CN216146262U - 一种电动船舶大功率充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动船舶大功率充电系统，克服了现有技术的电动船舶急需解决大功率充电的问题，包括电网模块和与其连接的充放电机模块，充放电机模块包括滤波模块和逆变器模块，电网模块包括交流端，电网模块的交流端与滤波模块一端连接，滤波模块另一端与逆变器模块一端连接，逆变器模块另一端与直流电源端连接。本实用新型采用两电平DCAC拓扑结构作为主要电路结构，能够实现高效率、高功率和宽电压范围功率兼容性，在电动船舶领域，双向大功率充电系统有很大的发展前景，可以满足电动船舶快速充电、减少充电等待时间的需求。

Description

一种电动船舶大功率充电系统

技术领域

本实用新型涉及船舶供电技术领域，尤其是涉及一种电动船舶大功率充电系统。

背景技术

随着船舶工业发展，内河流域燃油船舶有望逐步被电动船舶所取代。其中，电动船借由船上的能源电池系统转变成电力驱动动力以协同或取代燃油产生动力，减低对环境的冲击，并减少消耗能源。由于电动船可以大幅降低船舶废气排放，部分甚至可以实现零排放，其应用规模迅速扩大，有望成为未来发展重点。我国电动船舶特别在内河货船、沿江沿海城市渡船/观光船和港口工作船三大领域均存在良好市场机会，已涌现出一批示范项目。其中以内河货船市场最大，电能替代潜力最高。但是，面对电动船舶的发展，也有很多亟需解决的问题，主要体现在：

电动船舶发展亟需解决大功率充电问题：

近年来，得益于相关技术的快速发展，以及电池价格的下降，加上环保要求的提高，电动船舶用大功率动力电池集装箱得到更加广泛的应用。2017年7月25日，在安徽舒城万佛湖国内首艘纯锂电画舫船正式下水，该船长12.8米，宽3.64米，可在内河B、C级航区航行。在电池方面，船只搭载158.5kWh磷酸铁锂电池，最高船速15km/h，续航时间达到7小时。与传统的画舫船相比，此艘画舫船采用纯锂电加双电机驱动船桨，具有振动小、噪音低、零排放、乘坐更加稳定舒适的特点。2018年12月9日，我国第一艘超50米长的全电池推进客船在泰州靖江开工建造。该船采用高性能锂电池作为全船的动力源。船上安装有重达25吨的大容量锂电池组，整船电池容量为2280kWh，相当于50台电动汽车的电池容量。在7节航速下续航力可达120公里。综上可以看出，电动船舶用动力电池的电量已经达到兆瓦级，由于船舶运营的特殊性，靠岸充电时间较短，因此亟需解决电动船舶动力电池大功率充电难题。

现有港口岸电系统无法满足大功率动力电池充电需求：

港口岸电设施功率无法满足大功率动力电池充电需求。现有岸电设备应用水平不能满足船舶靠泊接岸电需求，设备应用标准不统一，岸电多采用固定功率供电模式，且以三相80kW功率居多。另外，由于现在内河流域岸电仅为交流供电系统，无直流充电系统，无法满足大功率船用动力电池充电需求。

岸电设施建设不足。目前内河流域已建岸电设施总量少，因应用条件有限，岸电设施闲置时间较多，除海港码头、游轮码头、散货码头配建岸电设施外，其他码头锚地尚未配套建设岸电设备设施，其中内河流域岸电设施基本处于空白阶段。

内河流域岸电技术难度大，缺少统一规范标准。目前，内河流域岸电应用技术难度高，很多技术难题尚未解决，成功应用的案例很少，缺乏对技术规范和标准制订的必要技术支撑，加之已有的岸电标准实用普适性不足，导致岸电设施建设模式多样，技术要求各异，评价和检测困难，整体应用效果不佳，尚未形成统一的规范标准。

发明内容

本实用新型是为了克服现有技术的电动船舶急需解决大功率充电的问题，提供一种电动船舶大功率充电系统，提升港口岸电供电能力，有力支撑港口岸电在长江流域的进一步推广深化应用，推动电动船舶和面向大功率用电需求的港口智慧能源系统规模化发展。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种电动船舶大功率充电系统，包括电网模块和与其连接的充放电机模块，充放电机模块包括滤波模块和逆变器模块，电网模块包括交流端，电网模块的交流端与滤波模块一端连接，滤波模块另一端与逆变器模块一端连接，逆变器模块另一端与直流电源端连接。

充电系统的需求：充电站单机额定功率≥500kW，可支持MWh级电池箱。支持对电网反向放电；可实现柔性连接；工作电压范围为600V～850VDC，最大转换效率高于98.5％。

由于最大效率要求高于98.5％,，所以摈弃两级拓扑和隔离拓扑；单机的额定容量为500kW，不适合采用模块多电平拓扑；由于工作电压范围最高为850V，采用常规的1200V管子即可满足要求，故可舍弃五电平和三电平；最终综合考虑，采用两电平DCAC拓扑作为本项目充电系统的电路结构。

作为优选，所述滤波模块包括电感Lga、电感Lgb、电感Lgc、电容Cfa、电容Cfb、电容Cfc、电阻Rda、电阻Rdb、电阻Rdc、电感Lfa、电感Lfb和电感Lfc、电网模块的交流端分别与电感Lga一端、电感Lgb一端和电感Lgc一端分别与相连，电感Lga另一端分别与电容Cfa一端和电感Lfa一端相连，电感Lfa另一端与逆变器模块连接，电感Lgb另一端分别与电容Cfb一端和电感Lfb一端相连，电感Lfb另一端与逆变器模块连接，电感Lgc另一端分别与电容Cfc一端和电感Lfc一端相连，电感Lfc另一端与逆变器模块连接，电阻Rda另一端分别与电阻Rdb另一端和电阻Rdc另一端相连。

本实用新型滤波模块采用LCL滤波器，如果采用LC滤波器，则由于网侧电抗未知，可能会在滤波电容上产生谐振，而串入阻尼电阻损耗又比较大，综合考虑采取LCL滤波电路。

作为优选，逆变器模块包括三相桥臂，三相桥臂包括两两一组的六个IGBT，三相桥臂上共有六个开关管。

作为优选，逆变器模块包括若干IGBT和电容Cdc，若干IGBT分别为IGBTa1、IGBTa2、IGBTb1、IGBTb2、IGBTc1和IGBTc2，电感Lga另一端分别与IGBTa1发射极和IGBTa2集电极相连，电感Lgb另一端分别与IGBTb1发射极和IGBTb2集电极相连，电感Lgc另一端分别与IGBTc1发射极和IGBTc2集电极相连，IGBTa1集电极分别与IGBTb1集电极、IGBTc1集电极和电容Cdc正极相连，IGBTa2发射极分别与IGBTb2发射极、IGBTc2发射极和电容Cdc负极相连，电容Cdc两端与直流电源端连接。

作为优选，所述IGBT的型号为FF1400R12IP4，电压等级为1200V。

作为优选，系统还包括散热器，散热器的尺寸大小为320*440，深100，两个IGBT之间的距离为50mm；通过共用母排进行连接到6个直流电容上，入风口处的IGBT的散热翅片短22mm。

这样设计的散热翅片比全散热器温度要均衡，进行翅片更改后，2只IGBT温度分布一致。

因此，本实用新型具有如下有益效果：

1.在电动船舶领域，双向大功率充电系统有很大的发展前景，可以满足电动船舶快速充电、减少充电等待时间的需求；

2.采用两电平DCAC拓扑结构作为主要电路结构，能够实现高效率、高功率和宽电压范围功率兼容性。

附图说明

图1是本实施例的电路图。

图2是本实施例散热器的结构示意图。

图中：1、电网模块 2、充放电机模块 21、滤波模块 22、逆变器模块 3、散热器底板4、入风口散热翅片 5、IGBT散热翅片。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例：

本实施例提供了一种电动船舶大功率充电系统，如图1，包括包括电网模块1和充放电机模块2，充放电机模块2包括滤波模块21和逆变器模块22，电网模块1包括交流端，电网模块1的交流端与滤波模块21一端连接，滤波模块22另一端与逆变器模块22一端连接，逆变器模块22另一端与直流电源端连接。

滤波模块21包括电感Lga、电感Lgb、电感Lgc、电容Cfa、电容Cfb、电容Cfc、电阻Rda、电阻Rdb、电阻Rdc、电感Lfa、电感Lfb和电感Lfc、电网模块(1)的交流端分别与电感Lga一端、电感Lgb一端和电感Lgc一端分别与相连，电感Lga另一端分别与电容Cfa一端和电感Lfa一端相连，电阻Rda另一端分别与电阻Rdb另一端和电阻Rdc另一端相连。

逆变器模块22包括三相桥臂，三相桥臂包括两两一组的六个IGBT，三相桥臂上共有六个开关管。

逆变器模块22包括若干IGBT和电容Cdc，若干IGBT分别为IGBTa1、IGBTa2、IGBTb1、IGBTb2、IGBTc1和IGBTc2，电感Lga另一端分别与IGBTa1发射极和IGBTa2集电极相连，电感Lgb另一端分别与IGBTb1发射极和IGBTb2集电极相连，电感Lgc另一端分别与IGBTc1发射极和IGBTc2集电极相连，IGBTa1集电极分别与IGBTb1集电极、IGBTc1集电极和电容Cdc正极相连，IGBTa2发射极分别与IGBTb2发射极、IGBTc2发射极和电容Cdc负极相连，电容Cdc两端与直流电源端连接。

IGBT的型号为FF1400R12IP4，电压等级为1200V。

各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量不同，定义开关函数Sx(x＝a、b、c)为：

(Sa、Sb、Sc)的全部可能组合共有八个，包括6个非零矢量Ul(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和两个零矢量U0(000)、U7(111)，下面以其中一种开关组合为例分析，假设Sx(x＝a、b、c)＝(100)，此时

可得：UaN＝2Ud/3、UbN＝-Ud/3、UcN＝-Ud/3。

同理可计算出其它各种组合下的空间电压矢量。

如图2所示，系统还包括散热器，散热器的尺寸大小为320*440，深100，两个IGBT之间的距离为50mm；通过共用母排进行连接到6个直流电容上，入风口散热翅片4比IGBT散热翅片5短22mm，入风口散热翅片4和IGBT散热翅片5均设置在散热器底板3上，全散热器温度要均衡，进行翅片更改后，2只IGBT温度分布一致。

本实施例仿真条件如下：

散热器底板：18mm；

左边翅片长度：60mm；

右边翅片长度：82mm；

两块散热器间距：50mm；

IGBT功耗：1100W；

环境温度：45℃；

风速：6m/s。

上述实施例对本实用新型的具体描述，只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述实用新型的内容对本实用新型作出一些非本质的改进和调整均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种电动船舶大功率充电系统，其特征是，包括电网模块(1)和与其连接的充放电机模块(2)，充放电机模块(2)包括滤波模块(21)和逆变器模块(22)，电网模块(1)包括交流端，电网模块(1)的交流端与滤波模块(21)一端连接，滤波模块(21)另一端与逆变器模块(22)一端连接，逆变器模块(22)另一端与直流电源端连接。

2.根据权利要求1所述的一种电动船舶大功率充电系统，其特征是，所述滤波模块(21)包括电感Lga、电感Lgb、电感Lgc、电容Cfa、电容Cfb、电容Cfc、电阻Rda、电阻Rdb、电阻Rdc、电感Lfa、电感Lfb和电感Lfc、电网模块(1)的交流端分别与电感Lga一端、电感Lgb一端和电感Lgc一端分别与相连，电感Lga另一端分别与电容Cfa一端和电感Lfa一端相连，电感Lfa另一端与逆变器模块(22)连接，电感Lgb另一端分别与电容Cfb一端和电感Lfb一端相连，电感Lfb另一端与逆变器模块(22)连接，电感Lgc另一端分别与电容Cfc一端和电感Lfc一端相连，电感Lfc另一端与逆变器模块(22)连接，电阻Rda另一端分别与电阻Rdb另一端和电阻Rdc另一端相连。

3.根据权利要求2所述的一种电动船舶大功率充电系统，其特征是，逆变器模块(22)包括三相桥臂，三相桥臂包括两两一组的六个IGBT，三相桥臂上共有六个开关管。

4.根据权利要求2所述的一种电动船舶大功率充电系统，其特征是，逆变器模块(22)包括若干IGBT和电容Cdc，若干IGBT分别为IGBTa1、IGBTa2、IGBTb1、IGBTb2、IGBTc1和IGBTc2，电感Lga另一端分别与IGBTa1发射极和IGBTa2集电极相连，电感Lgb另一端分别与IGBTb1发射极和IGBTb2集电极相连，电感Lgc另一端分别与IGBTc1发射极和IGBTc2集电极相连，IGBTa1集电极分别与IGBTb1集电极、IGBTc1集电极和电容Cdc正极相连，IGBTa2发射极分别与IGBTb2发射极、IGBTc2发射极和电容Cdc负极相连，电容Cdc两端与直流电源端连接。

5.根据权利要求4所述的一种电动船舶大功率充电系统，其特征是，所述IGBT的型号为FF1400R12IP4，电压等级为1200V。

6.根据权利要求3所述的一种电动船舶大功率充电系统，其特征是，系统还包括散热器，散热器的尺寸大小为320*440，深100，两个IGBT之间的距离为50mm；通过共用母排进行连接到6个直流电容上，入风口处的IGBT的散热翅片短22mm。

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