一种船用集装箱电池设备及其方法技术

本发明专利技术公开了一种船用集装箱电池设备，包括船舶、至少两组集装箱电池装置和岸基控制中心；船舶艉部布置有变频系统，集装箱电池装置布置在船舶推进装置上方的甲板上，所述集装箱电池装置直接与船舶上的变频系统连接，为船舶的推进系统以及日用系统提供能源。根据不同船舶的负载与续航里程需求情况，每条船上需要配置若干数量的集装箱电池装置。并公开了其安全运行供电控制及运作方法。本发明专利技术通过对各层系统中子系统组成的规划与信息传输的设置，保证了集装箱电池装置能够有效的应对各类型的故障，并根据故障程度做出相应的保护措施，确保了系统的正常运转。了系统的正常运转。了系统的正常运转。

【技术实现步骤摘要】
一种船用集装箱电池设备及其方法


[0001]本专利技术涉及一种船舶新能源装备，尤其是涉及一种船用集装箱电池设备及其方法。

技术介绍

[0002]为降低航运业碳排放量，并结合种种针对航运业节能减排出台的措施，航运业向低碳、零碳方向发展的路径已然明确，新能源船舶成为航运业节能减排最主要的方式之一。
[0003]随着锂电池直流组网动力推进系统的日益成熟，越来越多的内河船舶开始采用锂电池组作为船舶的动力源。但是，对于集装箱货轮等大型海运船舶而言，仅靠传统方式配置满足航行需求的固定数量锂电池组不仅成本高昂、维护更换流程复杂，同时会占用相当部分的船舱空间，此外采用该方式的大型新能源船舶中途靠岸过程时的充电时间十分漫长，严重影响了新能源船舶的推广。为了攻克这一难题，换电式新能源电池动力船舶逐渐成为研究重点。
[0004]在专利ZL202120314488.0中，提出了一种适用于船舶换电的飞翼式电池集装箱，其通过液冷与消防相结合的方式解决了应用于船舶的集装箱电池的安全维护问题，但是，对于集装箱电池系统的系统构成以及系统的信息传输与控制方法等均没有提及。在专利技术申请CN202110394147.3中，提出了一种集装箱式动力电池单元的使用、充电和维护的方法，阐述了对动力电池的安全保护与运维措施，但是对于动力电池单元与船舶电网的连接、动力电池自身故障的分析评判均未能进行说明，且当动力电池故障后必须转移至岸上进行维护，缺少相应的即使应对措施。在专利ZL202120746197.9中提出了一种船用集装箱电池系统与船舶连接的系统构架，但是其与传统直流组网系统没有实质的区别，通过为每个集装箱电池系统中的动力电池配置单独的DC/DC功率模块来控制电池的充放电，虽然满足了集装箱电池系统与船舶的连接，但是该方案是对现有连接方法的刻板应用，且该方法下的变频系统造价高昂，不适合新能源船舶的推广。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种船用集装箱电池设备，在满足船舶航行动力需求的同时，实现智能控制，提高安全性能，控制成本。并提供了其安全运行供电控制及运作方法。
[0006]技术方案：一种船用集装箱电池设备，包括信号两两互连的船舶、岸基控制中心、管理系统，还包括安装于船舶上的至少两个集装箱电池装置，集装箱电池装置划分为两个相互独立的供电系统，每个供电系统至少包括一个集装箱电池装置；集装箱电池装置通过船舶上的变频系统分别与船舶上的日用系统、推进系统电信号连接；
[0007]集装箱电池装置分为监控层、安全层、本体层三层架构，监控层包括控制子系统以及分别与其信号连接的监测子系统、集岸子系统，安全层包括安全子系统，本体层包括锂电池组、监测设备组，锂电池组相互独立设有两组，且每个锂电池组上设有一个监测设备组，
监测设备组与监测子系统信号连接，锂电池组与安全子系统信号连接，安全子系统与控制子系统信号连接，控制子系统、监测子系统分别与管理系统信号连接，集岸子系统与岸基控制中心信号互通。
[0008]岸基控制中心用于集装箱电池装置的运行状态管控，启动安全子系统处理异常事件；管理系统用于集装箱电池装置的正常运行管理，设有电池组运行、电池组消防安全、电池组温控和集装箱电池装置与船舶插拔连接等管理功能；所述的电池组运行管理功能，包括电池状态管理BMS和电池能量管理EMS。
[0009]管理系统包括BMS、EMS，类似于人机交互媒介，其中为现有常用系统。
[0010]进一步的，集装箱电池装置包括集装箱，集装箱通过固定底座安装于甲板上，集装箱内设有电池组件、消防组件、总控组件、温控组件、隔震组件，电池组件设置于集装箱中心并通过隔震组件安装于集装箱内底面上，温控组件安装于电池组件一侧，消防组件、总控组件分别安装于电池组件的另一侧，集装箱外部、在消防组件、总控组件的下方设有自动插拔组件，自动插拔组件安装于甲板上并于总控组件插接。
[0011]进一步的，消防组件、温控组件、隔震组件三者构成安全子系统，监测子系统、控制子系统、集岸子系统分别设置于总控组件中，总控组件中还设有与电池组件连通的插座，插座与自动插拔组件插接，锂电池组、监测设备组设置于电池组件中，电池组件还包括多个呈矩阵型间隔分布的电池架，电池架安装于集装箱内，锂电池组安装于电池架上，相邻两个电池架之间、电池架与温控组件之间以及电池架与消防组件、总控组件之间均设有防火门。
[0012]最佳的，集装箱电池装置还包括感知组件，感知组件包括所述多个监测设备组以及用于集装箱与船舶安装的监测定位组；
[0013]监测设备组包括安装于锂电池组上且用于检测锂电池组充放电电流、电压、温度、荷电状态SOC、性能状态SOH各项参数的多种传感器；
[0014]监测定位组包括视觉识别传感器、反射传感器、接触传感器，固定底座上表面的中心处安装有视觉识别传感器，其四个边角处均设置有一个反射传感器和一个接触传感器，集装箱底部的四个顶角处分别对应设有一个传感信号反射件。
[0015]进一步的，变频系统包括直流母线和日用母线，直流母线设有两段，每段直流母线分别通过一个二极管与日用母线连通，二极管的负极指向日用母线，日用母线上设有母联开关和母联熔断器，供电系统分别左舷和右舷两个供电系统，分别通过一个插拔断路器与对应的一段直流母线连接，且每段直流母线上分别安装有一个母线电压表，日用母线连接日用系统，推进系统包括船舶左、右舷上的主推进器，两个主推进器分别与对应的一段直流母线连接。
[0016]最佳的，变频系统还包括依次连接的两组主推熔断器、主推功率模块、主推断路器，分别连通两组主推进器与直流母线，其中，主推断路器与主推进器连接，主推熔断器与直流母线连接。
[0017]最佳的，变频系统还包括依次连接的日用熔断器、日用功率模块、正弦波滤波器，三者构成的日用系统通电线路至少并联有两组，日用系统包括隔离变压器、日用配电板、配电板开关、日用断路器，每组日用系统通电线路分别依次连接一个隔离变压器、日用断路器，日用断路器分别连通至日用配电板，日用配电板上设有配电板开关。
[0018]进一步的，推进系统还包括侧推进器，变频系统还包括依次连接的侧推熔断器、侧
推功率模块、侧推断路器，侧推熔断器与其中一段直流母线连接，侧推断路器与侧推进器连接。
[0019]进一步的，每个锂电池组内包括多个锂电池包，每个锂电池组分别依次连接一个直流熔断器、集电断路器，集电断路器接入变频系统。
[0020]一种上述的船用集装箱电池装置的供电控制方法，包括以下步骤：
[0021]步骤1：作业准备；当集装箱电池装置安装在船舶甲板上且与变频系统连接后，工作人员首先将控制左、右舷供电系统中的锂电池组的控制器按钮按下，使分属左、右舷的锂电池组各自完成机械互锁，连通集装箱电池装置与船舶之间的物理线路，同时使日用母线的母联开关闭合；
[0022]步骤2：确定需求；直流母线的EMS统筹当前船舶所需负载，即日用系统、推进系统反馈的总功率需求，并向集装箱电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船用集装箱电池设备，包括信号两两互连的船舶(1)、岸基控制中心(3)、管理系统(4)，其特征在于：还包括安装于船舶(1)上的至少两个集装箱电池装置(2)，集装箱电池装置(2)划分为两个相互独立的供电系统，每个供电系统至少包括一个集装箱电池装置(2)；集装箱电池装置(2)通过船舶(1)上的变频系统(11)分别与船舶(1)上的日用系统(13)、推进系统(14)电信号连接；集装箱电池装置(2)分为监控层(21)、安全层(22)、本体层(23)三层架构，监控层(21)包括控制子系统(212)以及分别与其信号连接的监测子系统(211)、集岸子系统(213)，安全层(22)包括安全子系统(222)，本体层(23)包括锂电池组(232)、监测设备组(231)，锂电池组(232)至少相互独立设有两组，且每个锂电池组(232)上设有一个监测设备组(231)，监测设备组(231)与监测子系统(211)信号连接，锂电池组(232)与安全子系统(222)信号连接，安全子系统(222)与控制子系统(212)信号连接，控制子系统(212)、监测子系统(211)分别与管理系统(4)信号连接，集岸子系统(213)与岸基控制中心(3)信号互通。2.根据权利要求1所述的一种船用集装箱电池设备，其特征在于：集装箱电池装置(2)包括集装箱(201)，集装箱(201)通过固定底座(208)安装于甲板上，集装箱(201)内设有电池组件(202)、消防组件(203)、总控组件(204)、温控组件(206)、隔震组件(207)，电池组件(202)设置于集装箱(201)中心并通过隔震组件(207)安装于集装箱(201)内底面上，温控组件(206)安装于电池组件(202)一侧，消防组件(203)、总控组件(204)分别安装于电池组件(202)的另一侧，集装箱(201)外部、在消防组件(203)、总控组件(204)的下方设有自动插拔组件(205)，自动插拔组件(205)安装于甲板上并于总控组件(204)插接。3.根据权利要求2所述的一种船用集装箱电池设备，其特征在于：消防组件(203)、温控组件(206)、隔震组件(207)三者构成安全子系统(222)，监测子系统(211)、控制子系统(212)、集岸子系统(213)分别设置于总控组件(204)中，总控组件(204)中还设有与电池组件(202)连通的插座，插座与自动插拔组件(205)插接，锂电池组(232)、监测设备组(231)设置于电池组件(202)中，电池组件(202)还包括多个呈矩阵型间隔分布的电池架(214)，电池架(214)安装于集装箱(201)内，锂电池组(232)安装于电池架(214)上，相邻两个电池架(214)之间、电池架(214)与温控组件(206)之间以及电池架(214)与消防组件(203)、总控组件(204)之间均设有防火门(215)。4.根据权利要求2所述的一种船用集装箱电池设备，其特征在于：集装箱电池装置(2)还包括感知组件，感知组件包括所述多个监测设备组(231)以及用于集装箱(201)与船舶(1)安装的监测定位组；监测设备组(231)包括安装于锂电池组(232)上且用于检测锂电池组(232)充放电电流、电压、温度、荷电状态SOC、性能状态SOH各项参数的多种传感器；监测定位组包括视觉识别传感器(216)、反射传感器(209)、接触传感器(210)，固定底座(208)上表面的中心处安装有视觉识别传感器(216)，其四个边角处均设置有一个反射传感器(209)和一个接触传感器(210)，集装箱(201)底部的四个顶角处分别对应设有一个传感信号反射件。5.根据权利要求1所述的一种船用集装箱电池设备，其特征在于：变频系统(11)包括直流母线(112)和日用母线(114)，直流母线(112)设有两段，每段直流母线(112)分别通过一个二极管(113)与日用母线(114)连通，二极管(113)的负极指向日用母线(114)，日用母线
(114)上设有母联开关(115)和母联熔断器(116)，供电系统分别左舷和右舷两个供电系统，分别通过一个插拔断路器(111)与对应的一段直流母线(112)连接，且每段直流母线(112)上分别安装有一个母线电压表(126)，日用母线(114)连接日用系统(13)，推进系统(14)包括船舶(1)左、右舷上的主推进器(142)，两个主推进器(142)分别与对应的一段直流母线(112)连接。6.根据权利要求5所述的一种船用集装箱电池设备，其特征在于：变频系统(11)还包括依次连接的两组主推熔断器(117)、主推功率模块(118)、主推断路器(119)，分别连通两组主推进器(142)与直流母线(112)，其中，主推断路器(119)与主推进器(142)连接，主推熔断器(117)与直流母线(112)连接。7.根据权利要求5所述的一种船用集装箱电池设备，其特征在于：变频系统(11)还包括依次连接的日用熔断器(120)、日用功率模块(121)、正弦波滤波器(122)，三者构成的日用系统通电线路至少并联有两组，日用系统(13)包括隔离变压器(131)、日用配电板(132)、配电板开关(133)、日用断路器(134)，每组日用系统通电线路分别依次连接一个隔离变压器(131)、日用断路器(134)，日用断路器(134)分别连通至日用配电板(132)，日用配电板(132)上设有配电板开关(133)。8.根据权利要求5所述的一种船用集装箱电池设备，其特征在于：推进系统(14)还包括侧推进器(141)，变频系统(11)还包括依次连接的侧推熔断器(123)、侧推功率模块(124)、侧推断路器(125)，侧推熔断器(123)与其中一段直流母线(112)连接，侧推断路器(125)与侧推进器(141)连接。9.根据权利要求1所述的一种船用集装箱电池设备，其特征在于：每个锂电池组(232)内包括多个锂电池包，每个锂电池组(232)分别依次连接一个直流熔断器(233)、集电断路器(234)，集电断路器(234)接入变频系统(11)。10.一种如权利要求5～8任一所述的船用集装箱电池装置的供电控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：作业准备；当集装箱电池装置安装在船舶甲板上且与变频系统连接后，工作人员首先将控制左、右舷供电系统中的锂电池组的控制器按钮按下，使分属左、右舷的锂电池组各自完成机械互锁，连通集装箱电池装置与船舶之间的物理线路，同时使日用母线的母联开关闭合；步骤2：确定需求；直流母线的EMS统筹当前船舶所需负载，即日用系统、推进系统反馈的总功率需求，并向集装箱电池装置的管理系统中的BMS发出需求信息；步骤3：确定能源；BMS接收需求信息后，根据当前各自锂电池组的SOC情况，判定当前应该启动多少锂电池组向直流母线进行供能，且若当前的锂电池组SOC<n％，则BMS不再控制该锂电池组进行供能；其中n为锂电池组的设定工作最低阈值，根据锂电池组的实际情况一般设置为15～20；步骤4：供能作业；当左右舷的锂电池组开始向直流母线供能后，EMS根据左右舷推进系统的工作需求，分别由左右舷供电系统为其进行供能，满足船舶动力需求；同时位于两段直流母线上的电压表实时测量当前两段直流母线的电压，其中左舷直流母线电压记为Vl，右舷直流母线电压记为Vr；步骤5：交替供能；考虑各个锂电池组在实际使用过程中的SOC与SOH的动态变化情况的
不同，以及左右舷的锂电池组的实时放电深度不同，EMS根据测量所得的左右舷直流母线电压Vl和Vr的数值大小，判断由左舷或者右舷供电系统为日用负载供能；当Vl≥Vr时，即左舷供电系统输出电压高于右舷供电系统输出电压；此时连接左舷直流母线的二极管导通，连接右舷直流母线的二极管截止，...

【专利技术属性】
技术研发人员：乌云翔，蔡宁，郭鹏，邵诗逸，岳凡，常国梅，高双建，
申请(专利权)人：上海融和智电新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：