船舶电池系统供配电装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种船舶船舶电池系统供配电技术，特别涉及一种船舶电池系统供配电装置及其控制方法。

背景技术：

随着国家对环境保护的重视，以及电池技术和船舶直流组网技术的不断完善，推动了新能源船舶市场的大力发展。正常使用情况下，船舶电池动力系统表现优良，具有较好的操纵性、维护方便、经济性好、污染物排放少等优点。

目前，典型的船舶电池组方案1由10个电池包串联组成，单电池包由20个电池单体串联组成，电池组电压640伏，电池组功率约为150kwh；典型的船舶电池组方案2由20个电池包串联组成，单电池包由10个电池单体组成串联组成，电池组电压640伏，电池组功率约为150kwh。典型船电池系统由2～50组电池组，共300～7500kwh电量

在一些情况下：情况一、出现电池单体故障，旁路该电池单体，该电池组总电压低于其他电池组；情况二、因为电池一致性问题，导致各电池组的电压不一致；情况三、出现电池包故障，旁路该电池包，该电池组总电压低于其他电池组；情况四、某一电池组电荷状态soc与其他电池组电荷状态soc有一定的差值，导致该电池组电压低于其他电池组；情况五、当电池组内电池发生过流、温度高、压差过大和温差过大等情况时，只能直接断开充电直流接触器和放电直流接触器；上述情况一至四将直接导致电池组电压低于其他电池组时无法接入船舶直流电网，如果强性接入可能对电池和电池组保护元器件造损伤，还有极端情况将可能造成船舶直流电网失电。情况五的发生将导致船舶失去一组电池组。

技术实现要素：

本发明是针对现有船舶电池组并入船舶直流电网运行时存在的问题，提出了一种船舶电池系统供配电装置及其控制方法，在情况一和情况二的情况下，各电池组的电荷状态soc基本保持一致，各电池组剩余功率大致相等，各电池组通过供配电模块进行按恒流模式运行，一起放电直至最低放电状态(soc＝10％)；在情况三和情况四的情况下，各电池组电荷状态soc有一定的差值，各电池组剩余功率不相等，各电池组通过供配电模块按不均衡模式运行，各电池组按电流比例进行放电，保证基本同时到达最低放电状态soc＝10％；情况五下，当发生过流、温度高、压差过大和温差过大的一级和二级报警值时则进入限流模式，供配电模块采用降低电流输出的方法主动抑制过流、温度高、压差大和温差大等情况的进一步发生，如有好转则退出限流模式，如无好转且超过三级报警值时供配电模块控制分开充电直流接触器和放电直流接触器。

本发明的技术方案为：一种船舶电池系统供配电装置，包括一个主控制器和与电池组相同个数的供配电模块，船舶直流电网与若干个电池组之间通过船舶电池系统供配电装置连接；

主控制器接收船舶直流电网的能量管理系统的电池系统控制信号，主控制器输出控制模式信号到各个供配电模块，主控制器将电池系统运行状态和各电池组信息发送给能量管理系统，能量管理系统用来调度船舶直流电网；

每个供配电模块包括双向直流变换器、模块控制器、充电直流接触器、放电直流接触器、负极直流接触器、两个二极管、两个快速熔断器、两路电压采集传感器和一路电流采集传感器；船舶直流电网与每个电池组之间通过双向直流变换器连接，船舶直流电网正极与双向直流变换器正极之间串连正极快速熔断器、放电直流接触器和充电直流接触器，放电直流接触器和充电直流接触器两端并联单向二级管，船舶直流电网负极与双向直流变换器负极之间串连负极快速熔断器、负极直流接触器；供配电模块的模块控制器接收两个电压传感器采集的船舶直流电网端电压和电池组端电压信号，接收流入供配电模块的电流传感器的信号，供配电模块中的模块控制器控制充电直流接触器、放电直流接触器和负极直流接触器的分合闸来控制船舶直流电网与各个电池组之间的供电状态。

所述船舶电池系统供配电装置，主控制器采用冗余的电源供电，主控制器与船舶直流电网的能量管理系统之间有通讯和硬线接口，主控制器与能量管理系统之间采用profinet通讯，主控制器和各个供配电模块之间有通讯和硬线接口，供配电模块中的模块控制器和双向直流变换器、电池包的信号采集元进行通讯，通讯协议为can通讯协议。

所述船舶电池系统供配电装置的控制方法，主控制器接收来自能量管理系统的控制信号，转化电池系统运行模式，任意电池组接入或脱离船舶直流电网前，主控制器控制模块控制器启动调整功能，将设定电池系统输出电压值vf和船舶直流电网电压值保持一致，然后模块控制器控制充电直流接触器或放电直流接触器合或分闸，将电池组并入或脱离船舶直流电网；

模块控制器从主控制器得到给定期望输出电压值vf或者根据电压-功率曲线换算出给定期望输出电流值if；供配电模块电压调整：电容电压为vc，对应电池组电压为vb，输出至船舶直流电网的总电压为vt，vt＝vb+vc，通过双向直流变换器调整vc，保证vt值和vf值保持一致；电流调整：电流采集传感器采集电流为it，比较if和it后调整双向直流变换器输出vc。

所述船舶电池系统供配电装置的控制方法，主控制器控制调整包括恒流模式和不均衡模式：各个电池组的之间电荷状态偏差值未超出所设定的偏差阈值时，电池组并入船舶直流电网后，则主控制器处于恒流模式，主控制器发送恒流模式指令给各供配电模块，各供配电模块采用电压调整模式，所有供电配模块根据电压-功率下垂曲线调整电压；各个电池组的之间电荷状态偏差值超出所设定的偏差阈值时，则主控制器处于不均衡模式时，10％为最低允许放电soc值，主控制器读取各电池组当前电荷状态值和对应的各供配电模块的电流采集信号，获取最大socmax对应的电池组号，最大的socmax值电池组对应的供配电模块采用电压-功率下垂曲线调整电压，最大的socmax值电池组对应供配电模块电流为imax，其余供配电模块采用电流调整，调整对应供配电模块n的给定期望输出电流值，供配电模块n的输出期望电流值ifn＝imax*(socn-10％)/(socmax-10％)，其中socn为第n组电池组的当前电荷状态值。

所述船舶电池系统供配电装置的控制方法，当某一电池组内电池组过流、单体过温、压差过大和温差过大且超过一级报警值和二级报警值时，该电池组进入限流模式，该电池组对应的模块控制器按一级报警限流值a1和二级报警限流值a2来调整供配电模块的给定期望输出电流值if，并控制双向直流变换器进行执行；该模块控制器将一级报警状态和二级报警状态发送给主控制器，如果该组电池处于一级和二级报警状态，主控制器将不再对该组电池进行调配；如果经过限流控制后，该电池组过流、单体过温、压差过大和温差过大且小于一级警值时，则退出限流模式；如果经过限流后任然超过了三级报警值，则该模块控制器分断充电直流接触器或放电直流接触器，该电池组退出运行。

所述船舶电池系统供配电装置的控制方法，模块控制器通过控制信号线采集对应电池组内每个电池的温度和电压信号，通过温度和电压判断电池过温、过充和过放情况，电池过温时充电直流接触器或放电直流接触器进行跳闸保护，电池过充时充电直流接触器进行跳闸保护，电池过放时放电直流接触器进行跳闸保护；模块控制器获取电流采集传感器采集电流信号，该电流大于充电保护设定值时，充电直流接触器进行跳闸保护，该电流大于放电保护设定值时，放电直流接触器进行跳闸保护；负极直流接触器在充电直流接触器或者放电直流接触器失灵时进行跳闸保护；模块控制器估算对应电池组的soc值。

本发明的有益效果在于：本发明船舶电池系统供配电装置及其控制方法，通过发明装置和控制方法，保证电池组可靠和平滑进入船舶直流电网；在电池单体故障和电池组一致差的情况下，通过本发明装置和控制方法有效均衡各个电池组之间的放电电流；当电池包故障或各电池组soc相差较大的情况下，通过本发明装置和控制方法按比例进行放电；当电池组发生过流、过温、压差大和温差大故障时，可以通过分级限流来控制上述故障的发展；上述功能可以有效保证船舶电池系统的安全性、可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明船舶电池系统供配电装置示意图；

图2为本发明船舶电池系统供配电装置中供配电模块结构示意图；

图3为本发明船舶电池系统供配电装置供配电模块电压-功率下垂曲线图。

具体实施方式

如图1所示船舶电池系统供配电装置示意图，船舶电池系统供配电装置包括一个主控制器和与电池组相同个数的供配电模块。船舶直流电网与若干个电池组之间通过船舶电池系统供配电装置连接。

(1)主控制器的具体实施：

主控制器采用具有高速处理能力的控制器，主控制器采用冗余的电源供电，主控制器与船舶直流电网的能量管理系统之间有通讯和硬线接口，主控制器和各个供配电模块之间有通讯和硬线接口。

主控制器与能量管理系统之间采用profinet通讯,通讯数据包含：

a)控制信号(能量管理系统至主控制器)：电池系统启动、电池系统停止、急停、通讯心跳信号、故障复位、运行模式、直流电网电压；

b)状态信号(主控制器至能量管理系统)：遥控模式、通讯心跳信号、充电允许电流值(模拟量)、放电允许电流值(模拟量)、充电允许、放电允许、准备就绪、电池组运行、通用报警、通用故障、电池系统电量低报警。

c)电池组信息(主控制器至能量管理系统)：电池组[n]电压，电池组[n]电流，电池组[n]soc值，电池组[n]soh值，电池组[n]平均电压，电池组[n]最高电压，电池组[n]最低电压，电池组[n]单体平均温度，电池组[n]单体最高温度，电池组[n]单体最低温度。[n]对应电池组数。

主控制器接收来自能量管理系统的控制信号，用来启停电池系统和转化电池系统运行模式。主控制器将电池系统运行状态和各电池组信息发送给能量管理系统，能量管理系统用来调度船舶直流电网。

(2)供配电模块的具体实施：

如图2所示供配电模块结构示意图，每个供配电模块包括双向直流变换器、模块控制器、电容、充电直流接触器、放电直流接触器、负极直流接触器、两个二极管、两个快速熔断器、两路电压采集传感器和一路电流采集传感器。船舶直流电网与每个电池组之间通过双向直流变换器连接，船舶直流电网正极与双向直流变换器正极之间串连快速熔断器、放电直流接触器、充电直流接触器，放电直流接触器和充电直流接触器两端并联单向二级管，保证双向直流调节；船舶直流电网负极与双向直流变换器负极之间串连快速熔断器、负极直流接触器；供配电模块的模块控制器接收两个电压传感器采集的船舶直流电网端电压和电池组端电压信号，接收流入供配电模块的电流传感器的信号，电压和电流传感器采用霍尔传感器。供配电模块中的模块控制器控制充电直流接触器、放电直流接触器和负极直流接触器的分合闸来控制船舶直流电网与电池组之间的供电状态。

供配电模块中的模块控制器和双向直流变换器、电池包的信号采集元进行通讯，通讯协议为can通讯协议。

供配电模块中的模块控制器和双向直流变换器主要通讯数据：控制字、状态字、报警字，故障字，运行模式，输入直流电压，输入直流电流，输出直流电压，输出直流电流，模块温度。

供配电模块中的模块控制器和电池包的信号采集元主要通讯数据：电池温度、电池电压、均衡控制、状态指示。

双向直流变换器采用隔离型双向直流变换器，具有过载过流和短路保护。

(3)恒流模式的具体实施：

所有供配电模块采用如图3所示下垂特性曲线，电压随着功率(电流)的增大而减小，保证电池系统内电池组经过供配电模块后输出的电流相等。典型的下垂特性曲线设置为5％，本发明实施例船舶直流电网电压额定值为1000vdc时，满载情况下，供配电模块输出950vdc(此时船舶直流电网电压也为950vdc)。

(4)不平衡模式的具体实施：

本发明实施例电池组为5组，当前电池组soc1＝90％，soc2＝80％，soc3＝80％，soc4＝65％，soc5＝40％，soc1为最大值，对应采用供配电模块1为电压调整模式，供配电模块1按电压-功率(电流)下垂曲线调整电压，soc1对应的电流为imax，则供配电模块2为电流调整模式，电流设定值按if2＝imax*(80％-10％)/(90％-10％)设定,依次类推；

(5)限流模式的具体实施：

本发明实施例中单个电池组具体参数：电池为磷酸铁锂电池，额定充放电电流为200a，电池组电压为640v，电池单体数量为200个，电池单体电压为3.2v，共20个电池包。

电池组充放电电流三级报警值分别为：220a，240a，250a。两级限流值分别为：200a，100a。到达250a则控制相应直流接触器分闸。

电池单体温度三级报警值分别为：55℃，60℃，65℃。两级限流值分别为：100a，50a。到达65℃则控制相应直流接触器分闸。

单体温度温差过大三级报警值分别为：10℃，15℃，20℃。两级限流值分别为：100a，50a。到达20℃则控制相应直流接触器分闸。

单体电压压差过大三级报警值分别为：0.1v，0.15v，0.2v。两级限流值分别为：100a，50a。到达0.2v则控制相应直流接触器分闸。

主控制器接收来自能量管理系统的控制信号，转化电池系统运行模式，任意电池组接入或脱离船舶直流电网前，主控制器控制模块控制器启动调整功能，将设定电池系统输出电压值vf和船舶直流电网电压值保持一致，然后模块控制器控制充电直流接触器和放电直流接触器合或分闸，将电池组并入或脱离船舶直流电网。

供配电模块具有电压和电流调整功能,通过模块控制器给定期望输出电压值vf或根据电压-功率曲线换算出给定期望输出电流值if至供配电模块；电压调整功能：电容电压为vc，对应电池组电压为vb，输出至船舶直流电网的总电压为vt，vt＝vb+vc，通过双向直流变换器调整vc，保证vt值和vf值保持一致；电流调整功能：电流采集传感器采集电流为it，比较if和it后调整双向直流变换器输出vc，vt相应变化后达到调整电流的目的。

主控制器控制功能具有恒流模式和不均衡模式。各个电池组的之间电荷状态偏差值未超出所设定的偏差阈值时，电池组并入船舶直流电网后，则主控制器处于恒流模式，主控制器发送恒流模式指令给各供配电模块，各供配电模块采用电压调整模式，所有供电配模块根据电压-功率(电流)下垂曲线调整电压；各个电池组的之间电荷状态偏差值超出所设定的偏差阈值时，则主控制器处于不均衡模式时，10％为最低允许放电soc值(当soc＝0时表示电池放电完全，当soc＝1时表示电池完全充满)，主控制器读取各电池组当前电荷状态值socn(soc1对应电池组1，依次类推)和各供配电模块的电流采集信号itn(it1对应供配电模块1，依次类推)，获取最大socmax对应的电池组号，最大的socmax值电池组对应的供配电模块采用电压-功率(电流)下垂曲线调整电压，最大的socmax值电池组对应供配电模块电流为imax，其余供配电模块采用电流调整，输出期望电流值ifn＝imax*(socn-10％)/(socmax-10％)调整对应供配电模块n的给定期望输出电流值。

当某一电池组内电池组过流、单体过温、压差过大和温差过大超过一级报警值和二级报警值时，该电池组进入限流模式，该电池组对应的模块控制器按一级报警限流值a1和二级报警限流值a2来调整供配电模块的给定期望输出电流值if，并控制双向直流变换器进行执行；该模块控制器将一级报警状态和二级报警状态发送给主控制器，如果该组电池处于一级和二级报警状态，主控制器将不再对该组电池进行调配；如果经过限流控制后，该电池组过流、单体过温、压差过大和温差过大小于一级警值时，则退出限流模式；如果经过限流后任然超过了三级报警值，则该模块控制器分断充电直流接触器或放电直流接触器。

模块控制器通过控制信号线采集对应电池组内每个电池的温度和电压信号，通过温度和电压判断电池过温、过充和过放等情况，电池过温时充电直流接触器或放电直流接触器进行跳闸保护，电池过充时充电直流接触器进行跳闸保护，电池过放时放电直流接触器进行跳闸保护；模块控制器获取电流采集传感器采集电流信号，该电流大于充电保护设定值时，充电直流接触器进行跳闸保护，该电流大于放电保护设定值时，放电直流接触器进行跳闸保护；负极直流接触器在充电直流接触器或者放电直流接触器失灵时进行跳闸保护；模块控制器估算对应电池组的soc值；

双向直流变换器采用隔离型双向直流变换器，具有过载过流和短路保护。