一種新能源船用鋰離子電池-鋅空氣電池混合動力系統的制作方法

文檔序號:18178283發布日期:2019-07-13 10:30
一種新能源船用鋰離子電池-鋅空氣電池混合動力系統的制作方法

本發明涉及混合動力技術,具體是一種新能源船用鋰離子電池-鋅空氣電池混合動力系統。



背景技術:

隨著環境污染和能源匱乏問題的日益突出,發展可再生的、新型無污染的新能源材料是實現能源可持續發展的必經之路。在船舶領域,單純利用柴油機的技術改革很難滿足國家的排放標準,而鋰離子電池和鋅空氣電池共同驅動的混合動力技術已逐漸成為可行的技術方案。鋅空氣電池因具有能量密度高、綠色環保、資源豐富、較高的電容量以及成本低等有點,被視為新能源船舶混合動力的首選之一。鋅空氣電池是以空氣中的氧氣作為正極活性物質,以金屬鋅作為負極活性物質,在催化劑的電催化作用下發生化學反應而放出電能的化學電源。

目前,將鋰離子電池作為新能源船舶的推進動力電源,基本可以滿足船舶動力需求,但是無法滿足行駛里程的要求,而在動力系統中加入鋅空氣電池,一方面可以克服船舶續航里程不足的問題,另一方面,鋰離子電池的存在可以解決單純利用鋅空氣電池作為船舶動力時輸出功率偏低的難題。與此同時,將鋰離子電池作為制動能量的儲能裝置,將混合動力船舶制動能量進行回收,實現能量回收循環利用的目的,并最終解決新能源船舶動力不足、續航里程短以及制動能量浪費等問題。



技術實現要素:

本發明的目的是針對現有技術的不足,而提供一種新能源船用鋰離子電池-鋅空氣電池混合動力系統。這種系統,由兩種具有不同特性的電池組構成,充分發揮鋰離子電池比功率較大、儲能效果佳以及鋅空氣電池比能量相對較高等優勢,從根本上解決新能源船舶動力不足、續航里程不足以及制動能量浪費問題。

實現本發明目的的技術方案是:

一種新能源船用鋰離子電池-鋅空氣電池混合動力系統,與現有技術不同的是,包括并行接入到混合動力船舶能量控制單元的鋰離子電池控制單元和鋅空氣電池控制單元,所述鋰離子電池控制單元設有一組鋰離子電池組,鋰離子電池組通過雙向DC/DC變換器連接電機控制模塊;所述鋅空氣電池控制單元設有一組鋅空氣電池組,鋅空氣電池組通過單向DC/DC變換器連接電機控制模塊,電機控制模塊順序連接推進電機和螺旋槳。

所述鋰離子電池控制單元和鋅空氣電池控制單元,均設有串聯在一起的主控模塊和從控模塊,主控模塊負責數據分析并作出下一步保護指示,從控模塊負責采集鋰離子電池溫度、電壓參數,上報到主控模塊中,主控模塊與串聯在一起的控制及配電模塊與電流傳感器連接,控制及配電模塊負責供電電路的控制及保護,電流傳感器負責檢測供電電路電流的變化情況,主控模塊監控控制及配電模塊與電流傳感器的工作狀態。

所述鋰離子電池組為至少2組。

所述鋅空氣電池組為至少2組。

雙向DC/DC變換器的作用是為混合動力船舶提供推力和吸收制動過程的暫存能量。

電機控制模塊設有DC/AC逆變器和控制器,其中控制器作用是接受推進電機轉速等信號反饋到儀表,當發生制動或者加減速行駛時,控制器控制變頻器頻率的升降,從而達到加減速目的,電機控制模塊可采用型號為XHM1系列的電機控制模塊。

所述螺旋槳作為新能源船舶的推進器,一方面利用螺旋槳的機械能推進船舶運動,另一方面,新能源船舶制動或減速過程中,螺旋槳轉速由高到低,頻率突減,此時系統可能處于回饋發電狀態,能量通過電機控制系統反饋于鋰離子電池組,完成能量回收任務。

電機控制模塊將電池組存儲的電量轉化為驅動電機的電能,并經過螺旋槳的機械能來推動船舶航行,或者幫助船舶制動,并將部分制動能量進行回收,并通過雙向DC/DC變換器反饋到鋰離子電池組中。

在本技術方案中,根據船舶航行時的功率和行駛里程需求,由混合動力船舶能量管理系統決定由鋰離子電池組單獨、鋅空氣電池組單獨或者鋰離子電池組和鋅空氣電池組相互配合共同滿足實際需求,在船舶加速或者逆流行駛時,采用鋰離子電池組單獨或者鋰離子電池組和鋅空氣電池組同時提供動力滿足功率需求,此時,混合動力船舶能量管理單元將充電指令分別發給鋰離子電池控制單元和鋅空氣電池控制單元,鋰離子電池控制單元和鋅空氣電池控制單元,分別控制鋰離子電池組和鋅空氣電池組為推進電機提供動力,其中,鋰離子電池組輸出端連接雙向DC/DC變換器輸入端,雙向DC/DC變換器輸出端連接電機控制模塊輸入端,電機控制模塊順序連接推進電機、螺旋槳完成鋰離子電池組充電工作,鋅空氣電池組輸出端連接單向DC/DC變換器輸入端,單向DC/DC變換器輸出端連接電機控制模塊輸入端,電機控制模塊順序連接推進電機、螺旋槳完成鋅空氣電池組充電工作。

在船舶順流平緩航行時,功率輸出需求不大,使用鋅空氣電池組單獨為船舶運行提供動力,此時,混合動力船舶能量管理單元將充電指令發給鋅空氣電池控制單元,鋅空氣電池控制單元控制鋅空氣電池組為推進電機提供動力,其中,鋅空氣電池組輸出端連接單向DC/DC變換器輸入端,單向DC/DC變換器輸出端連接電機控制模塊輸入端,電機控制模塊順序連接推進電機、螺旋槳完成鋅空氣電池組充電工作。

當船舶剎車或減速時,通過制動回充為鋰離子電池組進行補電,實現能量回收利用,此時,螺旋槳轉速由高到低,頻率突減,此時系統可能處于回饋發電狀態,能量通過電機控制模塊順序連接雙向DC/DC變換器傳輸到鋰離子電池組中,最后,在船舶停泊靠岸時,由鋅空氣電池組為鋰離子電池組進行供電,此時,鋅空氣電池組順序連接單向DC/DC變換器、電機控制模塊、雙向DC/DC變換器將電量傳輸到鋰離子電池組,完成對鋰離子電池組補充電量的任務。

與現有技術相比,本技術方案具有以下優點:

(1)克服新能源船舶動力需求不足的問題:采用鋰離子電池組和鋅空氣電池組并聯組成的混合動力電池系統,充分利用鋰離子電池組輸出功率大,鋅空氣電池組比容量相對較高的優勢,根據船舶運行時的實際工況和動力需求,提供最佳的供電策略;

(2)解決新能源船舶續航里程不足的問題:采用本發明的混合動力電池系統,可以由混合動力船舶能量管理系統具體分配兩種動力系統的功率輸出情況。在一定的情況下,可以通過制動回充和鋅空氣電池組的輸出功率為鋰離子電池組進行補電,這種供電策略很大程度上提高新能源船舶的續航里程;

(3)可以有效地延長鋰離子電池組和鋅空氣電池組的使用壽命:新能源船舶航行過程中需大功率輸出時,選擇鋰離子電池組單獨或鋰離子電池組和鋅空氣電池組兩者相結合共同提供動力,這種工況下,可使鋅空氣電池組在低電流放電的最佳狀態內工作,提高鋅空氣電池組的使用壽命。與此同時,鋅空氣電池組相對穩定的功率輸出使得鋰離子電池組不會出現過流放電情況,大大提高鋰離子電池組的使用壽命;

(4)混合動力船舶制動能量得到有效回收利用,從而降低系統運行成本:本發明的混合動力電池系統中,加入雙向DC/DC轉換器,可以有效地回收船舶制動或減速時的能量,并以存儲的方式,由鋰離子電池組儲存起來,最大限度的將能量進行回收,將系統運行時的能耗降到最低,從而降低系統的運行成本。

這種系統,由兩種具有不同特性的電池組構成,充分發揮鋰離子電池比功率較大、儲能效果佳以及鋅空氣電池比能量相對較高等優勢,從根本上解決新能源船舶動力不足、續航里程不足以及動能量浪費問題。

附圖說明

圖1為實施例的工作原理結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的內容作進一步的闡述,但不是對本發明的的限定。

實施例:

參照圖1,一種新能源船用鋰離子電池-鋅空氣電池混合動力系統,包括并行接入到混合動力船舶能量控制單元的鋰離子電池控制單元和鋅空氣電池控制單元,所述鋰離子電池控制單元設有一組鋰離子電池組,鋰離子電池組通過雙向DC/DC變換器連接電機控制模塊;所述鋅空氣電池控制單元設有一組鋅空氣電池組,鋅空氣電池組通過單向DC/DC變換器連接電機控制模塊,電機控制模塊順序連接推進電機和螺旋槳。

所述鋰離子電池控制單元和鋅空氣電池控制單元,均設有串聯在一起的主控模塊和從控模塊,主控模塊負責數據分析并作出下一步保護指示,從控模塊負責采集鋰離子電池溫度、電壓參數,上報到主控模塊中,主控模塊與串聯在一起的控制及配電模塊與電流傳感器連接,控制及配電模塊負責供電電路的控制及保護,電流傳感器負責檢測供電電路電流的變化情況,主控模塊監控控制及配電模塊與電流傳感器的工作狀態。

所述鋰離子電池組為至少2組。

所述鋅空氣電池組為至少2組。

雙向DC/DC變換器的作用是為混合動力船舶提供推力和吸收制動過程的暫存能量,本例優選型號為SD-200B、SD-200C。

電機控制模塊設有DC/AC逆變器和控制器,其中控制器作用是接受推進電機轉速等信號反饋到儀表,當發生制動或者加減速行駛時,控制器控制變頻器頻率的升降,從而達到加減速目的,本例電機控制模塊采用型號為XHM1系列的電機控制模塊。

所述螺旋槳作為新能源船舶的推進器,一方面利用螺旋槳的機械能推進船舶運動,另一方面,新能源船舶制動或減速過程中,螺旋槳轉速由高到低,頻率突減,此時系統可能處于回饋發電狀態,能量通過電機控制系統反饋于鋰離子電池組,完成能量回收任務。

電機控制模塊將電池組存儲的電量轉化為驅動電機的電能,并經過螺旋槳的機械能來推動船舶航行,或者幫助船舶制動,并將部分制動能量進行回收,并通過雙向DC/DC變換器反饋到鋰離子電池組中。

本例中主控模塊型號為BC54B,包含絕緣監測、高壓檢測并且具有無線數據傳輸功能,將從控模塊中對電池采集的信息進行匯總、對電池組做出相應的保護策略。

本例中從控模塊型號為BM5112S、BM5124S、BM5136S以及BM5148S,其集成多路電壓、溫感采集,具有對電芯溫度、電壓采集以及電池均衡等功能。

強電控制模塊負責鋰離子電池組和鋅空氣電池組充放電回路以及預充回路的電源管理,另外具有過流保護,可以很好的控制混合動力電池系統的輸出功率。強電控制模塊內部設置繼電器,本例中繼電器優選型號為FWP-500A/700A,其額定電流為500A/700A,額定電壓為700V,完全滿足鋰離子電池組和鋅空氣電池組并聯組成的復合電源最大上限電流值、電壓值。

本例中電流傳感器優選型號為JCE500-ASS/E,功能是采集電池組的充放電電流和回饋電流,其電流量程為-500A-500A。

在本例中,根據船舶航行時的功率和行駛里程需求,由混合動力船舶能量管理系統決定由鋰離子電池組單獨、鋅空氣電池組單獨或者鋰離子電池組和鋅空氣電池組相互配合共同滿足實際需求,在船舶加速或者逆流行駛時,采用鋰離子電池組單獨或者鋰離子電池組和鋅空氣電池組同時提供動力滿足功率需求,此時,混合動力船舶能量管理單元將充電指令分別發給鋰離子電池控制單元和鋅空氣電池控制單元,鋰離子電池控制單元和鋅空氣電池控制單元,分別控制鋰離子電池組和鋅空氣電池組為推進電機提供動力,其中,鋰離子電池組輸出端連接雙向DC/DC變換器輸入端,雙向DC/DC變換器輸出端連接電機控制模塊輸入端,電機控制模塊順序連接推進電機、螺旋槳完成鋰離子電池組充電工作,鋅空氣電池組輸出端連接單向DC/DC變換器輸入端,單向DC/DC變換器輸出端連接電機控制模塊輸入端,電機控制模塊順序連接推進電機、螺旋槳完成鋅空氣電池組充電工作。

在船舶順流平緩航行時,功率輸出需求不大,使用鋅空氣電池組單獨為船舶運行提供動力,此時,混合動力船舶能量管理單元將充電指令發給鋅空氣電池控制單元,鋅空氣電池控制單元控制鋅空氣電池組為推進電機提供動力,其中,鋅空氣電池組輸出端連接單向DC/DC變換器輸入端,單向DC/DC變換器輸出端連接電機控制模塊輸入端,電機控制模塊順序連接推進電機、螺旋槳完成鋅空氣電池組充電工作。

當船舶剎車或減速時,通過制動回充為鋰離子電池組進行補電,實現能量回收利用,此時,螺旋槳轉速由高到低,頻率突減,此時系統可能處于回饋發電狀態,能量通過電機控制模塊順序連接雙向DC/DC變換器傳輸到鋰離子電池組中,最后,在船舶停泊靠岸時,由鋅空氣電池組為鋰離子電池組進行供電,此時,鋅空氣電池組順序連接單向DC/DC變換器、電機控制模塊、雙向DC/DC變換器將電量傳輸到鋰離子電池組,完成對鋰離子電池組補充電量的任務。

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