一種基于自組態(tài)式動(dòng)力電池混合動(dòng)力船舶的測(cè)試裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型披露一種基于自組態(tài)式動(dòng)力電池混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)測(cè)試裝置，包括動(dòng)力源、操控裝置、推進(jìn)測(cè)試傳動(dòng)系統(tǒng)；推進(jìn)測(cè)試傳動(dòng)系統(tǒng)采用雙電機(jī)剛性軸聯(lián)方式；動(dòng)力源由兩套柴?電機(jī)組、自組態(tài)式動(dòng)力電池組以及光伏電池組成；兩套柴?電機(jī)組連接到交流母線，交流母線通過(guò)AC/DC變換器連接直流母線；自組態(tài)式動(dòng)力電池組由多個(gè)動(dòng)力電池組模塊組成，多個(gè)電池組模塊連接電池組合控制器；操控裝置包括觸摸屏、可編程控制器、嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、通信模塊；電池組合控制器按組態(tài)要求實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)組合，具有自動(dòng)調(diào)節(jié)并聯(lián)電池模塊電壓均衡的能力。該測(cè)試裝置為柴電?光伏?動(dòng)力電池混合動(dòng)力船舶進(jìn)行動(dòng)力配置、節(jié)能減排以及船舶續(xù)航能力的提供測(cè)試環(huán)境。
【專利說(shuō)明】
-種基于自組態(tài)式動(dòng)力電池混合動(dòng)力船舶的測(cè)試裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種混合動(dòng)力船舶測(cè)試裝置，尤其設(shè)及一種基于自組態(tài)式動(dòng)力電 池混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)測(cè)試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 船舶污染在海洋環(huán)境污染中占有相當(dāng)大的比例，而且船舶排放物對(duì)環(huán)境的污染日 趨嚴(yán)重，也成為各城市PM2.5的主要來(lái)源之一。船舶混合動(dòng)力技術(shù)是一種新型的船舶技術(shù)， 是船舶動(dòng)力發(fā)展的新方向，能極大地緩解能源、環(huán)境問(wèn)題?；旌蟿?dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)能充分利 用柴電、風(fēng)能、太陽(yáng)能及動(dòng)力電池的儲(chǔ)能，可節(jié)約燃油、降低營(yíng)運(yùn)成本，是很有發(fā)展前景的船 舶能源綜合優(yōu)化利用系統(tǒng)，也是船舶節(jié)能減排領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。運(yùn)種新型環(huán)保型推進(jìn)系統(tǒng) 在注重提高經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，更注重對(duì)環(huán)境的保護(hù)，有效降低航行和停泊時(shí)所帶來(lái)的燃油、廢 氣和噪聲等污染，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外廠家和研究機(jī)構(gòu)在混合動(dòng)力船舶的研制方面不斷取得新進(jìn) 展。在實(shí)際應(yīng)用中，為了能提高混合動(dòng)力船舶的續(xù)航里程和航行安全性，通常配置柴電機(jī)組 和動(dòng)力電池兩種主要?jiǎng)恿δ茉?，并W光伏電池作為輔助能源。
[0003] 該測(cè)試裝置主要用于柴電-光伏-動(dòng)力電池混合動(dòng)力船舶研究與設(shè)計(jì)中進(jìn)行動(dòng)力 源配置、動(dòng)力性能W及續(xù)航能力測(cè)試的裝置，為新能源船舶的研發(fā)、制造和改造提供試驗(yàn)技 術(shù)手段，驗(yàn)證新能源配置的合理性、船舶動(dòng)力系統(tǒng)的續(xù)航能力。為了能夠滿足船舶各種推進(jìn) 功率測(cè)試需求，本實(shí)用新型提出了一種基于自組態(tài)式動(dòng)力電池的測(cè)試裝置。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 為了驗(yàn)證或測(cè)試新能源船舶的能源配置、動(dòng)力性能W及續(xù)航能力等問(wèn)題，本實(shí)用 新型提出了一種基于自組態(tài)式動(dòng)力電池混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)測(cè)試裝置。該測(cè)試裝置由Ξ 大部分組成:動(dòng)力源、操控裝置、推進(jìn)測(cè)試傳動(dòng)系統(tǒng)。
[0005] 動(dòng)力源由兩套柴-電機(jī)組、自組態(tài)式動(dòng)力電池組W及光伏電池組成。其中，兩套柴- 電機(jī)組連接到交流母線，交流母線輸出交流電通過(guò)AC/DC變換器變成直流，送給直流母線。 自組態(tài)式動(dòng)力電池組由多個(gè)動(dòng)力電池組模塊組成，運(yùn)些電池組模塊通過(guò)電池組合控制器實(shí) 現(xiàn)串并聯(lián)任意組合，滿足各種功率的混合動(dòng)力船舶的測(cè)試需要。電池組合控制器連接到雙 向DC-DC轉(zhuǎn)換器，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出接入直流母線;直流母線作為系統(tǒng)電源供給傳動(dòng)系 統(tǒng)。光伏電池也通過(guò)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器接入直流母線。動(dòng)力電池組的各個(gè)模塊獨(dú)立連接到電 池組合控制器，電池組合控制器不僅能按組態(tài)要求實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)組合，還具有自動(dòng)調(diào)節(jié)并聯(lián) 電池模塊電壓均衡的能力。電池組合控制器由可編程邏輯控制器(PLC)、接觸器、開關(guān)、大功 率晶閩管等組成。電池組合控制器中的控制邏輯功能都由化C來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)采用兩組動(dòng)力 電池組進(jìn)行組合時(shí)，W兩組電池組為例，具體實(shí)現(xiàn)如下：
[0006] (1)每一組動(dòng)力電池組串聯(lián)一個(gè)大功率晶閩管，晶閩管安裝在電池組的負(fù)端，利用 晶閩管的反向截止功能可W防止電池組之間電壓不均衡而導(dǎo)致的環(huán)流；
[0007] (2)兩組電池組之間安裝1個(gè)雙位開關(guān)，該雙位開關(guān)有3個(gè)接線點(diǎn)，1個(gè)接線點(diǎn)與第 二組電池組的正極連接，第2個(gè)接線點(diǎn)也與第一組電池組的正極連接，第3個(gè)接線點(diǎn)與第一 組電池組上串聯(lián)的晶閩管正向連接。第2、3接線點(diǎn)也是雙位開關(guān)的兩個(gè)位置點(diǎn)，其中一個(gè)位 置為串聯(lián)位置，另一個(gè)位置為并聯(lián)位置。與電池組串聯(lián)的晶閩管之間安裝1個(gè)接觸器，運(yùn)個(gè) 接觸器兩端與兩個(gè)晶閩管的正向連接。每一個(gè)晶閩管的正向端又分別安裝了 1個(gè)開關(guān)，兩個(gè) 開關(guān)的下端又與雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)極連接在一起，第一組電池組的正極與雙向DC-DC轉(zhuǎn) 換器的正極相連。
[0008] (3)將雙位開關(guān)置于并聯(lián)位置，接觸器接通，兩個(gè)開關(guān)任意一個(gè)閉合，此時(shí)，兩組電 池組實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)狀態(tài);將雙位開關(guān)置于串聯(lián)位置，接觸器斷開，與第二組電池組串聯(lián)的晶閩 管連接的開關(guān)閉合，與第一組電池組串聯(lián)的晶閩管連接的開關(guān)斷開，此時(shí)，兩組電池組實(shí)現(xiàn) 了串聯(lián)狀態(tài)。
[0009] (4)上述接觸器的通斷、雙位開關(guān)的位置切換、開關(guān)的閉合斷開，均由化C進(jìn)行邏輯 控制。
[0010] 電池組合控制器最終輸出為直流，其正負(fù)兩端接入雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入端正 負(fù)極，再由雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出供到直流母線上。根據(jù)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn) 行能量輸入輸出切換。由雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器向電池組合控制器發(fā)出串并聯(lián)命令。
[0011] 操控裝置的控制臺(tái)采用現(xiàn)場(chǎng)總線和觸摸屏技術(shù)，相比傳統(tǒng)的按鈕式控制臺(tái)，具有 線路簡(jiǎn)單、通信可靠、可擴(kuò)展性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、W及參數(shù)顯示形象直觀等特點(diǎn)。操控裝置的控 制單元采用化C、工控機(jī)和通信模塊。
[0012] 推進(jìn)測(cè)試傳動(dòng)系統(tǒng)采用雙電機(jī)剛性軸聯(lián)方式，兩臺(tái)電機(jī)的聯(lián)軸之間安裝扭矩傳感 器，檢測(cè)推進(jìn)轉(zhuǎn)矩。其中一臺(tái)電機(jī)為交流異步變頻電機(jī)，另一臺(tái)為同步電機(jī)。兩臺(tái)在變頻器 控制下，可W四象限運(yùn)行，既可W作為推進(jìn)螺旋獎(jiǎng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，又可W作為模擬螺旋獎(jiǎng)的負(fù) 載電機(jī)，通過(guò)操控裝置設(shè)置電機(jī)運(yùn)行方式。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是本實(shí)用新型基于自組態(tài)式動(dòng)力電池混合動(dòng)力船舶的測(cè)試裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明兩組電池組串并聯(lián)組合示例圖；
[001引圖3是本發(fā)明立組電池組串并聯(lián)組合示例圖；
[0016] 圖4是本發(fā)明多組電池組串并聯(lián)組合示例圖；
[0017] 圖5是本發(fā)明操控裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0018] 圖6是本發(fā)明推進(jìn)測(cè)試傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
【具體實(shí)施方式】
[0019] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種混合動(dòng)力船舶試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)系統(tǒng) 架構(gòu)由Ξ大部分組成:動(dòng)力源、操控裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，箭頭表示能量流動(dòng) 方向。動(dòng)力源由3部分組成:兩套柴油發(fā)電機(jī)組、動(dòng)力電池組和太陽(yáng)能光伏電池。
[0020] 柴油發(fā)電機(jī)組主要是為混合動(dòng)力系統(tǒng)提供恒壓恒頻交流電。
[0021 ] 兩組動(dòng)力電池組連接到電池組合控制器，電池組合控制器包括了可編程邏輯控制 器(PLC)、接觸器、開關(guān)、大功率晶閩管等器件。
[0022] (1)測(cè)試對(duì)象要求供電電壓較高，并且具有大功率需求的船舶對(duì)象時(shí)，如拖輪或輪 渡船，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器發(fā)出命令，動(dòng)力電池組串聯(lián)工作:雙位開關(guān)置于串聯(lián)位置，接觸器斷 開，開關(guān)1斷開，開關(guān)2接通。
[0023] (2)測(cè)試對(duì)象要求供電電流較高，并且具有較長(zhǎng)的續(xù)航里程的船舶對(duì)象時(shí)，如公務(wù) 艇、執(zhí)法艇，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器發(fā)出命令，動(dòng)力電池組并聯(lián)工作:雙位開關(guān)置于并聯(lián)位置，接 觸器接通，開關(guān)1或開關(guān)2接通。
[0024] (3) -般測(cè)試對(duì)象時(shí)，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器不發(fā)出要求電池組串并聯(lián)命令，動(dòng)力電池 組一用一備工作:雙位開關(guān)置于任意位置，接觸器斷開，開關(guān)1接通，開關(guān)2斷開，電池組1工 作，電池組2備用；雙位開關(guān)置于并聯(lián)位置，接觸器斷開，開關(guān)1斷開，開關(guān)2閉合，電池組2工 作，電池組1備用。
[0025] 操控裝置由控制臺(tái)采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)操控與監(jiān)測(cè)，利用觸摸屏顯示運(yùn)行參數(shù)與狀 態(tài)。為確保本裝置在緊急狀態(tài)下的安全性和可靠性，應(yīng)急停止按鈕等關(guān)鍵信號(hào)采用常規(guī)的 按鈕。操控裝置的主控制器由可編程控制器(PLC)、嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、通信模塊等組 成。操控裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。觸摸屏替代了傳統(tǒng)的儀表、指示燈及部分按鈕，此外， W可視化形式顯示系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)趨勢(shì)圖、電池剩余電荷等混合動(dòng)力系統(tǒng)相 關(guān)信息。PLC主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制，如接入太陽(yáng)能光伏電池等。嵌入式工控機(jī)主要用于 監(jiān)視系統(tǒng)、提供測(cè)試負(fù)載及設(shè)定負(fù)載。通信模塊主要用于化C、嵌入式工控機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)建 立數(shù)據(jù)通信鏈路。
[0026] 推進(jìn)測(cè)試傳動(dòng)系統(tǒng)采用兩電機(jī)聯(lián)軸方式，如圖4所示，其中一側(cè)為交流異步變頻電 機(jī)，另一側(cè)為同步電機(jī)。兩電機(jī)機(jī)械連接，并在軸上都安裝扭矩傳感器。分別使用變頻器來(lái) 實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)的控制。通過(guò)開關(guān)可W切換電源，系統(tǒng)電源表示來(lái)自混合動(dòng)力系統(tǒng)的電源，通常 在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)用系統(tǒng)電源，而負(fù)載電機(jī)用市電。運(yùn)兩種電機(jī)既可W作驅(qū)動(dòng)電 機(jī)，又可W作負(fù)載電機(jī)，可W滿足混合動(dòng)力船舶的不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)的測(cè)試。
[0027] 該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有多種供電模式下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試功能：
[0028] 1)動(dòng)力電池獨(dú)立供電（純電動(dòng))模式下，并由嵌入式工控機(jī)給定一段時(shí)間內(nèi)的船舶 螺旋獎(jiǎng)負(fù)載，分別測(cè)試電池組在串并聯(lián)模式下的供電能力，并給出相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。
[0029] 2)柴電機(jī)組獨(dú)立供電模式下，并由嵌入式工控機(jī)給定一段時(shí)間內(nèi)的船舶螺旋獎(jiǎng)負(fù) 載，在兩套柴電機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行、并網(wǎng)、解列的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，測(cè)試柴電機(jī)組的供電能力，并給出 相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。
[0030] 3)太陽(yáng)能光伏電池和動(dòng)力電池混合供電模式下，并由嵌入式工控機(jī)給定一段時(shí)間 內(nèi)的船舶螺旋獎(jiǎng)負(fù)載，測(cè)試太陽(yáng)能光伏電池的供電能力，W及評(píng)估動(dòng)力電池在光伏電池充 電情況下的供電能力。
[0031] 4)柴電機(jī)組和動(dòng)力電池混合供電模式下，由嵌入式工控機(jī)給定一段時(shí)間內(nèi)的船舶 螺旋獎(jiǎng)負(fù)載，并W降低柴電機(jī)組使用為目標(biāo)的前提下，測(cè)試動(dòng)力電池和柴電機(jī)組的混合供 電能力。
[0032] 5)柴電機(jī)組、動(dòng)力電池和光伏電池混合供電模式下，由嵌入式工控機(jī)給定一段時(shí) 間內(nèi)的船舶螺旋獎(jiǎng)負(fù)載，并W降低柴電機(jī)組使用為目標(biāo)的前提下，測(cè)試柴電機(jī)組、動(dòng)力電池 和光伏電池混合供電能力。
[0033] 供電能力計(jì)算如下：
[0034] 1)動(dòng)力電池供電：設(shè)定電池的基本參數(shù)為Ue(單位:伏），Ieh(單位:安時(shí)），電池的放 電效率為η(常量），因此，負(fù)載為Pt的情況下，供電能力
：?jiǎn)挝?小時(shí)）。
[0035] 2)柴-電機(jī)組供電：通常船用柴-電機(jī)組輸出功率與燃油消耗率成正比，設(shè)定柴-電 機(jī)組油箱容積為V(單位:升），負(fù)載為Pt的情況下，柴-電機(jī)組的燃油消耗率為1(單位:升/小 時(shí)），因此，其供電能力
售位:小時(shí)）。
[0036] 3)太陽(yáng)能光伏電池在接入系統(tǒng)時(shí)已作為穩(wěn)壓處理，因此也可W作為較小功率的動(dòng) 力電池來(lái)看待。其供電能力計(jì)算方法可參考1)。
[0037] 4)負(fù)載功率
庚中，riL為負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可通過(guò)通信模塊從變頻器中獲 取，T也可通過(guò)通信模塊從扭矩傳感器獲取。
[0038] 該測(cè)試裝置的測(cè)試結(jié)果包括:上述供電模式下的供電能力（續(xù)航能力）、驅(qū)動(dòng)電機(jī) (異步電機(jī)或同步電機(jī))的動(dòng)態(tài)特性(轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、電壓及功率數(shù)據(jù)）。其中轉(zhuǎn)矩T可由扭 矩傳感器測(cè)得;驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速(η)、電流(I)、電壓(V)、功率(P)，可通過(guò)通信模塊從變頻器獲 取。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于自組態(tài)式動(dòng)力電池混合動(dòng)力船舶電力推進(jìn)測(cè)試裝置，包括動(dòng)力源、操控裝 置、推進(jìn)測(cè)試傳動(dòng)系統(tǒng);推進(jìn)測(cè)試傳動(dòng)系統(tǒng)包括兩臺(tái)電機(jī)，兩臺(tái)電機(jī)之間剛性軸聯(lián)連接，兩 臺(tái)電機(jī)的聯(lián)軸之間安裝扭矩傳感器，其中一臺(tái)電機(jī)為交流異步變頻電機(jī)，另一臺(tái)為同步電 機(jī);動(dòng)力源由兩套柴-電機(jī)組、自組態(tài)式動(dòng)力電池組以及光伏電池組成;兩套柴-電機(jī)組連接 到交流母線，交流母線通過(guò)AC/DC變換器連接直流母線；自組態(tài)式動(dòng)力電池組由多個(gè)動(dòng)力電 池組模塊組成，所述多個(gè)電池組模塊連接電池組合控制器；電池組合控制器連接到雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出接入直流母線；直流母線連接推進(jìn)測(cè)試傳動(dòng)系統(tǒng)，光伏 電池也通過(guò)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器接入直流母線;操控裝置包括觸摸屏、可編程控制器、嵌入式 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、通信模塊、以及應(yīng)急停止按鈕;觸摸屏、可編程控制器、嵌入式工業(yè)控制計(jì) 算機(jī)、扭矩傳感器、異步電機(jī)變頻器、同步電機(jī)變頻器、兩套柴-電機(jī)組、自組態(tài)式動(dòng)力電池 組以及光伏電池連接通信模塊;其特征在于:動(dòng)力電池組的各個(gè)模塊獨(dú)立連接到電池組合 控制器;電池組合控制器包括可編程邏輯控制器、接觸器、開關(guān)、大功率晶閘管;每一個(gè)動(dòng)力 電池組模塊串聯(lián)一個(gè)大功率晶閘管，晶閘管安裝在電池組的負(fù)端;其中首個(gè)動(dòng)力電池組模 塊的正極與雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的正極相連;相鄰的兩組電池組第一電池組和第二電池組之 間安裝1個(gè)雙位開關(guān)，所述雙位開關(guān)有3個(gè)接線點(diǎn)，第1個(gè)接線點(diǎn)與第二電池組的正極連接， 第2個(gè)接線點(diǎn)也與第一電池組的正極連接，第3個(gè)接線點(diǎn)與第一組電池組上串聯(lián)的晶閘管正 向連接;第2、3接線點(diǎn)也是雙位開關(guān)的兩個(gè)位置點(diǎn)，其中一個(gè)位置為串聯(lián)位置，另一個(gè)位置 為并聯(lián)位置;與電池組串聯(lián)的相鄰晶閘管之間安裝1個(gè)接觸器，所述接觸器兩端與兩個(gè)晶閘 管的正向連接;每一個(gè)晶閘管的正向端又分別安裝了 1個(gè)開關(guān)，兩個(gè)開關(guān)的下端又與雙向 DC-DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)極連接在一起。
【文檔編號(hào)】G01R31/36GK205620526SQ201620412761
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年5月9日
【發(fā)明人】高迪駒, 沈愛弟, 褚建新, 劉志全
【申請(qǐng)人】上海海事大學(xué)