WO2019061694A1

WO2019061694A1 - 一种船舶电力系统及其控制方法

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Publication number: WO2019061694A1
Application number: PCT/CN2017/110027
Authority: WO
Inventors: 韩佳
Original assignee: 广船国际有限公司
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-11-08
Publication date: 2019-04-04
Also published as: CN107697258A

Abstract

一种船舶电力系统及其控制方法，该船舶电力系统采用功率管理模块（20）采集发电机组（10）的输出功率，并确定船舶当前运行工况电力推进器（60）所需总功率，在该总功率超出预设值且时长超过预设时间时，使得功率管理模块（20）向电池管理模块（30）发出控制锂电池组（40）放电的控制信号，从而使得锂电池组（40）能够在船舶运行工况所需电力推进器（60）的总功率超出发电机组（10）输出功率时，对电力推进器（60）的用电进行补偿，进而间接的对船舶的电网容量进行补偿。该船舶电力系统及控制方法，能够满足船舶不同运行工况所需电量，具有节省成本和空间占用率的优点，以及能够使船舶运行功率与实际工况相匹配，进一步保证船舶的机械结构不受损害。

Description

一种船舶电力系统及其控制方法

技术领域

本发明实施例涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种船舶电力系统及其控制方法。

背景技术

船舶作为一种水上运输或作业的交通工具，其按不同的使用需求而具有不同的技术性能、装备和结构形式。船舶内部主要包括容纳空间、支撑结构和排水结构，具有利用外在或自带能源的推进系统。其中，船舶的推进系统是其航行或作业的动力来源。

船舶的动力主要有蒸汽、柴油、燃气、以及核动力装置等，现代运输船舶的主要采用柴油机作为其电力推进系统动力源的，而柴油机的功率需要根据电网对电量的最大需求量来计算。但是在不同工况下，所需电量不同，为满足特殊工况下船舶依然正常作业，则需将功率提高至最大需求量，即需要采用大功率的柴油机作为船舶的动力源。这种采用大功率柴油发电机组进行作业的船舶，不仅增加船舶中所使用发电机组及其辅助设备的成本，并且对于正常运行的工况，会使得柴油发电机组长期低负荷运行，造成船舶机械结构的损害。此外，大功率柴油发电机组所需占用的空间相对较大，将不利于船舶运输。

因此，现有的采用大功率柴油发电机组作为动力源的船舶成本较高，装载空间相对较小，且容易对船舶的部分机械结构造成损害，从而不利于船舶在营运市场上的竞争力。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种船舶电力系统及其控制方法，能够解决现有技术中船舶采用大功率发电机组致使其成本提高，不利于市场营运的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种船舶电力系统，包括：发电机组、锂电池组、功率管理模块、电池管理模块、电源转换模块、以及电力推进器；

所述功率管理模块的信号采集端与所述发电机组的功率输出端连接、第一输出端与所述电池管理模块的信号输入端连接、第一输入端与所述电池管理模块的信号输出端连接，用于采集所述发电机组的输出功率，以及通过所述电池管理模块采集所述锂电池组的电量信息，并根据所述船舶的当前工况模式下所述电力推进器的实际使用功率，确定所述船舶当前的全船实用总功率；

所述发电机组的供电端与所述电源转换模块的输入端连接，用于提供电能，并输入所述电源转换模块；

所述电池管理模块的第一控制端与所述锂电池组的控制端连接，用于在接收到所述功率管理模块控制所述锂电池组放电的信号后，控制所述锂电池组向所述电力推进器放电；

所述锂电池组的电信号输出端与所述电源转换模块的输入端连接，用于根据所述电池管理模块的控制，向所述电源转换模块输入电能；

所述电源转换模块的第一输出端与所述电力推进器连接，用于将接收的电能转换为驱动所述电力推进器动作的电能，以使所述电力推动器上电工作。

可选的，所述船舶电力系统还包括：配电板；

所述配电板的输入端与所述发电机组的供电端连接、控制端与所述电池管理模块的控制端连接、以及输出端与所述电源转换模块的输入端连接，用于根据所述电池管理模块向所述功率管理模块发出的充电控制信号，控制所述电源转换模块进行相应的电能转换；

所述电池管理模块的信号采集端与所述锂电池组的电量输出端连接，用于采集所述锂电池组的当前电量；

相应的，所述锂电池组的充电信号输入端与所述电源转换模块的第二输出端连接，用于在所述锂电池组的电量低于预设值时，接收所述发电机组通过所述电源转换模块转换后的充电信号，以进行电量补充。

可选的，所述电源转换模块包括变频器和变压器。

可选的，所述发电机组为柴油发电机组。

可选的，所述锂电池组为多个单个锂电池。

第二方面，本发明实施例还提供了一种船舶电力系统的控制方法，应用于上述船舶电力系统，包括：

实时监测所述船舶发电机组的输出功率、以及所述船舶的当前工况下的电力推进器的使用总功率，以确定所述船舶的当前全船实用总功率；

判断所述船舶的当前全船实用总功率是否超出预设阈值；

若是，则判断所述船舶的当前实用总功率的维持时间是否超过预设时间；

若是，则控制所述船舶的锂电池组向电力推进器放电，以对所述船舶全船的电网用量进行补充。

可选的，所述船舶电力系统的控制方法还包括：

若所述船舶的实用总功率未超出所述预设阈值和/或所述维持时间未超过所述预设时间，则所述船舶采用所述发电机组进行供电。

可选的，所述船舶电力系统的控制方法还包括：

采集所述锂电池组的当前输出总电量，并判断所述总电量是否小于低电量预设值；

若是，则控制所述发电机组向所述锂电池组提供充电电能。

本发明实施例提供的一种船舶电力系统及其控制方法，该船舶电力系统包括发电机组、锂电池组、功率管理模块、电池管理模块、电源转换模块、以及电力推进器，采用功率管理模块采集发电机组的输出功率，并由船舶当前运行工况获得电力推进器所需总功率，以确定船舶的全船实用总功率，并在该总功率超出预设值时，使得电池管理模块控制锂电池组向电力推进器放电，从而实现对船舶的电网容量进行补偿。解决了现有技术中为适应不同工况，需采用大功率的发电机组，使得船舶成本增加的技术问题，相对于采用大功率发电机组的船舶，能够降低船舶的制造成本，以及增加船舶的装载空间，且能够为船舶运行提供合适的功率，从而降低因运行功率过大，对船舶部分机械结构造成损害的技术效果。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种船舶电力系统的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的一种船舶电力系统的结构示意图；

图3是本发明实施例三提供的一种船舶电力系统的控制方法的流程图；

图4是本发明实施例四提供的一种船舶电力系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例提供的船舶电力系统可以适用于需在不同工况下运行的任何船舶的应用场景。图1是本发明实施例一提供的一种船舶电力系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的船舶电力系统包括：发电机组10、功率管理模块20、电池管理模块30、锂电池组40、电源转换模块50、以及电力推进器60。

其中，功率管理模块20的信号采集端与发电机组10的功率输出端连接，功率管理模块20的第一输出端与电池管理模块30的信号输入端连接，功率管理模块20的第一输入端与电池管理模块30的信号输出端连接，用于采集发电机组10的输出功率，以及通过电池管理模块30采集锂电池组40的电量信息，并根据船舶的当前工况模式下电力推进器60的实际使用功率，确定船舶当前的全船实用总功率；发电机组10的供电端与电源转换模块50的输入端连接，用于提供电能，并输入电源转换模块50；电池管理模块30的第一控制端与锂电池组40的控制端连接，用于在接收到功率管理模块20控制锂电池组40放电的信号后，控制锂电池组40电力推进器60放电；锂电池组40的电信号输出端与电源转换模块50的输入端连接，用于根据电池管理模块30的控制，向电源转换模块50输入电能；电源转换模块50的第一输出端与电力推进器60连接，用于将接收的电能转换为驱动电力推进器60动作的电能，以使电力推动器60上电工作。

示例性的，船舶电力推进是指由电动机带动船舶推进器进行船舶推进，其主要特点是将推进动力与电站动力合二为一，以电动机作为船舶推进主机，依靠电力带动推进器，以使得船舶能够进行水上作业和运输。在船舶实际运行过程中，其具有不同的工况，可以分为典型工况(例如自由起航、停车、倒航等)，特殊工况(例如螺旋桨受阻、出水、脱落等)，以及故障工况(例如发电机单相接地故障、三相短路故障等)。而对于不同运行工况，船舶对电网的需求量不同。因而，现有技术通常采用较大功率的发电机组，以满足不同工况下船舶对电网的需求，但是较大功率的发电机组成本较高，占用空间大，且对于典型工况下运行船舶的部分机械结构造成一定的损害。

如图1所示，本发明实施例提供的船舶电力系统，采用的发电机组10能够满足船舶典型工况的运行，从而在船舶运行过程中作为主要的动力源。并通过功率管理模块20实时检测发电机组10的输出功率，以及船舶当前运行工况模式下，电力推进器60的实际使用功率，从而确定船舶当前的全船实用总功率，并在该全船实用总功率大于预设值时，使得电池管理模块30控制锂电池组40向电力推进器60放电，以进行电网容量的补偿。此外，由于在船舶运行过程中，由于运行环境等不确定因素的影响，会致使全船的实用总功率突然升高或降低。因而，在实际运行过程中，全船实用总功率超出预设阈值，且维持一定时间时，即维持的时间超过预设时间时，才会控制锂电池组40放电，从而补偿发电机组10不足以满足船舶当前运行工况的电网容量。并将锂电池组40放出的电量，以及发电机组10输出的电量通过电源转换模块50转换为电力推进器60所需的电信号，以使电力推进器60上电工作，满足船舶当前运行工况模式下全船实用总功率。其中，预设阈值例如可以为发电机组10所能输出的最大功率值，而预设时间可以为5秒。

本发明实施例提供的船舶电力系统以发电机组为主要动力源，采用功率管理模块采集发电机组的输出功率，并由船舶当前运行工况获得电力推进器所需总功率，以确定船舶的全船实用总功率，并在该总功率超出预设值时，使得电池管理模块控制锂电池组向电力推进器放电，从而实现对船舶的电网容量进行补偿，相对于直接采用大功率发电机组以满足不同运行工况的船舶，具有节省成本，减少发电机组的空间占用率，以及能够使船舶运行功率与实际工况相匹配，进一步保证船舶的机械结构不受损害。

实施例二

本实施例在上述实施例的基础上进行了优化，进一步在上述实施例的基础上为船舶电力系统增加了配电板，以使得发电机组所产生的电量能够进行合理分配。图2是本发明实施例二提供的一种船舶电力系统的结构示意图。如图2所示，本实施例提供的船舶电力系统包括：发电机组10、功率管理模块20、电池管理模块30、锂电池组40、电源转换模块50、电力推进器60、以及配电板70。

其中，配电板70的输入端与发电机组10的供电端连接，配电板70的控制端与电池管理模块20的控制端连接，配电板70的输出端与电源转换模块50的输入端连接，用于根据电池管理模块30向功率管理模块20发出的充电控制信号，控制电源转换模块50进行相应的电能转换；电池管理模块30的信号采集端与锂电池组40的电量输出端连接，用于采集锂电池组40的当前电量，并根据锂电池组40的当前电量控制配电板70向锂电池组40分配充电电能；相应的，锂电池组40的充电信号输入端与电源转换模块50的第二输出端连接，用于在锂电池组40电量的低于预设值时，接收发电机组10通过电源转换模块50转换后的充电信号，以进行电量补充。

示例性的，在船舶上设置配电板的主要作用是能够将发电机组输出的电能向全船供电设备进行分配。如图2所示，船舶电力系统的发电机组10能够满足船舶的正常运行工况。即在正常工况下，发电机组10输出的电能满足电力推进器60所需电能，同时能够为全船的其它供电设备提供电能，船舶中各供电设备所需的电能均采用配电板70进行分配。而在船舶特殊运行工况下，发电机组10输出的功率不再满足船舶所需的总功率，需要采用锂电池组40进行电量补偿。由于锂电池组40存储的电能有限，因而在电量较少时需要对锂电池组40进行充电。

本发明实施例提供的船舶电力系统，通过电池管理模块30实时采集锂电池组40输出的电量，并输入功率管理模块20中，从而在该锂电池组40需要进行充电时，使得功率管理模块20控制配电板70分配发电机组10输出的电能为锂电池组40进行充电。其中，配电板70分配到电能均需通过电源转换模块50进行转换，以满足锂电池组40及电力推进器60的供电需求。

可选的，电源转换模块50包括变频器和变压器。其中，变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成，其通过改变发电机组10输出电能的频率，以满足各供电设备对不同频率电源的需求，从而能够达到节能和调速的目的，另外，变频器具有保护功能，如过流、过压、过载保护等。变压器主要由初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)组成，其能够进行电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压等，其原理为利用电磁感应改变电源的电压，从而满足船舶不同供电设备对电源电压需求。

可选的，发电机组10为柴油发电机组。柴油发电机具有功率大、经济性能好等优点，其采用柴油作为燃料，该燃料具有粘度大、不易蒸发、自燃温度低等优点。因而在船舶上应用柴油发电机为主要动力源，能够降低船舶的运行成本。

可选的，锂电池组40由多个锂电池构成。锂电池的能量比较高，具有高储存能量密度，且具有使用寿命长、额定电压高、高低温适应性强等特点，而被广泛应用。在船舶电力系统中采用锂电池组40进行电网容量的补偿，能够保证船舶不同运行工况下对电量的需求，且其的高循环性能，进一步节省的船舶的运行成本。

本发明实施例通过在船舶电力系统中增加配电板，以使得发电机组所产生的电能能够为锂电池组进行充电，以保证锂电池组在需要电量补偿的工况下能够进行电网容量的补偿，从而降低船舶的整体运行成本。

实施例三

本实施例提供的船舶电力系统的控制方法适用于对本发明实施例提供的船舶电力系统进行控制的情况。图3是本发明实施例三提供的一种船舶电力系统的控制方法的流程图。如图3所示，本发明实施例提供的船舶电力系统的控制方法，包括：

S301、实时监测所述船舶发电机组的输出功率、以及所述船舶的当前工况下的电力推进器的使用总功率，以确定所述船舶的当前全船实用总功率。

示例性的，随着船舶用电负载功率的增加，船舶的发电、配电和用电负载的电能管理至关重要。因而，需要对船舶的发电系统、配电系统和用电负载的电能进行有效管理，以保证船舶具有足够的可用功率。而在船舶实际运行过程中，受运行环境、人为操作、或者船舶工作模式的影响，致使其具有不同的工况，可以分为典型工况(例如自由起航、停车、倒航等)，特殊工况(例如螺旋桨受阻、出水、脱落等)，以及故障工况(例如发电机单相接地故障、三相短路故障等)。而对于不同运行工况，船舶电力推进器的用电量不同，其它用电设备的电量需求几乎无太大变化。因此，需要通过监测船舶当前运行工况下电力推进器的使用总功率，确定船舶的全船的用电量，此外，还需要对船舶的发电机组输出的功率进行实时监测。

S302、判断所述船舶的当前全船实用总功率是否超出预设阈值；若是，则执行S303；可选的，若否，则执行S305；

S303、判断所述船舶的当前实用总功率的维持时间是否超过预设时间；若是，则执行S304；可选的，若否，则执行S305；；

S304、控制所述船舶的锂电池组向电力推进器放电，以对所述船舶全船的电网用量进行补充；

S305、所述船舶采用所述发电机组进行供电。

示例性的，由于船舶不同运行工况电力推进器所需电量不同，进而使得全船实用总功率不同。因此，为满足船舶的正常运行，对船舶的发电机组的输出功率和电力推进器的使用功率进行实时监测，并确定船舶的全船实用总功率后，需要判断该船舶所需的全船实用总功率与其发电机组输出的功率之间是否超出预设阈值，且在该全船实用总功率超出预设值的维持时间大于预设时间时，则可知船舶的发电机组输出的总功率不足以满足船舶当前工况下运行所需的全船实用总功率，因此需要控制锂电池组补偿该功率差值，即锂电池组对发电机组输出的电量进行电网补偿；相反，若没有超出预设阈值和预设时间，则仅采用发电机组进行供电，锂电池组无需进行电网补偿。而在全船实用总功率超出预设阈值，但维持时间未超过预设时间时，可能是由于船舶的当前运行环境中不确定因素引起的全船实用总功率的突然升高，而非船舶实际运行工况下真正所需的总功率，为避免电量的浪费，在其全船实用总功率超出预设阈值，但维持时间未超过预设时间时，仍然仅采用发电机组为船舶供电。其中预设阈值的设置可以是判断发电机组输出的功率是否小于船舶当前运行工况所需的全船实用总功率，而预设时间可以为5秒。

本发明实施例提供的船舶电力系统的控制方法通过实时监测船舶电力系统中发电机组输出的总功率以及船舶当前工况下电力推进器所需的使用总功率，确定出船舶的当前实用总功率，并在当前实用总功率超出预设值，且维持时间超过预设时间时，确定出当前运行工况下发电机组无法满足船舶各负载的用电量，从而控制锂电池组对电网容量进行实时补偿，从而能够在节省船舶自身成本和运行成本的前提下，保证船舶的正常运行和工作。

实施例四

图4是本发明实施例四提供的一种船舶电力系统的控制方法的流程图。本实施例在上述实施例的基础上进行了优化，在上述实施例的基础上增加了对船舶电力系统中锂电池组电量进行判断的方法，具体为：采集所述锂电池的当前输出总电量，并判断所述总电量是否小于低电量预设值；若是，则控制所述发电机组向所述锂电池组提供充电电能。如图4所示，相应的，本实施例的控制方法包括：

S401、实时监测所述船舶发电机组的输出功率、以及所述船舶的当前工况下的电力推进器的使用总功率，以确定所述船舶的当前全船实用总功率。

S402、判断所述船舶的当前全船实用总功率是否超出预设阈值；若是，则执行S403；若否，则执行S405；

S403、判断所述船舶的当前实用总功率的维持时间是否超过预设时间；若是，则执行S404；若否，则执行S405；

S404、控制所述船舶的锂电池组向电力推进器放电，以对所述船舶全船的电网用量进行补充。

S405、所述船舶采用所述发电机组进行供电。

S406、采集所述锂电池组的当前输出总电量，并判断所述总电量是否小于低电量预设值；若是，则执行S407；

S407、控制所述发电机组向所述锂电池组提供充电电能。

示例性的，对船舶的当前运行工况进行检测，以确定该船舶当前所需的总功率，以及对船舶发电机组输出的功率进行检测，在该发电机组输出的功率不足以满足船舶当前所需的总功率，且该不满足总功率的时间超过一定时间时，控制锂电池组进行相应的电网容量补偿。而锂电池组的电量有限，在进行电量补偿后还需对锂电池组的电量进行补充。以使得再次需要电量补偿时，锂电池组能够提供足够的电量。因而，还需对锂电池输出的电量进行实时检测，并判断该锂电池组输出的电量是否小于预设阈值，该预设阈值例如可以是锂电池的电量小于其总电量的10％，在此仅为示例性的值，具体设置依据实际船舶所需电量的情况，再吃不做限定。当检测出锂电池组的输出总电量小于预设阈值时，则需要对锂电池组进行充电，此时可控制发电机组输出的电能向锂电池组进行充电，以使锂电池组能够保持足够的电量。

本发明实施例通过对锂电池组输出的总电量进行实时采集，并在该锂电池组的电量小于预设阈值时，控制发电机组向锂电池组进行充电，使得锂电池组能够保持足够的电量，从而保证锂电池组能在船舶需要电网容量补偿时，提供足够的电量，进而保证船舶的正常运行和作业。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

一种船舶电力系统，其特征在于，包括：发电机组、锂电池组、功率管理模块、电池管理模块、电源转换模块、以及电力推进器；

所述功率管理模块的信号采集端与所述发电机组的功率输出端连接、第一输出端与所述电池管理模块的信号输入端连接、第一输入端与所述电池管理模块的信号输出端连接，用于采集所述发电机组的输出功率，以及通过所述电池管理模块采集所述锂电池组的电量信息，并根据所述船舶的当前工况模式下所述电力推进器的实际使用功率，确定所述船舶当前的全船实用总功率；

所述发电机组的供电端与所述电源转换模块的输入端连接，用于提供电能，并输入所述电源转换模块；

所述电池管理模块的第一控制端与所述锂电池组的控制端连接，用于在接收到所述功率管理模块控制所述锂电池组放电的信号后，控制所述锂电池组向所述电力推进器放电；

所述锂电池组的电信号输出端与所述电源转换模块的输入端连接，用于根据所述电池管理模块的控制，向所述电源转换模块输入电能；

所述电源转换模块的第一输出端与所述电力推进器连接，用于将接收的电能转换为驱动所述电力推进器动作的电能，以使所述电力推动器上电工作。
根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：配电板；

所述配电板的输入端与所述发电机组的供电端连接、控制端与所述电池管理模块的控制端连接、以及输出端与所述电源转换模块的输入端连接，用于根据所述电池管理模块向所述功率管理模块发出的充电控制信号，控制所述电源转换模块进行相应的电能转换；

所述电池管理模块的信号采集端与所述锂电池组的电量输出端连接，用于采集所述锂电池组的当前电量；

相应的，所述锂电池组的充电信号输入端与所述电源转换模块的第二输出端连接，用于在所述锂电池组的电量低于预设值时，接收所述发电机组通过所述电源转换模块转换后的充电信号，以进行电量补充。
根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电源转换模块包括变频器和变压器。
根据权利要求1～4任一项所述的系统，其特征在于，所述发电机组为柴油发电机组。
根据权利要求1～4任一项所述的系统，其特征在于，所述锂电池组为多个单个锂电池。
一种用于如权利要求1～5任一项所述的船舶电力系统的控制方法，其特征在于，包括：

实时监测所述船舶发电机组的输出功率、以及所述船舶的当前工况下的电力推进器的使用总功率，以确定所述船舶的当前全船实用总功率；

判断所述船舶的当前全船实用总功率是否超出预设阈值；

若是，则判断所述船舶的当前实用总功率的维持时间是否超过预设时间；

若是，则控制所述船舶的锂电池组向电力推进器放电，以对所述船舶全船的电网用量进行补充。
根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括：

若所述船舶的实用总功率未超出所述预设阈值和/或所述维持时间未超过所述预设时间，则所述船舶采用所述发电机组进行供电。
根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括：

采集所述锂电池组的当前输出总电量，并判断所述总电量是否小于低电量预设值；

若是，则控制所述发电机组向所述锂电池组提供充电电能。