一种船用铝空电池混合动力系统

1.本实用新型涉及清洁可再生能源在船舶动力推进中的应用技术，具体是一种船用铝空电池混合动力系统。


背景技术：

2.传统的船舶主要依靠柴油机推动，对河流、湖泊等水域污染较大，为了保护河流、湖泊等水域的生态环境，发展智能船舶、绿色海洋，混合动力船舶具有重大意义。
3.铝空燃料电池具有能量密度大、安全性高、资源丰富、制造成本低、重量轻、清洁易回收及长期存放不失电等优点，而单独的铝空电池作为船舶动力系统，存在放电时负载特性较软、功率低等问题；单独的锂电池作为船舶动力系统，存在续航里程短，质量重等问题。因此将锂离子电池和铝空电池组合成的混合动力电池系统可以同时满足环保、节能以及可持续发展的要求，广泛用于新能源船舶领域。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是针对现有技术的不足，而提供一种船用铝空电池混合动力系统。这种混合动力系统具有环境友好性，无毒、无污染的优点，采用多种模式的灵活切换、能实现节能减排使得资源得到充分利用、成本低。
5.实现本实用新型目的技术方案是：
[0006] 一种船用铝空电池混合动力系统， 包括锂电池部分和铝空电池部分，其中，
[0007]
所述锂电池部分设有并联的与外接充电设备连接的第一锂电池组和第二锂电池组，第一锂电池组和第二锂电池组分别连接第一dc/dc单元及第一开关、第二dc/dc单元及第二开关，第一dc/dc单元和第二dc/dc单元并联连接直流母线接入第一逆变器和第二逆变器，第一逆变器连接日用负载，第二逆变器通过推进电机与推进器连接；
[0008]
所述铝空电池部分设有铝空电池组及与铝空电池组连接的第三dc/dc单元，第三dc/dc单元设置在第一开关与第二开关之间通过第三开关接入直流母线；
[0009]
铝空电池组产生的电能经过第三dc/dc单元给第一锂电池组或第二锂电池组充电或者接入直流母线，第一锂电池组通过第一dc/dc对直流母线放电、第二锂电池组通过第二dc/dc对直流母线放电；
[0010]
所述铝空电池组、第一dc/dc单元、第二dc/dc单元、第三dc/dc单元、第一锂电池组、第二锂电池组、第一逆变器和第二逆变器均与整船能量管理与控制单元即船体控制终端连接，船体控制终端采集信息，并控制与其连接的各系统，根据各个系统所处状态，及时调整工作模式。
[0011]
所述推进电机与推进器采用一组单推进系统或二组双推进系统。
[0012]
所述铝空电池组中任意一组铝空电池均设有液体循环管路、电堆层、散热器、电解液箱、循环水泵，电解液箱通过循环水泵与电堆层连接，电堆层通过液体循环管路与电解液箱连接，电堆层与散热器连接，电解液通过循环水泵从电解液箱进入电堆层，多余电解液在
重力作用下通过液体循环管路回流到电解液箱；散热器通过风冷对电堆层进行降温、散热。
[0013]
所述第一锂电池组和第二锂电池组均为自带电池管理系统的锂电池组。
[0014]
上述船用铝空电池混合动力系统的工作模式主有以下方式：纯锂电池模式、纯铝空电池模式、第一混合动力模式、第二混合动力模式、增程式模式、混合增程式模式，应急模式和外接充电模式，第一混合动力模式和第二混合动力模式统称为混合动力式，其中，
[0015]
纯锂电池模式为：铝空电池组关闭，第一锂电池组、第二锂电池组分别为日用负载、推进电机供电或第一锂电池组及第二锂电池共同为日用负载、推进电机供电；
[0016]
纯铝空电池模式为：铝空电池组开启，铝空电池组为日用负载和推进电机供电、铝空电池组不给第一锂电池组或者第二锂电池组充电；
[0017]
第一混合动力模式为：铝空电池组、第一锂电池组、第二锂电池组共同为日用负载和推进电机供电、铝空电池组不给第一锂电池组或第二锂电池组充电；
[0018]
第二混合动力模式为：铝空电池组和第一锂电池组或第二锂电池组共同为日用负载和推进电机供电、铝空电池组不给第一锂电池组或者第二锂电池组充电；
[0019]
增程式模式为：铝空电池组为日用负载、推进电机供电，铝空电池组为第一锂电池组或者第二锂电池组充电；
[0020]
混合增程式模式为：铝空电池组和第一锂电池组或第二锂电池组，共同为日用负载和推进电机供电、铝空电池组为第二锂电池组或第一锂电池组充电；
[0021]
应急模式为：第一锂电池组故障或soc低于下限阈值，且第二锂电池组故障或soc低于下限阈值时，使用处于铝空电池内部的备用铝板，铝空电池组为日用负载和推进电机供电；
[0022]
外接充电模式为：通过外接充电设备分别为第一锂电池组或第二锂电池组充电；
[0023]
上述铝空电池组始终工作在相对恒定功率状态。
[0024]
上述的船用铝空电池混合动力系统的控制过程由船体控制终端控制，包括如下过程：
[0025]
基于第一锂电池组、第二锂电池组的soc，若日用负载和推进器的功率需求之和发生变化，比较设定锂电池的实际soc与第一锂电池组、第二锂电池组上限soc和第一锂电池组、第二锂电池组下限soc的大小关系，选择船用铝空电池混合动力系统运行模式：
[0026]
1）若第一锂电池组或第二锂电池组的实际soc高于下限时，日用负载和推进器的功率需求之和小于第一锂电池组、第二锂电池组的功率，则第一开关、第二开关和第三开关处于断开状态，第一dc/dc单元或第二dc/dc单元运行，第三dc/dc单元关闭，第一锂电池组或第二锂电池组为日用负载和推进电机供电，采用纯锂电池模式；
[0027]
2）若第一锂电池组和第二锂电池组的实际soc都高于下限时，日用负载和推进器的功率需求之和大于第一锂电池组或第二锂电池组的功率，则第一开关、第二开关和第三开关处于断开状态，第一dc/dc单元和第二dc/dc单元运行，第三dc/dc单元关闭，第一锂电池组和第二锂电池组为日用负载和推进电机供电，采用纯锂电池模式；
[0028]
3）若第一锂电池组和第二锂电池组的实际soc都低于下限时，日用负载和推进器的功率需求之和小于铝空电池组效率，则第一开关和第二开关处于断开状态，第三开关处于闭合状态，第一dc/dc单元和第二dc/dc单元关闭，第三dc/dc单元运行，铝空电池组为日用负载和推进电机供电，采用纯铝空电池模式；
[0029]
4）若第一锂电池组和第二锂电池组的实际soc都高于下限时，日用负载和推进器的功率需求之和大于若第一锂电池组和第二锂电池组的功率，则第一开关和第二开关处于断开状态，第三开关处于闭合状态，第一dc/dc单元、第二dc/dc单元和第三dc/dc单元均运行，铝空电池组、第一锂电池组和第二锂电池组为日用负载和推进电机供电，采用第一混合动力模式；
[0030]
5）若第一锂电池组和第二锂电池组的实际soc高于下限时，日用负载和推进器的功率需求之和大于第一锂电池组和第二锂电池组的功率，则第一开关和第二开关处于断开状态，第三开关处于闭合状态，第一dc/dc单元或第二dc/dc单元运行，第三dc/dc单元运行，铝空电池组和第一锂电池组或第二锂电池组为日用负载和推进电机供电，采用第二混合动力模式；
[0031]
6）若第一锂电池组和第二锂电池组的实际soc低于下限时，日用负载和推进器的功率需求之和小于铝空电池组，则第一开关、第二开关和第三开关均处于闭合状态，第一dc/dc单元和第二dc/dc单元关闭，第三dc/dc单元运行，铝空电池组为日用负载和推进电机供电，同时为第一锂电池组和第二锂电池组充电，采用增程式模式；
[0032]
7）若第一锂电池组或第二锂电池组的实际soc低于下限时，日用负载和推进器的功率需求之和小于第二锂电池组或第一锂电池组的功率与铝空电池组之和，则第一开关或第二开关处于闭合状态，第三开关处于闭合状态，第二dc/dc单元或第一dc/dc单元运行，第三dc/dc单元运行，铝空电池组和第二锂电池组或者第一锂电池组为日用负载和推进电机供电，铝空电池组为第一锂电池组或者第二锂电池组充电，采用混合增程式模式。
[0033]
所述第一锂电池组、第二锂电池组soc的下限为40%、soc的下限阈值为20%，soc的上限为80%、soc的上限阈值为95%。
[0034]
上述过程中，铝空电池组输出电压经过第三dc/dc单元变压到适宜电压后输出到第一锂电池组、第二锂电池组和母线，第一锂电池组输出电压经过第一dc/dc单元变压到适宜电压后输出到母线，第二锂电池组输出电压经过第二dc/dc单元变压到适宜电压后输出到母线，这样能降低电压对第一锂电池组、第二锂电池组和母线冲击。
[0035]
本技术方案的有益效果：
[0036]
1）采用锂电池做主动力源、铝空电池作为辅助动力源，能提高船舶电力推进系统的续航能力，无需频繁靠岸充电；
[0037]
2）铝空电池工作在相对恒定功率状态，能延长铝空电池使用寿命；
[0038]
3）采用外接充电设备对锂电池充电，靠岸的时候通过充电补充能量；
[0039]
4）船体控制终端在动力系统和日用负载需求变化时，基于锂电池的soc和铝空电池实际情况，能灵活调整运行模式、减低能耗；
[0040]
5）铝空电池和锂电池具有环境友好性，无毒、无污染的优点。
[0041]
这种混合动力系统具有环境友好性，无毒、无污染的优点，采用多种模式的灵活切换、能实现节能减排使得资源得到充分利用、成本低。
附图说明
[0042]
图1为实施例的结构示意图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图和实施例对本实用新型的内容作进一步的阐述，但不是对本实用新型的限定。
[0044]
参照图1，一种船用铝空电池混合动力系统， 包括锂电池部分和铝空电池部分，其中，
[0045]
所述锂电池部分设有并联的与外接充电设备连接的第一锂电池组和第二锂电池组，第一锂电池组和第二锂电池组分别连接第一dc/dc单元及第一开关、第二dc/dc单元及第二开关，第一dc/dc单元和第二dc/dc单元并联连接直流母线接入第一逆变器和第二逆变器，第一逆变器连接日用负载，第二逆变器通过推进电机与推进器连接；
[0046]
所述铝空电池部分设有铝空电池组及与铝空电池组连接的第三dc/dc单元，第三dc/dc单元设置在第一开关与第二开关之间通过第三开关接入直流母线；
[0047]
铝空电池组产生的电能经过第三dc/dc单元给第一锂电池组或第二锂电池组充电或者接入直流母线，第一锂电池组通过第一dc/dc对直流母线放电、第二锂电池组通过第二dc/dc对直流母线放电；
[0048]
所述铝空电池组、第一dc/dc单元、第二dc/dc单元、第三dc/dc单元、第一锂电池组、第二锂电池组、第一逆变器和第二逆变器均与整船能量管理与控制单元即船体控制终端连接，船体控制终端采集信息，并控制与其连接的各系统，根据各个系统所处状态，及时调整工作模式。
[0049]
所述推进电机与推进器采用一组单推进系统或二组双推进系统。
[0050]
所述铝空电池组中任意一组铝空电池均设有液体循环管路、电堆层、散热器、电解液箱、循环水泵，电解液箱通过循环水泵与电堆层连接，电堆层通过液体循环管路与电解液箱连接，电堆层与散热器连接，电解液通过循环水泵从电解液箱进入电堆层，多余电解液在重力作用下通过液体循环管路回流到电解液箱，散热器通过风冷对电堆层进行降温、散热。
[0051]
所述第一锂电池组和第二锂电池组均为自带电池管理系统的锂电池组。
[0052]
上述船用铝空电池混合动力系统的工作模式主有以下方式：纯锂电池模式、纯铝空电池模式、第一混合动力模式、第二混合动力模式、增程式模式、混合增程式模式，应急模式和外接充电模式，第一混合动力模式和第二混合动力模式统称为混合动力式，其中，
[0053]
纯锂电池模式为：铝空电池组关闭，第一锂电池组、第二锂电池组分别为日用负载、推进电机供电或第一锂电池组及第二锂电池共同为日用负载、推进电机供电；
[0054]
纯铝空电池模式为：铝空电池组开启，铝空电池组为日用负载和推进电机供电、铝空电池组不给第一锂电池组或者第二锂电池组充电；
[0055]
第一混合动力模式为：铝空电池组、第一锂电池组、第二锂电池组共同为日用负载和推进电机供电、铝空电池组不给第一锂电池组或第二锂电池组充电；
[0056]
第二混合动力模式为：铝空电池组和第一锂电池组或第二锂电池组共同为日用负载和推进电机供电、铝空电池组不给第一锂电池组或者第二锂电池组充电；
[0057]
增程式模式为：铝空电池组为日用负载、推进电机供电，铝空电池组为第一锂电池组或者第二锂电池组充电；
[0058]
混合增程式模式为：铝空电池组和第一锂电池组或第二锂电池组，共同为日用负载和推进电机供电、铝空电池组为第二锂电池组或第一锂电池组充电；
[0059]
应急模式为：第一锂电池组故障或soc低于下限阈值，且第二锂电池组故障或soc低于下限阈值时，使用处于铝空电池内部的备用铝板，铝空电池组为日用负载和推进电机供电；
[0060]
外接充电模式为：通过外接充电设备分别为第一锂电池组或第二锂电池组充电；
[0061]
上述铝空电池组始终工作在相对恒定功率状态。
[0062]
上述的船用铝空电池混合动力系统的控制过程由船体控制终端控制，包括如下过程：
[0063]
基于第一锂电池组、第二锂电池组的soc，若日用负载和推进器的功率需求之和发生变化，比较设定锂电池的实际soc与第一锂电池组、第二锂电池组上限soc和第一锂电池组、第二锂电池组下限soc的大小关系，选择船用铝空电池混合动力系统运行模式：
[0064]
1）若第一锂电池组或第二锂电池组的实际soc高于下限时，日用负载和推进器的功率需求之和小于第一锂电池组、第二锂电池组的功率，则第一开关、第二开关和第三开关处于断开状态，第一dc/dc单元或第二dc/dc单元运行，第三dc/dc单元关闭，第一锂电池组或第二锂电池组为日用负载和推进电机供电，采用纯锂电池模式；
[0065]
2）若第一锂电池组和第二锂电池组的实际soc都高于下限时，日用负载和推进器的功率需求之和大于第一锂电池组或第二锂电池组的功率，则第一开关、第二开关和第三开关处于断开状态，第一dc/dc单元和第二dc/dc单元运行，第三dc/dc单元关闭，第一锂电池组和第二锂电池组为日用负载和推进电机供电，采用纯锂电池模式；
[0066]
3）若第一锂电池组和第二锂电池组的实际soc都低于下限时，日用负载和推进器的功率需求之和小于铝空电池组效率，则第一开关和第二开关处于断开状态，第三开关处于闭合状态，第一dc/dc单元和第二dc/dc单元关闭，第三dc/dc单元运行，铝空电池组为日用负载和推进电机供电，采用纯铝空电池模式；
[0067]
4）若第一锂电池组和第二锂电池组的实际soc都高于下限时，日用负载和推进器的功率需求之和大于若第一锂电池组和第二锂电池组的功率，则第一开关和第二开关处于断开状态，第三开关处于闭合状态，第一dc/dc单元、第二dc/dc单元和第三dc/dc单元均运行，铝空电池组、第一锂电池组和第二锂电池组为日用负载和推进电机供电，采用第一混合动力模式；
[0068]
5）若第一锂电池组和第二锂电池组的实际soc高于下限时，日用负载和推进器的功率需求之和大于第一锂电池组和第二锂电池组的功率，则第一开关和第二开关处于断开状态，第三开关处于闭合状态，第一dc/dc单元或第二dc/dc单元运行，第三dc/dc单元运行，铝空电池组和第一锂电池组或第二锂电池组为日用负载和推进电机供电，采用第二混合动力模式；
[0069]
6）若第一锂电池组和第二锂电池组的实际soc低于下限时，日用负载和推进器的功率需求之和小于铝空电池组，则第一开关、第二开关和第三开关均处于闭合状态，第一dc/dc单元和第二dc/dc单元关闭，第三dc/dc单元运行，铝空电池组为日用负载和推进电机供电，同时为第一锂电池组和第二锂电池组充电，采用增程式模式；
[0070]
7）若第一锂电池组或第二锂电池组的实际soc低于下限时，日用负载和推进器的功率需求之和小于第二锂电池组或第一锂电池组的功率与铝空电池组之和，则第一开关或第二开关处于闭合状态，第三开关处于闭合状态，第二dc/dc单元或第一dc/dc单元运行，第
三dc/dc单元运行，铝空电池组和第二锂电池组或者第一锂电池组为日用负载和推进电机供电，铝空电池组为第一锂电池组或者第二锂电池组充电，采用混合增程式模式。
[0071]
本例第一锂电池组、第二锂电池组soc的下限为40%、soc的下限阈值为20%，soc的上限为80%、soc的上限阈值为95%。
[0072]
上述过程中，铝空电池组输出电压经过第三dc/dc单元变压到适宜电压后输出到第一锂电池组、第二锂电池组和母线，第一锂电池组输出电压经过第一dc/dc单元变压到适宜电压后输出到母线，第二锂电池组输出电压经过第二dc/dc单元变压到适宜电压后输出到母线，这样能降低电压对第一锂电池组、第二锂电池组和母线冲击。