一种纯电船舶动力系统及控制方法与流程

本发明涉及船舶电力系统，尤其涉及一种纯电船舶动力系统及控制方法。

背景技术：

1、随着船舶行业绿色低碳转型的推进，纯电动船舶成为内河航运新能源化的核心发展方向。传统燃油船舶以柴油机、燃气轮机为主动力源，排放大量大气污染物，不符合节能减排的发展要求。纯电船舶以锂电池为储能单元，通过电力系统驱动推进电机运行，可实现零排放运行，适配内河短途运输、港口作业等场景。

2、当前纯电船舶的电力系统主要存在以下不足：

3、第一，多数纯电船舶采用集装箱式大容量电池组，电池整体体积与重量大，码头换电需依赖大型吊装设备，对换电场地要求高，难以在中小型码头普及推广。而车用动力电池技术已高度成熟，标准化程度高、成本低，但现有船舶电力系统缺乏适配车用标准电池的模块化配电架构。

4、第二，现有纯电船舶直流配电系统普遍采用单组电池对应单台dc/dc变换器的配置方案，为提升续航而增加电池组时，dc/dc变换器的数量也同步增加，大幅提升了硬件成本与配电柜体体积，不利于系统推广。

5、第三，多电池组轮换供电的场景下，若双侧电池组同时执行切换操作，易出现船舶动力短暂中断的风险，影响航行安全性；同时同组电池并联时，若电池间压差过大，会产生大电流互充，损伤电池并带来安全隐患。

6、因此，亟需研发一种适配车用标准电池、降低硬件成本、且供电连续性与安全性更高的纯电船舶动力系统及控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种纯电船舶动力系统及控制方法，旨在解决现有纯电船舶换电场地门槛高、dc/dc变换器配置多成本高、电池切换易出现动力中断的技术问题，实现低成本、高可靠性、高便捷性的纯电船舶电力供给。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种纯电船舶动力系统，包括锂电池组、电池管理系统bms、dc/dc变换器、直流母排、推进逆变器、推进电机、日用逆变器、交流配电单元以及能量管理系统ems；所述锂电池组经dc/dc变换器接入直流母排，直流母排分别连接推进逆变器和日用逆变器的直流输入端，推进逆变器的交流输出端连接推进电机，日用逆变器的交流输出端接入交流配电单元；

3、所述锂电池组为若干个车用标准化电池包，所述电池包两两组成一个电池小组；所述直流母排分为第一直流母排和第二直流母排；

4、第一侧设置至少两个电池小组，所述至少两个电池小组通过第一组切换开关共同接入同一台第一dc/dc变换器的输入端，第一dc/dc变换器的输出端接入第一直流母排；

5、第二侧设置至少两个电池小组，所述至少两个电池小组通过第二组切换开关共同接入同一台第二dc/dc变换器的输入端，第二dc/dc变换器的输出端接入第二直流母排；

6、所述能量管理系统ems分别通信连接各电池管理系统bms、各dc/dc变换器、各切换开关，用于控制各电池小组的投切与dc/dc变换器的启停。

7、进一步，第一侧设置两个电池小组，共4个车用标准化电池包，分别为第一电池小组和第二电池小组；第二侧设置两个电池小组，共4个车用标准化电池包，分别为第三电池小组和第四电池小组；每个电池包均集成独立的电池管理系统bms。

8、进一步，每个电池包的输出端均设置独立的断路器作为切换开关；所述能量管理系统ems通过控制对应断路器的通断实现同侧电池小组的轮换；电池小组切换时，能量管理系统ems先控制对应侧的dc/dc变换器停机，再执行断路器切换操作，切换完成后重启该侧dc/dc变换器。

9、进一步，所述第一直流母排与第二直流母排之间设置直流母联断路器；所述日用逆变器包括第一日用逆变器和第二日用逆变器，第一日用逆变器和第二日用逆变器的输出端分别经第一隔离变压器、第二隔离变压器接入第一交流母排和第二交流母排，第一交流母排与第二交流母排之间设置交流母联断路器；所述直流母联断路器与交流母联断路器均接入能量管理系统ems。

10、进一步，第一侧和第二侧均预留电池小组拓展接口，分别为第一侧电池拓展接口和第二侧电池拓展接口，新增的电池小组通过切换开关接入同侧dc/dc变换器的输入端，与同侧原有电池小组共用同一台dc/dc变换器。

11、第二方面，本发明提供一种纯电船舶动力系统的控制方法，应用于第一方面所述的纯电船舶动力系统，由能量管理系统ems执行控制，包括以下逻辑阶段：

12、s1、系统启动后，两侧各投入一个电池小组，经对应侧的dc/dc变换器稳压后向同侧直流母排持续供电；

13、s2、运行过程中实时采集各电池小组的剩余电量soc，当任意一侧工作电池小组的剩余电量达到预设切换阈值时，触发该侧的电池切换流程；

14、s3、触发切换时，若两侧的工作电池小组均达到切换阈值，则优先切换剩余电量更低的一侧，待该侧切换完成、dc/dc重启并稳定供电后，再执行另一侧的电池切换；切换全过程中，未执行切换的一侧持续保持供电状态。

15、进一步，单侧电池小组切换按如下步骤执行：

16、s31、控制该侧dc/dc变换器停机，断开当前工作电池小组所有电池包的输出断路器；

17、s32、闭合同侧备用电池小组所有电池包的输出断路器；

18、s33、重启该侧dc/dc变换器，待输出电压稳定至额定值后，该侧恢复正常供电。

19、进一步，任一电池小组投入供电前，执行压差并联控制：

20、检测该小组内两个电池包的剩余电量soc差值，若差值在标定阈值以内，优先接入剩余电量更高的电池包单独放电，待直流侧电压与另一电池包电压匹配后，再接入另一电池包，实现两电池包并联供电；

21、若差值超出标定阈值，发出换电提醒信号；若接收到强制投入指令，则仍执行先单电池供电、电压匹配后再并联的控制逻辑。

22、进一步，系统初次上电按如下时序执行：

23、s01、检测各电池包的单体电压、温度、剩余电量、绝缘状态，确认无故障后，执行压差判断与电池接入；

24、s02、接通预充电回路，通过预充电电阻对直流母排进行缓升压，待母排电压升至额定范围后，闭合主供电断路器，dc/dc变换器启动并稳压输出；

25、s03、闭合推进逆变器的进线断路器，推进逆变器完成自检后，根据航行指令驱动推进电机运行；

26、s04、闭合日用逆变器的进线断路器，日用逆变器启动并输出交流电，随后闭合交流配电单元的进线开关，向各日用负载供电。

27、进一步，能量管理系统ems实时采集电池管理系统bms的最大允许放电功率、推进系统需求功率、日用负载实际功率，动态调节dc/dc变换器的输出功率与推进系统的功率限值；

28、当系统出现功率缺口时，优先切除次要日用负载，优先保障推进系统的功率供给，同时触发放电功率不足预警。

29、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

30、1、降低硬件成本：采用同侧多电池小组共用单台dc/dc变换器的拓扑结构，在实现多组电池轮换供电、提升续航能力的同时，大幅减少dc/dc变换器的配置数量，有效降低直流配电系统的硬件成本与柜体体积。

31、2、提升换电便捷性：采用车用标准化电池包作为储能单元，单包体积重量适中，仅需小型机械吊臂即可完成单包更换，无需码头配置大型吊装设备，降低了换电场地门槛，适配各类中小型码头推广应用。

32、3、保障供电连续性：通过双侧错峰切换的控制逻辑，严格禁止双侧同时执行电池切换，全程保证至少一侧动力系统稳定供电，杜绝航行过程中动力中断的风险，提升航行安全性。

33、本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。