关闭合，锂离子电池组输出端与锂离子电池控制单元输入端连接，锂离子电池控制单元输出端与第一自动开关输入端连接，第一自动开关输出端与第三自动开关输入端连接，第三自动开关输出端与第一熔断器输入端连接，第一熔断器输出端与第一推进变频器输入端连接，第一推进变频器中的第一推进逆变单元DC/AC将锂离子电池组输出的直流电转变为第一推进电机所需的交流电，构成第一供电电路；而镁空气电池组输出端与镁空气电池控制单元输入端连接，镁空气电池控制单元输出端与第二自动开关输入端连接，第二自动开关输出端与第二熔断器输入端连接，第二熔断器输出端与第二推进变频器输入端连接，第二推进变频器中的第二推进逆变单元DC/AC将镁空气电池组输出的直流电转变为第二推进电机所需的交流电，构成第二供电电路。

若锂离子电池组出现故障无法为第一推进电机供电时，第一自动开关断开，第二自动开关、第三自动开关以及联络开关闭合，由镁空气电池组单独为第一推进电机和第二推进电机供电。

同样的，若镁空气电池组出现故障无法为第二推进电机供电时，自动第二开关断开，第一自动开关、第三自动开关以及联络开关闭合，由锂离子电池组单独为第一推进电机和第二推进电机供电。

若锂离子电池组出现电量不足时，第三自动开关断开，第一自动开关、第二开关以及联络开关闭合，由镁空气电池组为锂离子电池组及时供电，此时，镁空气电池组连接第二自动开关、第五熔断器、联络开关、第一自动开关并与锂离子电池组连通，完成补电工作，若船舶停靠在岸边，则由充电桩对锂离子电池组充电，其中，充电控制单元中的DC/AC逆变器将市电AC380V转变为直流电从充电控制单元的输出端进入到锂离子电池控制单元的输入端，经锂离子电池控制单元中的充电回路输入到锂离子电池组中，完成充电任务。

与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：

（1）提高动力系统的冗余性和可靠性：采取双电机推进模式，并分别设置两条供电电路，这样很大程度上增加系统的冗余性，当其中一条供电电路出现故障时，由另一条供电电路介入并承担故障一方的工作任务，将系统故障率降到最低，从而提高系统的可靠性；

（2）解决新能源船舶动力性能和续航里程的需求：由混合动力电池控制系统根据实际船舶行驶工况，建立不同的控制策略，以达到新能源船舶的动力需求，同时在锂离子电池组电量不足时，可由控制系统支配镁空气电池组为锂离子电池组补充电量，从而提高新能源船舶的续航里程。

这种系统，将锂离子电池和镁空气电池两者的优势充分发挥，锂离子电池以输出稳定的功率给驱动电机为目标，保证船舶实际航行工况中的功率需求，镁空气电池可以单独的作为动力电源为驱动电机提供较小的功率需求，也可以辅助锂离子电池电量保持在安全工作范围内，在锂离子电池电量不足时，及时为其补充电量。

附图说明

图1为实施例结构示意图。

图中，1混合动力电池控制单元 2. 锂离子电池组3. 镁空气电池组 4. 第一电力推进单元 5. 第二电力推进单元 6. 充电控制单元 7. 锂离子电池控制单元 8. 镁空气电池控制单元 9. 第一推进变频器第一推进电机11.第二推进变频器12. 第二推进电机13. 第一熔断器 14. 第二熔断器15. 第三熔断器16. 第四熔断器 17. 第五熔断器18.第一预充电阻19. 第二预充电阻20. 第一充放电继电器21. 第一预充继电器22. 第二充放电继电器23. 第二预充继电器24. 第一自动开关 25. 第二自动开关 26. 第三自动开关27. 联络开关28. 充电桩 29. 第一推进逆变单元DC/AC 30 . 第二推进逆变单元DC/AC31.DC/AC逆变器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的内容作进一步的阐述，但不是对本实用新型的的限定。

参照图1，一种用于新能源船舶的锂离子电池-镁空气电池混合动力系统，包括并联接入混合动力电池控制单元1的锂离子电池组2和镁空气电池组3，所述锂离子电池组2和镁空气电池组3的内部分别设有锂离子电池控制单元7和镁空气电池控制单元8，其中，锂离子电池组2通过混合动力电池控制单元1连接第一电力推进单元4构成第一供电电路，镁空气电池组3通过混合动力电池控制单元1连接第二电力推进单元5构成第二供电电路，锂离子电池组2还外接充电控制单元6。

所述混合动力电池控制单元1设有顺序串联设置的第一熔断器13、第三自动开关26、联络开关27、第五熔断器17和第二熔断器14，在第三自动开关26和联络开关27之间并联有第一自动开关24，在第五熔断器17和第二熔断器14之间设有第二自动开关25，锂离子电池组2和充电控制单元6并联接入第一自动开关24构成锂离子电池组补充电量回路，镁空气电池组3与第二自动开关25连通，第一熔断器13、第二熔断器14分别连通第一电力推进单元4和第二电力推进单元5，其中第一自动开关24、第二自动开关25分别控制锂离子电池组2和镁空气电池组3的电量输出。

所述锂离子电池组2内设有锂离子电池控制单元7，锂离子电池控制单元7包括第三熔断器15、第一充放电继电器20、第一预充电阻18、第一预充继电器21，其中，第一预充电阻18与第一预充继电器21串联够成锂离子电池组预充回路与第一充放电继电器20并联后再与第三熔断器15串联后一端接锂离子电池组输出端另一端与第一自动开关连通。

所述镁空气电池组3内部设有镁空气电池控制单元8，镁空气电池控制单元8包括括第四熔断器16、第二充放电继电器22、第二预充电阻19、第二预充继电器23，其中，第二预充电阻19与第二预充继电器23串联够成镁空气电池组预充回路与第二充放电继电器22并联后再与第四熔断器16串联后一端接镁空气电池组3输出端另一端与第二自动开关25连通。

所述第一电力推进单元4设有串联的第一推进变频器9和第一推进电机10，其中，第一推进变频器9设有第一推进逆变单元DC/AC29。

所述第二电力推进单元5设有串联的第二推进变频器11和第二推进电机12，其中，第二推进变频器11设有第二推进逆变单元DC/AC30，第二推进逆变单元DC/AC30与第一推进逆变单元DC/AC29相同。

所述充电控制单元6设有充电桩28和DC/AC逆变器31，充电控制单元6将市电AC380V转变为直流电源在锂离子电池组所需的电压范围。

本技术方案中采用双电机推进模式，目的是提高系统冗余性，船舶在实际航行过程中，若其中一台电机出现故障，可以混合动力电池控制系统切换到另一台电机，继续进行工作。

正常工况下，锂离子电池组2通过第一自动开关24对第一推进电机10进行供电，镁空气电池组3通过第二自动开关25对第二推进电机12进行供电，当锂离子电池组2或镁空气电池组3中的任意一组出现故障时，由联络开关27将故障电源一方对应的负载转移到正常动力电源上，而在各支路安装熔断器，作用是当支路电流超过规定值时，通过自身熔断，将电路断开，保护电路安全运行。

其中，当锂离子电池组2和镁空气电池组3分别对第一推进电机10和第二推进电机12供电时，将联络开关27断开，第一自动开关24、第二自动开关25闭合，锂离子电池组2输出端与锂离子电池控制单元7输入端连接，锂离子电池控制单元7输出端与第一自动开关24输入端连接，第一自动开关24输出端与第三自动开关26输入端连接，第三自动开关26输出端与第一熔断器13输入端连接，第一熔断器13输出端与第一推进变频器9输入端连接，第一推进变频器9中的第一推进逆变单元DC/AC29将锂离子电池组2输出的直流电转变为第一推进电机10所需的交流电，构成第一供电电路；而镁空气电池组3输出端与镁空气电池控制单元8输入端连接，镁空气电池控制单元8输出端与第二自动开关25输入端连接，第二自动开关25输出端与第二熔断器14输入端连接，第二熔断器14输出端与第二推进变频器11输入端连接，第二推进变频器11中的第二推进逆变单元DC/AC30将镁空气电池组3输出的直流电转变为第二推进电机所需的交流电，构成第二供电电路。

若锂离子电池组2出现故障无法为第一推进电机10供电时，第一自动开关24断开，第二自动开关25、第三自动开关26以及联络开关27闭合，由镁空气电池组3单独为第一推进电机10和第二推进电机12供电。

同样的，若镁空气电池组3出现故障无法为第二推进电机12供电时，自动第二开关25断开，第一自动开关24、第三自动开关26以及联络开关27闭合，由锂离子电池组2单独为第一推进电机10和第二推进电机12供电。

若锂离子电池组2出现电量不足时，第三自动开关26断开，第一自动开关24、第二开关25以及联络开关27闭合，由镁空气电池组3为锂离子电池组2及时供电，此时，镁空气电池组3连接第二自动开关25、第五熔断器17、联络开关27、第一自动开关24并与锂离子电池组2连通，完成补电工作，若船舶停靠在岸边，则由充电桩28对锂离子电池组2充电，其中，充电控制单元6中的DC/AC逆变器将市电AC380V转变为直流电从充电控制单元6的输出端进入到锂离子电池控制单元7的输入端，经锂离子电池控制单元7中的充电回路输入到锂离子电池组2中，完成充电任务。

本例中，自动开关型号为DZ250A，熔断器型号为RS309-MF-150A，充放电继电器型号为EVR250A-24B，预充电阻型号为RX24-100W-50RJ，预充继电器型号为EVR100-112E。

本例中，第一推进变频器9的电压为380V，功率为75KW；第一推进电机10的电压和功率同样选用380V、75KW，第二推进变频器11的电压为380V，功率为15KW；第二推进电机12的电压和功率同样选用380V、15KW。

本例中，将锂离子电池组2分为4簇，每簇192块电芯串联，其中单体电芯标称电压为3.2V，标称容量为175Ah，则锂离子电池组2每簇电压为614.4V，容量为107.52KW，4簇总电量为430.08KW，可供功率为75KW的推进电机行驶近6h。

镁空气电池组3由于输出功率较小，选用功率较小的推进电机，主要负责船舶实际航行过程中功率需求较小的工况下。

Claims (7)

1.一种用于新能源船舶的锂离子电池-镁空气电池混合动力系统，其特征是，包括并联接入混合动力电池控制单元的锂离子电池组和镁空气电池组，所述锂离子电池组和镁空气电池组的内部分别设有锂离子电池控制单元和镁空气电池控制单元，其中，锂离子电池组通过混合动力电池控制单元连接第一电力推进单元构成第一供电电路，镁空气电池组通过混合动力电池控制单元连接第二电力推进单元构成第二供电电路，锂离子电池组还外接充电控制单元。

2.根据权利要求1所述的用于新能源船舶的锂离子电池-镁空气电池混合动力系统，其特征是，所述混合动力电池控制单元设有顺序串联设置的第一熔断器、第三自动开关、联络开关、第五熔断器和第二熔断器，在第三自动开关和联络开关之间并联有第一自动开关，在第五熔断器和第二熔断器之间设有第二自动开关，锂离子电池组和充电控制单元并联接入第一自动开关构成锂离子电池组补充电量回路，镁空气电池组与第二自动开关连通，第一熔断器、第二熔断器分别连通第一电力推进单元和第二电力推进单元。

3.根据权利要求1所述的用于新能源船舶的锂离子电池-镁空气电池混合动力系统，其特征是，所述锂离子电池组内设有锂离子电池控制单元，锂离子电池控制单元包括第三熔断器、第一充放电继电器、第一预充电阻、第一预充继电器，其中，第一预充电阻与第一预充继电器串联够成锂离子电池组预充回路与第一充放电继电器并联后再与第三熔断器串联后一端接锂离子电池组输出端另一端与第一自动开关连通。

4.根据权利要求1所述的用于新能源船舶的锂离子电池-镁空气电池混合动力系统，其特征是，所述镁空气电池组内部设有镁空气电池控制单元，镁空气电池控制单元包括括第四熔断器、第二充放电继电器、第二预充电阻、第二预充继电器，其中，第二预充电阻与第二预充继电器串联够成镁空气电池组预充回路与第二充放电继电器并联后再与第四熔断器串联后一端接镁空气电池组输出端另一端与第二自动开关连通。

5.根据权利要求1所述的用于新能源船舶的锂离子电池-镁空气电池混合动力系统，其特征是，所述第一电力推进单元设有串联的第一推进变频器和第一推进电机，其中，第一推进变频器设有第一推进逆变单元DC/AC。

6.根据权利要求1所述的用于新能源船舶的锂离子电池-镁空气电池混合动力系统，其特征是，所述第二电力推进单元设有串联的第二推进变频器和第二推进电机，其中，第二推进变频器设有第二推进逆变单元DC/AC，第二推进逆变单元DC/AC与第一推进逆变单元DC/AC相同。

7.根据权利要求1所述的用于新能源船舶的锂离子电池-镁空气电池混合动力系统，其特征是，所述充电控制单元设有充电桩和DC/AC逆变器。

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