一种基于自组态式动力电池混合动力船舶的测试装置的制造方法
【专利摘要】本发明披露一种基于自组态式动力电池混合动力船舶电力推进测试装置，包括动力源、操控装置、推进测试传动系统；推进测试传动系统采用双电机刚性轴联方式；动力源由两套柴?电机组、自组态式动力电池组以及太阳能光伏电池组成；两套柴?电机组连接到交流母线，交流母线通过AC/DC变换器连接直流母线；自组态式动力电池组由多个动力电池组模块组成，多个电池组模块连接电池组合控制器；操控装置包括触摸屏、可编程控制器、嵌入式工业控制计算机、通信模块；电池组合控制器按组态要求实现串并联组合，具有自动调节并联电池模块电压均衡的能力。该测试装置为柴电?光伏?动力电池混合动力船舶进行动力配置、节能减排以及船舶续航能力的提供测试环境。
【专利说明】
一种基于自组态式动力电池混合动力船舶的测试装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种混合动力船舶测试装置，尤其涉及动力电池可以串并联自由组态 的混合动力船舶的测试装置的架构及试验方法。
【背景技术】
[0002]船舶污染在海洋环境污染中占有相当大的比例，而且船舶排放物对环境的污染日 趋严重，也成为各城市PM2.5的主要来源之一。船舶混合动力技术是一种新型的船舶技术， 是船舶动力发展的新方向，能极大地缓解能源、环境问题。混合动力船舶推进系统能充分利 用柴电、风能、太阳能及动力电池的储能，可节约燃油、降低营运成本，是很有发展前景的船 舶能源综合优化利用系统，也是船舶节能减排领域的研究热点。这种新型环保型推进系统 在注重提高经济性的同时，更注重对环境的保护，有效降低航行和停泊时所带来的燃油、废 气和噪声等污染，近年来国内外厂家和研究机构在混合动力船舶的研制方面不断取得新进 展。在实际应用中，为了能提高混合动力船舶的续航里程和航行安全性，通常配置柴-电机 组和动力电池两种主要动力能源，并以太阳能光伏电池作为辅助能源。 该测试装置主要用于柴电-光伏-动力电池混合动力船舶研究与设计中进行动力源配 置、动力性能以及续航能力测试的装置，为新能源船舶的研发、制造和改造提供试验技术手 段，验证新能源配置的合理性、船舶动力系统的续航能力。为了能够满足船舶各种推进功率 测试需求，本发明提出了一种基于自组态式动力电池的测试装置。
【发明内容】
为了验证或测试新能源船舶的能源配置、动力性能以及续航能力等问题，本发明提出 了一种基于自组态式动力电池混合动力船舶电力推进测试装置。该测试装置由三大部分组 成:动力源、操控装置、推进测试传动系统。 动力源由两套柴-电机组、自组态式动力电池组以及太阳能光伏电池组成。其中，两套 柴-电机组连接到交流母线，交流母线输出交流电通过AC/DC变换器变成直流，送给直流母 线。自组态式动力电池组由多个动力电池组模块组成，这些电池组模块通过电池组合控制 器实现串并联任意组合，满足各种功率的混合动力船舶的测试需要。电池组合控制器连接 到双向DC-DC转换器，双向DC-DC转换器输出接入直流母线;直流母线作为系统电源供给传 动系统。太阳能光伏电池也通过双向DC-DC转换器接入直流母线。
[0004]动力电池组的各个模块独立连接到电池组合控制器，电池组合控制器不仅能按组 态要求实现串并联组合，还具有自动调节并联电池模块电压均衡的能力。电池组合控制器 由可编程逻辑控制器(PLC)、接触器、开关、大功率晶闸管等组成。电池组合控制器中的控制 逻辑功能都由PLC来实现，当系统采用两组动力电池组进行组合时，以两组电池组为例，具 体实现如下： (1)每一组动力电池组串联一个大功率晶闸管，晶闸管安装在电池组的负端，利用晶闸 管的反向截止功能可以防止电池组之间电压不均衡而导致的环流； (2) 两组电池组之间安装1个双位开关，该双位开关有3个接线点，1个接线点与第二组 电池组的正极连接，第2个接线点也与第一组电池组的正极连接，第3个接线点与第一组电 池组上串联的晶闸管正向连接。第2、3接线点也是双位开关的两个位置点，其中一个位置为 串联位置，另一个位置为并联位置。与电池组串联的晶闸管之间安装1个接触器，这个接触 器两端与两个晶闸管的正向连接。每一个晶闸管的正向端又分别安装了 1个开关，两个开关 的下端又与双向DC-DC转换器的负极连接在一起，第一组电池组的正极与双向DC-DC转换器 的正极相连。 (3) 将双位开关置于并联位置，接触器接通，两个开关任意一个闭合，此时，两组电池组 实现了并联状态;将双位开关置于串联位置，接触器断开，与第二组电池组串联的晶闸管连 接的开关闭合，与第一组电池组串联的晶闸管连接的开关断开，此时，两组电池组实现了串 联状态。 (4) 上述接触器的通断、双位开关的位置切换、开关的闭合断开，均由PLC进行逻辑控 制。
[0005]电池组合控制器最终输出为直流，其正负两端接入双向DC-DC转换器的输入端正 负极，再由双向DC-DC转换器输出供到直流母线上。根据双向DC-DC转换器对动力电池组进 行能量输入输出切换。由双向DC-DC转换器向电池组合控制器发出串并联命令。
[0006]操控装置的控制台采用现场总线和触摸屏技术，相比传统的按钮式控制台，具有 线路简单、通信可靠、可扩展性强、操作简单、以及参数显示形象直观等特点。操控装置的控 制单兀米用PLC、工控机和通彳目模块。
[0007] 推进测试传动系统采用双电机刚性轴联方式，两台电机的联轴之间安装扭矩传感 器，检测推进转矩。其中一台电机为交流异步变频电机，另一台为同步电机。两台在变频器 控制下，可以四象限运行，既可以作为推进螺旋桨的驱动电机，又可以作为模拟螺旋桨的负 载电机，通过操控装置设置电机运行方式。
【附图说明】
[0008] 图1是本发明基于自组态式动力电池混合动力船舶的测试装置系统结构图； 图2是本发明两组电池组串并联组合示例图； 图3是本发明三组电池组串并联组合示例图； 图4是本发明多组电池组串并联组合示例图； 图5是本发明操控装置结构图； 图6是本发明推进测试传动系统结构图；
【具体实施方式】
[0009] 本发明的目的在于提供一种混合动力船舶试验系统及试验方法。该试验系统架构 由三大部分组成:动力源、操控装置、传动系统。结构图如图1所示，箭头表示能量流动方向。 动力源由3部分组成:两套柴油发电机组、动力电池组和太阳能光伏电池。
[0010] 柴油发电机组主要是为混合动力系统提供恒压恒频交流电。
[0011] 两组动力电池组连接到电池组合控制器，电池组合控制器包括了可编程逻辑控制 器(PLC)、接触器、开关、大功率晶闸管等器件。 (1) 测试对象要求供电电压较高，并且具有大功率需求的船舶对象时，如拖轮或轮渡 船，双向DC-DC转换器发出命令，动力电池组串联工作：双位开关置于串联位置，接触器断 开，开关1断开，开关2接通。 (2) 测试对象要求供电电流较高，并且具有较长的续航里程的船舶对象时，如公务艇、 执法艇，双向DC-DC转换器发出命令，动力电池组并联工作:双位开关置于并联位置，接触器 接通，开关1或开关2接通。 (3) -般测试对象时，双向DC-DC转换器不发出要求电池组串并联命令，动力电池组一 用一备工作:双位开关置于任意位置，接触器断开，开关1接通，开关2断开，电池组1工作，电 池组2备用；双位开关置于并联位置，接触器断开，开关1断开，开关2闭合，电池组2工作，电 池组1备用。
[0012] 操控装置由控制台采用触摸屏实现操控与监测，利用触摸屏显示运行参数与状 态。为确保本装置在紧急状态下的安全性和可靠性，应急停止按钮等关键信号采用常规的 按钮。操控装置的主控制器由可编程控制器(PLC)、嵌入式工业控制计算机、通信模块等组 成。操控装置结构示意图如图3所示。触摸屏替代了传统的仪表、指示灯及部分按钮，此外， 以可视化形式显示系统控制网络结构、运行参数趋势图、电池剩余电荷等混合动力系统相 关信息。PLC主要实现系统的逻辑控制，如接入太阳能光伏电池等。嵌入式工控机主要用于 监视系统、提供测试负载及设定负载。通信模块主要用于PLC、嵌入式工控机和动力系统建 立数据通信链路。
[0013] 推进测试传动系统采用两电机联轴方式，如图4所示，其中一侧为交流异步变频电 机，另一侧为同步电机。两电机机械连接，并在轴上都安装扭矩传感器。分别使用变频器来 实现两电机的控制。通过开关可以切换电源，系统电源表示来自混合动力系统的电源，通常 在进行系统测试时，驱动电机用系统电源，而负载电机用市电。这两种电机既可以作驱动电 机，又可以作负载电机，可以满足混合动力船舶的不同驱动电机的测试。
[0014] 该实验系统具有多种供电模式下的实验测试功能： 1) 动力电池独立供电（纯电动)模式下，并由嵌入式工控机给定一段时间内的船舶螺旋 桨负载，分别测试电池组在串并联模式下的供电能力，并给出相应的测试结果。 2) 柴-电机组独立供电模式下，并由嵌入式工控机给定一段时间内的船舶螺旋桨负载， 在两套柴电机组单独运行、并网、解列的动态过程中，测试柴-电机组的供电能力，并给出相 应的测试结果。 3) 太阳能光伏电池和动力电池混合供电模式下，并由嵌入式工控机给定一段时间内的 船舶螺旋桨负载，测试太阳能光伏电池的供电能力，以及评估动力电池在光伏电池充电情 况下的供电能力。 4) 柴-电机组和动力电池混合供电模式下，由嵌入式工控机给定一段时间内的船舶螺 旋桨负载，并以降低柴-电机组使用为目标的前提下，测试动力电池和柴-电机组的混合供 电能力。 5) 柴-电机组、动力电池和太阳能光伏电池混合供电模式下，由嵌入式工控机给定一段 时间内的船舶螺旋桨负载，并以降低柴-电机组使用为目标的前提下，测试柴-电机组、动力 电池和太阳能光伏电池混合供电能力。
[0015] 供电能力计算如下： 1) 动力电池供电：设定电池的基本参数为ue(单位:伏），Ι?(单位:安时），电池的放电 效率为η(常量），因此，负载为Pt的情况下，供电能丈
（单位:小时）。 2) 柴-电机组供电:通常船用柴-电机组输出功率与燃油消耗率成正比，设定柴-电机组 油箱容积为V(单位:升），负载为Pt的情况下，柴-电机组的燃油消耗率为1(单位:升/小时）， 因此，其供电能力△,.=+(单位:小时）。 3) 太阳能光伏电池在接入系统时已作为稳压处理，因此也可以作为较小功率的动力电 池来看待。其供电能力计算方法可参考1)。 4) 负载功率其中，nL为负载电机的转速，可通过通信模块从变频器中获取，T % 50 也可通过通信模块从扭矩传感器获取。
[0016]该测试装置的测试结果包括:上述供电模式下的供电能力（续航能力）、驱动电机 (异步电机或同步电机)的动态特性(转矩、转速、电流、电压及功率数据）。其中转矩T可由扭 矩传感器测得;驱动电机转速(n)、电流(I)、电压(V)、功率(P)，可通过通信模块从变频器获 取。
【主权项】
1. 一种基于自组态式动力电池混合动力船舶电力推进测试装置，包括动力源、操控装 置、推进测试传动系统;推进测试传动系统采用双电机刚性轴联方式，两台电机的联轴之间 安装扭矩传感器，检测推进转矩，其中一台电机为交流异步变频电机，另一台为同步电机； 两台电机分别在异步电机变频器和同步电机变频器控制下作四象限运行，既可W作为推进 螺旋奖的驱动电机，又可W作为模拟螺旋奖的负载电机，通过操控装置设置电机运行方式； 动力源由两套柴-电机组、自组态式动力电池组W及太阳能光伏电池组成;两套柴-电机组 连接到交流母线，交流母线通过AC/DC变换器连接直流母线；自组态式动力电池组由多个动 力电池组模块组成，所述多个电池组模块连接电池组合控制器；电池组合控制器连接到双 向DC-DC转换器，双向DC-DC转换器的输出接入直流母线;直流母线作为系统电源供给传动 系统，太阳能光伏电池也通过双向DC-DC转换器接入直流母线;操控装置包括触摸屏、可编 程控制器、嵌入式工业控制计算机、通信模块、W及应急停止按钮;触摸屏、可编程控制器、 嵌入式工业控制计算机、扭矩传感器、异步电机变频器、同步电机变频器、两套柴-电机组、 自组态式动力电池组W及太阳能光伏电池连接通信模块;触摸屏显示运行参数与状态W及 电池剩余电荷;嵌入式工控机提供测试负载及设定负载;其特征在于:动力电池组的各个模 块独立连接到电池组合控制器，电池组合控制器具有自动调节并联电池模块电压均衡的能 力；电池组合控制器包括可编程逻辑控制器、接触器、开关、大功率晶闽管；电池组合控制器 中的控制逻辑功能都由PLC实现，每一个动力电池组模块串联一个大功率晶闽管，晶闽管安 装在电池组的负端，利用晶闽管的反向截止功能防止电池组之间电压不均衡而导致的环 流;其中首个动力电池组模块的正极与双向DC-DC转换器的正极相连;相邻的两组电池组第 一电池组和第二电池组之间安装1个双位开关，所述双位开关有3个接线点，第1个接线点与 第二电池组的正极连接，第2个接线点也与第一电池组的正极连接，第3个接线点与第一组 电池组上串联的晶闽管正向连接;第2、3接线点也是双位开关的两个位置点，其中一个位置 为串联位置，另一个位置为并联位置;与电池组串联的相邻晶闽管之间安装1个接触器，所 述接触器两端与两个晶闽管的正向连接;每一个晶闽管的正向端又分别安装了 1个开关，两 个开关的下端又与双向DC-DC转换器的负极连接在一起。2. -种使用如权利要求1所述的基于自组态式动力电池混合动力船舶电力推进测试装 置的混合动力船舶电力推进测试方法，其特征在于测试异步电机和/或同步电机的转矩、转 速、电流、电压及功率、W及W下模式的供电能力： 动力电池独立供电模式下，由嵌入式工控机给定一段时间内的船舶螺旋奖负载，分别 测试电池组在串并联模式下的供电能力，供电能力计算如下:设定电池的基本参数为Ue(单 位:伏），Ieh(单位:安时），电池的放电效率为!!(常量），因此，负载为Pt的情况下，供电能力单位:小时）； 柴电机组独立供电模式下，由嵌入式工控机给定一段时间内的船舶螺旋奖负载，在两 套柴电机组单独运行、并网、解列的动态过程中，测试柴电机组的供电能力，供电能力计算 如下：因为船用柴-电机组输出功率与燃油消耗率成正比，设定柴-电机组油箱容积为V(单 位:升），负载为Pt的情况下，柴-电机组的燃油消耗率为1(单位:升/小时），因此，其供电能 力4 =^(单位:小时）；太阳能光伏电池和动力电池混合供电模式下，由嵌入式工控机给定 一段时间内的船舶螺旋奖负载，测试太阳能光伏电池的供电能力，供电能力计算同动力电 池模式的计算； 柴电机组和动力电池混合供电模式下，由嵌入式工控机给定一段时间内的船舶螺旋奖 负载，并W降低柴电机组使用为目标的前提下，测试动力电池和柴电机组的混合供电能力； 柴电机组、动力电池和太阳能光伏电池混合供电模式下，由嵌入式工控机给定一段时 间内的船舶螺旋奖负载，并W降低柴电机组使用为目标的前提下，测试柴电机组、动力电池 和太阳能光伏电池混合供电能力； 负载功率，其中，nL为负载电机的转速，通过通信模块从变频器中获取，T也通 过通信模块从扭矩传感器获取。
【文档编号】G01R31/36GK105974322SQ201610300658
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】高迪驹, 刘志全, 王天真, 顾伟
【申请人】上海海事大学