CN220809201U - 一种大功率电动船舶智能充电系统 - Google Patents
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Abstract
一种大功率电动船舶智能充电系统，包括智能主控模块、大功率直流电源模块、充电接口模块、通讯模块和智能管理云平台；所述大功率直流电源模块的输入端连接三相交流电源，大功率直流电源模块包括多个并联连接的功率电源模块，各功率电源模块的正极和负极分别汇流到充电接口模块，经充电接口模块连接电池模组；所述智能主控模块与充电接口模块之间通信；所述智能主控模块通过通讯模块与智能管理云平台进行通信连接。本实用新型能够达到动态调整充电的目的，大大提高充电效率，显著提高大功率电动船舶的使用效率和续航能力，尤其是满足大功率电动船舶在特殊应用环境和需求下的充电要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及电动船舶领域，特别是一种大功率电动船舶智能充电系统。
背景技术
面对国际航运业不断提升船舶环保减排标准，以电动船舶为代表的新能源船舶成为最有前景的技术方向之一。发展纯电池动力船舶也为内河水运交通实现“双碳”目标提供了路线图。与传统燃油船相比，电动船舶具有零排放、低噪音、高效节能等优势，在旅游观光、物流运输、港口作业等领域广泛应用。在公共服务领域中，电动执法船为代表的大功率电动船舶成为了电动船舶发展的重要方向之一。
然而，电动执法船由于其特殊应用环境和需求，如需要进行长时间的巡逻和应对突发事件等。对其使用效率和续航能力的要求较高，对电池系统的容量与电池放电能力要求较高。传统的充电方式存在充电效率低的问题，不具备多种适时充电策略，不能满足电动执法船的实际需求。因此，设计和优化大功率电动船舶智能充电系统对提高电动执法船的使用效率和续航能力具有重要的现实意义。
内河电动执法船采用大容量的动力电池，设计容量约为1500~2000 kWh，满足平均航速20 km/h时在静水中巡航能力100~150公里以上的需求，实现为全船电力推进系统与特定用电设备供电。经计算，如果以7~8小时作为设定充电时长，在当前设计总容量下，一次满放到满充的充电过程需要250~300kW的充电功率。因此相对于传统的充电桩，电动执法船需要配套大功率的充电设备。为解决纯电动船舶运营时的电能需求，同时实现一定的经济性运营调度，本申请发明了一种针对大功率电动船舶的智能充电系统。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种充电效率高，安全性高，适用范围广的大功率电动船舶智能充电系统。
本实用新型的技术方案是：一种大功率电动船舶智能充电系统，包括智能主控模块、大功率直流电源模块、充电接口模块、通讯模块和智能管理云平台；所述大功率直流电源模块的输入端连接三相交流电源，大功率直流电源模块包括多个并联连接的功率电源模块，各功率电源模块的正极和负极分别汇流到充电接口模块，经充电接口模块连接电池模组；所述智能主控模块与充电接口模块之间通信连接；所述智能主控模块通过通讯模块与智能管理云平台进行通信。
进一步，所述智能充电系统还包括人机交互模块，所述智能主控模块与人机交互模块之间双向通信连接。
进一步，所述智能充电系统还包括与智能主控模块连接的NFC读写卡模块。
进一步，所述功率电源模块采用两级式结构，包括数字调节芯片以及与数字调节芯片连接的前级PFC电路和后级调节电路。
进一步，所述前级PFC电路采用三相三电平整流器拓扑结构，通过对输入电压的采集、波形还原，运算输出PWM控制MOS的开关占空比，实现前级输出调节，将三相输入交流电转换为直流电。
进一步，所述后级调节电路包括两个串联连接的三相星型LLC变换器，用于对直流电进行宽范围调节，在满载效率大于93%的前提下，能够稳定输出180V~780V的可调直流电。
进一步，所述数字调节芯片采用TI的TMS320F28035。
进一步，所述前级PFC电路的直流输出电压为680V±5%。
进一步，所述智能主控模块通过CAN总线与充电接口模块进行通信连接。
进一步，所述充电接口模块包括充电高压直流供电端、接地端、通讯CAN总线端、连接确认信号端及低压直流供电端；所述充电接口模块的低压直流供电端经直流电源连接智能主控模块，为智能主控模块供电；所述充电接口模块的通讯CAN总线端通过CAN总线连接智能主控模块；所述充电接口模块的充电高压直流供电端连接大功率直流电源模块和电池模组。
本实用新型的有益效果：
1. 通过将智能主控模块、大功率直流电源模块、充电接口模块和电池模组相连接，且大
功率直流电源模块包括多个并联连接的功率电源模块，可通过智能主控模块获取系统输出给电池模组的电能的功率信息，由于各功率电源模块具有各自唯一的地址，智能主控模块可根据功率信息选取相应数量的功率电源模块进行充电工作，未被选中的功率电源模块处于待机状态，从而达到动态调整充电的目的，大大提高充电效率，显著提高大功率电动船舶的使用效率和续航能力，满足大功率电动船舶如执法船在特殊应用环境和需求下的充电要求。
2. 通过与智能管理云平台进行远程通信，以及设置NFC读写卡模块，能够实时监控充电状态和安全认证等功能，从而增强安全保障功能，确保大功率电动船舶在充电过程中的安全性。
3. 通过将功率电源模块设计成两级式结构，能够实现对直流电的宽范围且精准调节，在满载效率大于93%的前提下，能够稳定输出180V~780V的可调直流电。
4. 智能充电系统以其丰富的接口与设计的模块化特性，还可以拓展建设成为光储充一体的新能源智慧充电系统；尤其是大功率直流电源模块的输入，可以直接引入储能机PCS或者光伏组件板的直流输出，减少电能转化的层级，提高电能的利用率。
附图说明
图1是本实用新型实施例的电路结构示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
如图1所示：一种大功率电动船舶智能充电系统，包括智能主控模块、大功率直流电源模块、人机交互模块、充电接口模块、通讯模块、NFC读写卡模块和智能管理云平台；各模块的连接方式为：智能主控模块通过通讯模块与智能管理云平台进行网络通讯；智能主控模块与人机交互模块之间通过CAN总线双向通信；智能主控模块与NFC读写卡模块进行交互连接；大功率直流电源模块的输入端连接三相380V的交流电（工频电），输出端经充电接口模块连接电池模组，智能主控模块与充电接口模块之间通过CAN总线双向通信。
本实施例中，智能主控模块作为控制核心，通过对其外设接口电路的设计实现对各子模块的信息交互和智能控制，用于综合外部指令和系统当前的运行状态来控制整个系统，以及根据大功率电动船舶的电池模组的状态和外部指令调整充电策略以实现优化充电。优选地，智能主控模块以ST的STM32G474VBT6芯片作为主芯片进行控制。具体地，智能主控模块通过CAN总线与充电接口模块连接，用于获取系统输出给电池模组的电能的功率信息，并根据功率信息选取大功率直流电源模块中相应数量的功率电源模块进行充电工作；还用于将充电运行状态信息输出至人机交互模块的显示屏上，以及通过通讯模块输出充电运行状态信息至智能管理云平台。
本实施例中，大功率直流电源模块用于为电池模组提供充电的电能，可以宽范围且精准调整充电电压和电流，是实现各类充电策略的基础。具体地，大功率直流电源模块由10个30KW的功率电源模块并联而成，正极和负极分别汇流到充电接口模块。大功率直流电源模块的最大充电功率为300 KW。每个功率电源模块的实现方式一致，均采用两级式结构，即电能的转化由大功率直流电源模块通过两级式转换实现。前级PFC电路采用三相三电平VIENNA整流器拓扑结构，通过对输入电压的采集、波形还原，运算输出PWM控制MOS的开关占空比，实现前级输出调节，将三相输入交流电转换为直流电；本实施例中设计的前级直流输出电压为680V±5%。后级通过两个三相星型LLC变换器串联实现对直流电的宽范围调节，在满载效率大于93%的前提下，可以稳定输出180V~780V的可调直流电。系统的前级后级均采用数字调节的方式，优选地，使用TI的TMS320F28035作为主芯片进行数字调节。
所述的大功率直流电源模块在设定小功率充电时，首先智能主控模块获取系统输出给电池模组的电能的功率信息，然后智能主控模块通过CAN通讯选取相应数量的功率电源模块进行充电工作，系统内各功率电源模块具有各自唯一的地址，未被选中的功率电源模块处于待机状态。
本实施例中，人机交互模块包括触摸屏，用于显示单台智能充电系统的运行状态与参数设定，用户可以通过操作触摸屏选择不同的充电模式进行充电。额外地，工作人员可以通过触摸屏输入密码进入到维护模式，对高级系统参数进行设置。
本实施例中，充电接口模块用于连接若干个电池模组，并配备防反接和防短路保护功能。充电接口模块兼容国标电动汽车充电接口要求，具有充电高压直流供电线（DC+、DC-）、接地线PE、通讯CAN总线（S+、S-）、连接确认信号线（OC1、OC2）及低压直流供电线（A+、A-）。其中，充电接口模块的低压直流供电线A+和A –端连接12V电源，为智能主控模块供电；充电接口模块的通讯CAN总线S+和S-端分别通过CAN总线的两条信号线CANH和CANL连接智能主控模块的CAN通信接口。大功率直流电源模块的各功率电源模块之间并联，正极和负极分别汇流到充电接口模块的充电高压直流供电线DC+和DC-端，经充电接口模块连接各电池模组，为电池模组提供充电的电能。
本实施例中，通讯模块用于通过有线或无线方式与智能管理云平台进行通讯，实时获取电池模组的状态信息。通讯模块有较强的拓展性，设计包括CAN总线、LAN总线、RS485总线、RS232可转为4G模块或WiFi模块，满足各类通讯需求，可根据实际的运营条件进行配置。优选地，本实施例的通讯模块使用4G模块实现智能主控模块与智能管理云平台之间的数据交互。如果安装在网络建设条件较好的港口，还可以考虑使用WiFi模块，连入岸电网络，再实现数据上传。
本实施例中，NFC读写卡模块是系统操作的认证接口，用于实现工作人员信息验证功能。工作人员只有使用授权的工作卡或手机NFC模块，才能对系统进行解锁，并执行充电操作。NFC读写卡模块与智能主控模块进行交互连接，能够将工作人员用卡进行读写操作后的信息反馈给智能主控模块。
本实施例中，智能管理云平台是所有智能充电系统汇总的平台，用于信息汇总和集中控制接入系统，生成运营信息记录以辅助后续充电和控制策略的制定。该智能管理云平台可以通过网络远程实现系统的监测和控制。
本实施例中，智能主控模块、大功率直流电源模块、NFC读写卡模块、通讯模块可集成在一块电路板上，通过线缆连接外部的充电接口模块，经充电接口模块连接多个电池模组。
本实施例的智能充电系统的工作原理为：工作人员使用授权的工作卡或手机NFC模块朝向NFC读写卡模块的感应端进行刷卡或扫描，系统解锁，执行充电操作；通过大功率直流电源模块将输入的交流电转换为直流电，智能主控模块通过连接充电接口模块获取系统输出给电池模组的电能的功率信息，根据功率信息选取相应数量的功率电源模块进行充电工作，系统内各功率电源模块具有各自唯一的地址，未被选中的功率电源模块处于待机状态；例如，当计算所得的充电功率为200KW时，如果考虑接入功率电源模块的功率大小，可以选择使用7个功率电源模块接入，但是，考虑系统最高转换效率点（经验值在25KW左右），最优的接入系统的功率电源模块个数为8。当接入系统的功率电源模块数量确定后，实际使用哪8个电源模块，由系统查询功率电源模块的使用记录，将使用时长最少的8个模块选功率电源模块出来，接入系统工作。相应的充电状态信息在触摸屏上显示，并通过通信模块传输至智能管理云平台进行监管。
综上所述，本实用新型一方面通过将智能主控模块、大功率直流电源模块、充电接口模块和电池模组相连接，且大功率直流电源模块包括多个并联连接的功率电源模块，可通过智能主控模块获取系统输出给电池模组的电能的功率信息，由于各功率电源模块具有各自唯一的地址，智能主控模块可根据功率信息选取相应数量的功率电源模块进行充电工作，未被选中的功率电源模块处于待机状态，从而达到动态调整充电的目的，显著提高大功率电动船舶的使用效率和续航能力，满足大功率电动船舶如执法船在特殊应用环境和需求下的充电要求；另一方面，通过与智能管理云平台进行远程通信，以及设置NFC读写卡模块，能够实时监控充电状态和安全认证等功能，从而增强安全保障功能，确保大功率电动船舶在充电过程中的安全性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种大功率电动船舶智能充电系统，其特征在于，包括智能主控模块、大功率直流电源模块、充电接口模块、通讯模块和智能管理云平台；所述大功率直流电源模块的输入端连接三相交流电源，大功率直流电源模块包括多个并联连接的功率电源模块，各功率电源模块的正极和负极分别汇流到充电接口模块，经充电接口模块连接电池模组；所述智能主控模块与充电接口模块之间通信连接；所述智能主控模块通过通讯模块与智能管理云平台进行通信。
2.根据权利要求1所述的大功率电动船舶智能充电系统，其特征在于，所述智能充电系统还包括人机交互模块，所述智能主控模块与人机交互模块之间双向通信连接。
3.根据权利要求1所述的大功率电动船舶智能充电系统，其特征在于，所述智能充电系统还包括与智能主控模块连接的NFC读写卡模块。
4.根据权利要求1所述的大功率电动船舶智能充电系统，其特征在于，所述功率电源模块采用两级式结构，包括数字调节芯片以及与数字调节芯片连接的前级PFC电路和后级调节电路。
5.根据权利要求4所述的大功率电动船舶智能充电系统，其特征在于，所述前级PFC电路采用三相三电平整流器拓扑结构，通过对输入电压的采集、波形还原，运算输出PWM控制MOS的开关占空比，实现前级输出调节，将三相输入交流电转换为直流电。
6.根据权利要求4所述的大功率电动船舶智能充电系统，其特征在于，所述后级调节电路包括两个串联连接的三相星型LLC变换器，用于对直流电进行宽范围调节，在满载效率大于93%的前提下，能够稳定输出180V~780V的可调直流电。
7.根据权利要求4所述的大功率电动船舶智能充电系统，其特征在于，所述数字调节芯片采用TI的TMS320F28035。
8.根据权利要求5所述的大功率电动船舶智能充电系统，其特征在于，所述前级PFC电路的直流输出电压为680V±5%。
9.根据权利要求1所述的大功率电动船舶智能充电系统，其特征在于，所述智能主控模块通过CAN总线与充电接口模块进行通信连接。
10.根据权利要求9所述的大功率电动船舶智能充电系统，其特征在于，所述充电接口模块包括充电高压直流供电端、接地端、通讯CAN总线端、连接确认信号端及低压直流供电端；所述充电接口模块的低压直流供电端经直流电源连接智能主控模块，为智能主控模块供电；充电接口模块的通讯CAN总线端通过CAN总线连接智能主控模块；所述充电接口模块的充电高压直流供电端连接大功率直流电源模块和电池模组。
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