一种纯电动拖轮电力推进系统的制作方法

本发明属于但不限于电力推进系统，尤其涉及一种纯电动拖轮电力推进系统。

背景技术：

1、目前的，船舶电力推进系统多采用串联式系统方案，动力源使用柴油机作为主要的能源，动力源机械连接发电机为船舶提供电力供应，船舶推进系统通过电力组网实现动力的机械能输出。另外，还有一些方案，采用储能单元作为电力推进系统的动力源补充。但现有直流组网船舶推进系统技术中，所有串联方式的电力推进系统在柴油机向推进器进行推进动力供给时，始终存在机械能-电能-机械能的能量损失，在长时间运行的情况下无法达到常规内燃动力的燃油经济性。

2、相关技术：传统柴油动力拖轮推进系统

3、传统拖轮通常采用柴油发动机驱动推进系统，通过机械传动实现船舶的推力输出。柴油发动机为推进电机、船载设备及辅助系统提供动力，是目前拖轮和小型船舶的主流推进方式。

4、1）环境污染严重：

5、高排放： 柴油发动机燃烧过程中产生大量的二氧化碳（co2）、氮氧化物（nox）和颗粒物（pm2.5），对大气环境造成污染，不符合日益严格的环保法规要求。

6、油污排放： 传统拖轮的柴油系统和机械传动系统容易出现漏油问题，对水体环境构成威胁。

7、2）噪声污染：

8、高噪声水平： 柴油发动机及其传动系统在运行过程中产生剧烈震动和噪声，尤其在港口或内河航行时，对周围环境和船员的健康产生不利影响。

9、3）能效较低：

10、能源浪费： 传统柴油系统在低负荷工作状态下能效大幅下降，造成能源浪费。

11、功率分配难： 单一动力系统难以实现灵活的功率分配，无法根据实际需求调整动力输出，导致运行效率低下。

12、4）维护成本高：

13、机械传动复杂： 柴油发动机的机械系统复杂，磨损率高，长期运行后需频繁维护或更换零部件。

14、燃料成本高： 随着全球能源价格波动，柴油燃料成本不断增加，导致运营费用上涨。

15、5）适应性差：

16、动力冗余低： 单一的柴油推进系统在关键设备出现故障时，难以提供冗余动力支持，可能导致推进系统停机，影响航行安全。

17、对电气化设备支持不足： 难以满足现代船舶对智能化、电气化设备的需求，如能量管理系统、远程监控系统等。

18、传统柴油动力拖轮虽然技术成熟，但在环保、能效、噪声及维护成本方面均存在明显劣势，难以适应当前绿色航运的发展需求。通过引入本发明的纯电动拖轮电力推进系统，能够有效解决这些问题，显著提升拖轮的性能和环保性，为未来的绿色航运发展提供了可行方案。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种纯电动拖轮电力推进系统。

2、本发明是这样实现的，一种纯电动拖轮电力推进系统，由锂电池系统、直流配电系统、推进电机、隔离变压器、交流配电板、能量管理系统、推进控制系统等几部分组成。由锂电池电源系统供电，由直流配电系统分配电能，由电机功率单元驱动推进电机，由逆变电源单元转换成3ac380v电向全船日用负荷供电。

3、电源系统具体包括：

4、1)全船电力均由锂电池电源系统供电。

5、2)配备锂电池管理系统(bms)，具备自动均衡功能，可监测单体电池的电压、温度等，具有过放、过压、低压、过流、过载、短路等报警保护功能。

6、3)配置锂电池容量约6880kwh，分左右两舷布置，每舷8簇。

7、4)岸电整流后接到直流母线,通过dc/dc变换器为锂电池充电,满足3小时充满的要求

8、5)按照标准电池包设计，电池包前面板上集成了货架安装接口、吊装接口、压阀、通讯接口、正负输出接口。每个货架通过舱室顶部风冷装置对各模块进行并行风冷。

9、电池包采用标准化设计,尺寸完全一致,具有极高互换性。模块重量满足规范要求。共设置16簇电池，每簇电池40个标准电池包。

10、6)dc/dc用来控制各簇电池组的充放电。dc/dc柜内设igbt模块，通过控制igbt可以保持直流母线电压稳定在设定值，可控制各簇电池组的放电电流以达到各簇电池组均衡的效果，还可以为电池组进行充电。dc/dc功率满足电池系统1c放电要求。

11、7)锂电池系统寿命为不低于4500个满充满放周期，同时满足总充电量大于2400万kwh时，电池容量不低于额定容量的80%。

12、8)能量管理系统(ems)安装在直流配电板中，用于实现全船的能量管理

13、配电系统具体包括：

14、1)共设置直流配电板2套，左右舷各1套。

15、2)直流配电板是直流电站电力推进系统核心设备，是直流系统的载体，集成了直流配电、直流保护、变频驱动、逆变电源(日用负荷逆变供电)及岸电整流充电和保护等功能。

16、3)配置两台逆变电源，互相独立，不并联使用，单套能满足全船功率需求。逆变电源可自动投入，且可手动选择优先投入顺序。

17、4)直流母线设置智能直流固态母联开关，可在100us内实现系统的快速保护。正常运行情况下，直流配电板母联开关为闭合状态，两边并网供电。单侧母排出现短路故障时，母联开关迅速保护断开，确保无故障侧的供电。

18、5)能量管理系统智能管理全船负荷分配，当在锂电池系统故障或电池电量低的时候，可自动限功率运行，可实现日用负荷的分级卸载。

19、6)逆变电源具有直流母线欠压、输出短路、过载、过流、三相输出不平衡等保护功能,保证其自身安全可靠。

20、7)最大充电功率2x1200kw。设置2台1500kva充电整流变压器，将3ac10kv(或6kv)岸电变压至690v后分别连接至船上左右舷的岸电整流柜。充电功率可设置为多个挡位，可按照不同的充电功率进行充电。

21、推进系统具体包括：

22、1)推进系统采用变频驱动形式。电机逆变单元可根据操纵手柄给出的速度指令对推进电机进行无级调速。推进电机功率为2x1839kw。

23、2)两条推进支路完全独立，当一套推进支路发生故障时，余下一套推进支路仍可以正常运行。

24、3)推进系统具有功率限制功能，根据电网上的实时可用功率，快速限制推进功率，保证电网稳定运行。

25、4)交流电失电后，只要应急电源(ups)有电，推进系统依然可以不停机持续运行。

26、5)推进系统还具有短路、过流、过载、电机过热等完善的保护功能，保证推进系统安全可靠运行，

27、推进控制系统具体包括：

28、1)推进控制系统实现推进系统的操控和监测功能。

29、2)操作地点包括驾驶室和本地。

30、3)左右两套推进控制系统相互独立，保证系统的几余性和可靠性。

31、4)具备联合操车功能。

32、5)推进控制系统实时监测推进系统信息，可在显示屏幕上实时显示本发明相关信息，包括电机转速、电机功率、母线电压，各设备温度、报警信息等，具备掉电存储功能，可随时调用历史故障。

33、进一步，动力电池系统具体包括：

34、动力锂电池系统主要负责为船舶推进及日用负荷提供电源。靠码头时使用岸电为动力锂电池系统进行充电。动力电池系统总容量约6880kwh。为了使电池有较好的充放电功率特性，将电池 soc 控制在 20%-100%之间。动力母线电压约为 dc1000v。动力电池满足1c放电。动力电池系统内所有铜排、连接电缆、元器件及电池包冷却都按照1c放电进行设计。共设置16电池,可独立运行或任意并联运行,具有良好的冗余性和安全性。锂电池系统分左右两舷，每舷8簇:分4个舱室布置，每舱4每簇电池由 40个标准电池包串并联组成，每个电池容量约为430kwh。电池系统内的电池包、高压箱及域管理盒均为标准设计，具备互换性和余性。单个电池簇出现故障可立即切除，保证其余电池簇继续工作。电池系统的输出功率设有足够的裕量，最多切除4簇电池后，仍可提供满足全船继续满负荷运行的输出功率。动力电池系统的设计保证在舱室状态正常的情况下，出现电池单体或电池包热失控状态下，不会引起电池系统热失控。

35、每个标准电池包由12个电池电芯串联组成。电池包防护等级不低于ip67。各连接器和连接线选用船用优质品牌，连接器表面电镀防腐层。

36、全船电池系统一共有16个电池簇，每个电池簇由40个电池包串并联组成。电池簇之间通过 dc-dc 变换器并联，dc-dc变换器控制各电池的充放电过程。

37、动力电池组安装在电池货架上。电池货架采用分层设计，货架中每个电池模块安装部位均安装有支撑和导向滑道，可以方便的实现电池包的快速更换。

38、整个系统具有维护通道，便于维护或更换落后模块。货架的设计、制作由供货商完成，型式和材料等经船东认可。货架材料须具备强耐腐蚀、耐盐雾等特性，认可图中提供电池货架强度计算书。

39、每舷动力电池组的电池管理系统包括电池系统管理单元、电池包管理单元和电池簇管理单元等。电池管理系统设备分布式安装在电池包和直流配电板中。

40、电池管理系统具有与推进逆变器和交流配电板的电气接口。

41、电池管理系统具备以下功能:

42、系统上电自检；充电、放电、温度、电流等多重保护；管理整个充放电过程；绝缘电阻监测及预警；电池簇总电压、总电流、温度、单体电池电压、电池包温度等测量；监测电池簇及各单体电池 soc、soh；对单体电池具有均衡及先进的均衡规则策略；电池系统相关运行信息存储记录，人机界面友好；全系统rs485或can总线通讯，发送至监测报警等系统时间小于2秒；高压电的通断管理；供电电源监测和保护。

43、进一步，dc/dc柜具体包括：

44、锂电池系统共分为16簇，每簇约430kwh。每电池输出端通过一个 430kw的dc/dc模块连接至直流母线。共设置8个dc/dc柜，每舷4个。每个dc/dc柜内安装2个dc/dc模块，共16 个 dc/dc 模块。dc/dc 模块用来控制各簇电池组的充放电。dc/dc模块内设igbt模块，通过控制igbt可以保持直流母线电压稳定在设定值，可控制各簇电池组的充放电电流以达到各簇电池组均衡的效果，正常运行期间各簇均衡后功率偏差在 3-5%内。dc/dc 模块还可以为电池组进行充电，可手动接通和切断单个 dc/dc 模块。

45、进一步，直流配电板具体包括：

46、直流配电板根据推进电机、锂电池及船舶电源负载的需求设计，结构设计和实现采用标准船用柜体结构，实现可靠性、安全性、可维护性的最大化。

47、共设置直流配电板2套，左右舷各1套，左右舷直流母线通过直流固态母联开关连接。

48、直流配电板是直流电站电力推进系统核心设备，是直流系统的载体，集成了直流配电、直流保护、智能直流固态母联开关、变频驱动、逆变电源、岸电整流等功能，安全性、可靠性高。

49、直流配电板内功率器件及元器件均为标准模块，具备互换性和冗余性。单个模块故障，剩余模块仍可继续工作，系统可降功率继续运行。

50、直流配电板实现全船锂电池支路及负载支路的配电和保护。

51、直流母线电压为dc1000v，设置智能直流固态母联开关，可在20us内实现系统的快速保护。正常运行情况下，直流母线母联为闭合状态，两舷母线并网供电。单侧母排出现短路故障时，母联开关迅速断开，确保无故障侧的供电。

52、推进逆变器驱动推进电机，实现推进电机的变频调速。

53、逆变电源将直流母线的电压逆变成约660v/50hz的电压，经隔离变压器变换为3ac400v/50hz的电压，为交流配电板供电。

54、岸电整流器将岸电整流成 dc1000v 后接入直流母线，通过dc/dc 模块为锂电池系统充电。

55、直流配电板冷却方式为水冷，减小设备的尺寸和散发到舱室的热量。

56、进一步，推进电机具体包括：

57、共设置推进电机2套，左右舷各1套。

58、推进电机采用船用变频调速永磁推进电机(1839kw/1000rpm)，由直流配电板供电。推进电机能实现变频调速，可在额定转速范围内连续调节，在转速范围内任意转速均能长期运行。各相绕组和轴承上都设置温度传感器，可以连接到机舱监测报警系统。

59、推进电机采用空心轴设计，立式安装在l型舵桨顶部，舵桨轴伸穿过空心轴后在顶部通过法兰与电机的轴进行连接，大大减少舵桨舱的高度。

60、为减小推进电机的体积和散发到空气中的热量，推进电机采用水套冷却。

61、进一步，隔离变压器具体包括：

62、逆变电源输出侧通过隔离变压器连接至交流日用电网。隔离变压器可实现逆变电源和交流母线的电气隔离，从而保证交流日用电网的品质。

63、共设置隔离变压器2套，左右舷各1套。具有三相绕组温度检测、显示和过温报警等功能。

64、进一步，照明变压器将 3ac400v 电源变换成 3ac220v 电源，供220v照明负载使用。共设置照明变压器2套，左右舷各1套。具有三相绕组温度检测、显示和过温报警等功能。共设置交流配电板1套。交流配电板内设 380v 负载开关和 220v负载开关。

65、能量管理系统(ems)安装在直流配电板中，用于实现全船的能量管理。ems不仅具有对电池系统的监视、控制、保护功能，还实现推进变频器、电池系统、大型用电负载的协调运行。同时协调模式和工况的切换，当电池电量不足时为电池充电等。ems根据功率的实时需求为推进系统和其他用电设备提供可靠、稳定及优化配置的电力能源在供电系统出现故障时，ems会采取各种措施，保证对负载的连续供电，确保船舶的安全性。

66、能量管理系统主要功能如下:

67、1)自检功能。

68、2) 工作模式选择。

69、3) 直流配电板监测、控制、保护功能。

70、4)电池簇充放电控制

71、5)电池簇均衡

72、6)功率限制及快速降负荷。

73、7)全船失电后顺序启动。

74、8)机舱监控报警系统接口功能。

75、9)人机界面监测功能。

76、进一步，推进控制系统具体包括：

77、每个推进器配置一套控制系统，分为左、右推进控制系统共2套，系统之间相互独立，保证了一套控制系统的故障不影响另一套控制系统的正常工作，使整个推进系统具有良好的冗余性与可靠性。系统中主要设备有驾驶室推进遥控面板、集控室推进遥控面板、机旁控制箱等，以散件形式安装在相应部位。驾驶室推进遥控面板置于驾驶台，集控室推进控面板置于集控台，面板集成有操作按钮、状态指示灯、仪表、手柄，可实现在驾驶室正常操船(随动模式)和应急操船(非随动模式)等功能，在舵桨舱本地设置机旁控制箱，也可实现应急转舵和调速功能。

78、充电整流变压器进一包括：

79、设置2台1500kva充电整流变压器，将3aci0kv(或6kv)岸电变压至690v后分别连接至船上左右舷的岸电整流柜。充电整流变压器具有三相绕组温度检测、显示和过温报警等功能，具有水检测功能，具有绝缘监测和报警功能。变压器原边电压兼容 10kv和6kv，通过修改内部的铜排连接转换。

80、进一步，中压开关柜具体包括：

81、中压开关柜为空气绝缘、金属封闭、金属铠装、通过船级社型式认可试验的中压开关设备。中压开关柜的技术性能和技术参数满足ccs船级社要求

82、中压开关柜采用标准设计，背面采用钢板封闭，靠壁安装，板前维修。

83、中压断路器安装于中压开关柜内。中压断路器容量和分断能力满足系统要求。具有带负荷分断能力，短路保护等功能。

84、电缆连接隔室位于配电屏的下部。为输出回路的接地保护配备了接地开关。

85、提供避雷器用于瞬间过电压保护。

86、电流互感器安装在电缆连接隔室，用于运行数据的测量。

87、可遥控进行分合闸，同时保留本地分合闸功能。

88、随机提供ccs证书和出厂测试报告。

89、进一步，监测报警系统具体包括：

90、监测报警系统实现对全船重要设备的监测和报警。机舱监测报警系统由控制站、采集箱和延伸报警面板等组成。机舱监测报警系统是全船自动化系统的重要组成部分,该系统的主要功能为向船员传递船舶所有重要设备的运行信息以及故障报警信息，确保船员能对各设备以及船舶进行安全有效的控制。采集箱位于集控台旁。采集柜内设有plc控制系统一套，用于采集所有重要设备的运行以及故障报警信息。监测报警系统控制站用于实时显示、报警、记录，数据可保存5年。显示器可对检测报警系统的所有参数进行集中显示、报警。

91、根据实际需求，设置延伸报警面板，设备报警信息和其他重要的运行信息能够以列表和图形进行显示。系统的报警信息和事件能够以多种方式进行查看,包括:全部记录、报警记录、分组记录等等，操作员可以根据需求选择各种查看方式。

92、监测报警系统具有与其他系统的通讯接口。连接的系统如:推进操控系统(以太网通讯)、能量管理系统(以太网通讯)、舵桨(485接口或硬线)和其他系统。

93、机舱监测报警系统通讯测点采用无限点，开关量及模拟量采集信号点约500个，具体数量根据设计院设计来定。系统需备用10%通道。船上其他设备如火灾报警，舱底水报警,油舱淡水舱液位报警应输入到监测报警。最终测点数量及内容根据最终的《自动化明细表》和船东现场确定。

94、综合监测报警系统是全船自动化系统的重要组成部分，bms、ems、pcs及其他规范要求的监测报警数据(舱底水报警、七氟丙烷报警等)均上传到ams，系统数据可随时由船东导出。该系统的主要功能为向船员传递船舶所有重要设备的运行信息以及故障报警信息，确保船员能对各设备以及船舶进行安全有效的控制。监测报警系统由工作主站(驾控台)、延伸报警面板(配电室、推进设备舱)、网络交换机、通信网关等设备组成。主站、分站的显示和报警完全同步。

95、进一步，远程运维系统具体包括：

96、配置1套远程运维系统，可实现远程客户端对船上主要设备的实时监控，对船舶航行状态、机舱设备状态(包含动力电池、配电板、变压器、变频器、推进电机等)、能效状态、整合船载通信导航等信息同步传输至岸端云服务器，方便岸端管理者管理船舶。船端设备主要包括集成在驾驶室内的工控机、4g网关，通过天线将船上数据发送至云端服务器，客户可通过登录移动app或小程序来访问并查看船舶动力系统的运行状态。岸端云服务系统接收全船信息，船岸数据完全对称，在云服务端提供了航行数据指标分析、船舶运行效率评估、机舱各系统工况分析、设备健康状况评估等智能化解决方案。其中，数据采集、传输、分发、存储、处理采用标准协议，提供完善的数据安全包含机制，同时采用开放式架构，可根据未来的需求和市场变化扩充更多功能。

97、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

98、本发明采用全电动电力推进系统，由锂电池电源系统供电，由直流配电系统分配电能，由电机功率单元驱动推进电机，由逆变电源单元转换成3ac380v电向全船日用负荷供电。

99、本发明动力系统配置高安全级、高能量密度、高放电倍率的动力锂电池系统，保证了拖轮的拖力输出、长续航力和高安全性。

100、本发明动力系统配置大功率水冷直流配电系统，为拖轮提供足够的拖力、航速和良好的机动性、操纵性，并为全船负载提供可靠电源:

101、本发明动力系统配置1839kw紧凑型空心轴水冷永磁推进电机，与l型全回转舵桨一体供货，具有结构紧凑、高效率、方便安装等特点:

102、本发明动力系统配置高压快速充电系统，3小时可将电池电量充满，满足拖轮高频次的作业下的快速补电要求:

103、本发明动力系统配置高可靠性，高智能化的全船能量管理系统和远程运维系统，对供电系统和全船负载进行信息监测、智能控制和保护，并具备全自动化操作功能，提高船舶智能化水平。