基于单向升压DCDC半主动结构的新能源船舶电源系统的制作方法

基于单向升压dcdc半主动结构的新能源船舶电源系统
技术领域
1.本实用新型涉及一种基于单向升压dcdc半主动结构的新能源船舶电源系统。


背景技术：

2.随着双碳目标的提出，越来越多的消费者优先选择使用以新能源为动力的产品，船舶行业也不例外。
3.目前无论是以燃料电池供能为主的新能源船舶，还是纯电动的新能源船舶，动力电源一般都离不开锂电池。一般锂电池的选择上，客户可以根据使用情况，选择能量型的电池或者功率型的电池，相比能量型的电池，功率型的电池可以短时输出更大的能力，为船舶提供良好的动力性。但是，该方案有以下几个缺点：
4.第1，能量型的电池通常难以满足船舶大功率的动力输出，尽管功率型的电池能在短时间输出较大电流，但是如果碰到特殊工况，其输出电流还是不够大；
5.第2，经常性的大功率放电，对于动力电池有不可逆的损伤；
6.第3，功率型的电池价格太高。


技术实现要素：

7.本实用新型提供一种基于单向升压dcdc半主动结构的新能源船舶电源系统，本实用新型不但保护了锂离子电池，而且还满足了新能源船舶短时大功率输出。
8.基于单向升压dcdc半主动结构的新能源船舶电源系统，包括：
9.为新能源船舶提供第一直接电力源的超级电容；
10.为新能源船舶提供第二直接电力源的锂离子电池；
11.在超级电容电压低于锂离子电池系统时为超级电容补充电能的单向升压dcdc，单向升压dcdc的输入端与锂离子电池电连接，单向升压dcdc的输出端与超级电容电连接；
12.防止超级电容给锂离子电池充电的防反二极管，防反二极管分别连接锂离子电池正极和超级电容正极。
13.在少数情况下，当超级电容放电量较大时，锂离子电池可以通过防反二极管，直接给新能源船舶提供电源，这样既满足了新能源船舶短时大功率输出，还保护了锂离子电池系统的安全。该结构通过升压dcdc由锂离子电池系统给超级电容充电，保障超级电容经常性电力充足。
14.本实用新型的优点为：
15.1.支持大功率放电，船舶动力性好；
16.2.对锂电池系统多了一层保护，能尽量延长其使用时间；
17.3.整体成本较低。
附图说明
18.图1为基于单向升压dcdc半主动结构的新能源船舶电源系统方框图；
19.图2为单向升压dcdc的电路原理图。
具体实施方式
20.下面结合附图1至2和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
21.本实用新型的基于单向升压dcdc半主动结构的新能源船舶电源系统，包括：为新能源船舶提供第一直接电力源的超级电容；为新能源船舶提供第二直接电力源的锂离子电池；在超级电容电压低于锂离子电池系统时为超级电容补充电能的单向升压dcdc，单向升压dcdc的输入端与锂离子电池电连接，单向升压dcdc的输出端与超级电容电连接；防止超级电容给锂离子电池充电的防反二极管，防反二极管分别连接锂离子电池正极和超级电容正极。
22.超级电容是新能源船舶的第一直接电力源。在传统的电容器中，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上，造成电荷的累积储存，储存的电荷量则称为电容。超级电容的原理是插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层，它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。超级电容没有传统的电介质,而是使用绝缘体隔开。这个绝缘层可以让电解液中的正负离子通过。该电解液本身不能传导电子。所以当充电结束后，电容器内部不会发生漏电(电子不会从一极流向另外一极)。当放电的时候，电极上的电子通过外部电路从一极流向另外一极。结果是电极与电解液中的离子吸附显著降低。从而使电解液中的正负离子重新均匀分布开来。正是基于这样的工作原理，因此超级电容拥有寿命长、每周期的成本低、可逆性好、充电和放电效率高、非常低的内部电阻、高周期效率(95％以上)、高输出功率、功率密度高并且一般采用腐蚀性较低，或无腐蚀性的中性电解质，提高了使用和储存的安全性。因此当超级电容作为第一直接电力源的情况下，由其供电的新能源船舶可以瞬时输出高功率而拥有良好的操控能力，并且还不用担心对动力源造成不可逆的损坏。
23.锂离子电池是新能源船舶的第二直接电力源，其在超级电容电量释放完毕后，如果新能源船舶还需要持续的动力运行，锂离子电池系统在电源管理系统的监控下，优先为新能源船舶提供动力，在输出能力还有富裕的情况下为超级电容充电，直至将超级电容充满为止。这样的管理策略好处在于保障锂离子电池系统的输出持续稳定，有利于电池使用安全和使用寿命的延长。
24.单向升压dcdc包括储能电容c1以及至少第一升压电路，该第一升压电路包括第一储能电感l1、第一稳压管q2和第一开关管q6，第一储能电感l1的一端与锂离子电池的正极端连接，第一储能电感l1的另一端与第一稳压管q2的一端连接，第一稳压管q2的另一端与储能电容c1的一端连接，储能电容c1的另一端与锂离子电池正极端连接，第一开关管q6的一端与第一储能电感l1的另一端连接，第一开关管q6的另一端与锂离子电池的负极端连接。
25.单向升压dcdc还包括第二升压电路，该第二升压电路包括第二储能电感l2、第二稳压管q3和第二开关管q5，第二储能电感l2的一端与锂离子电池的正极端连接，第二储能电感l2的另一端与第二稳压管q3的一端连接，第二稳压管q3的另一端与储能电容c1的一端连接，第二开关管q5的一端与第二储能电感l2的另一端连接，第二开关管q5的另一端与锂离子电池的负极端连接。
26.单向升压dcdc还包括第三升压电路，该第三升压电路包括第三储能电感l3、第三稳压管q1和第三开关管q4，第三储能电感l3的一端与锂离子电池的正极端连接，第三储能电感l3的另一端与第三稳压管q1的一端连接，第三稳压管q1的另一端与储能电容c1的一端连接，第三开关管q4的一端与第三储能电感l3的另一端连接，第三开关管q4的另一端与锂离子电池的负极端连接。
27.单向升压dcdc还包括保险丝f以及开关s1，保险丝f的一端与储能电容c1的一端连接，保险丝f的另一端与开关s1连接，开关s1的另一端与储能电容c1的另一端连接。
28.单向升压dcdc，是本实用新型的核心。当超级电容电压低于或明显低于锂离子电池系统时，单向升压dcdc通过图2所示的电路，为超级电容补充电能。由于该过程中充电电流比较大，为保障充电效率及设备安全，单向升压dcdc优先使用了三个等效的升压电路进行分流。
29.由于三个等效的升压电路完全相同，因此以第一升压电路为例说明工作过程。当第一开关管q6导通时，第一稳压管q2及后续电路处于短路状态，锂离子电池为第一储能电感l1充电，当第一开关管q6断开时，第一储能电感l1形成与锂离子电池系统方向相同的电势，两个电势叠加形成更多的电压为储能电容c1及外部负载供电，这也是该电路电压能上升的根本原因。这样在第一开关管q6、第二开关管q5、第三开关管q4的导通和截止的过程中，第一储能电感l1、第二储能电感l2、第三储能电感l3将锂离子电池系统电压提升到超级电容的充电电压水平，并和储能电容c1一起为超级电容充电。
30.防反二极管作为一个单向导通的器件，其作用在于只允许锂电池给超级电容充电，不运行超级电容给锂电池充电。这样既保障系统持续拥有高功率输出能力，又可以让锂离子电池系统避免频繁充放电以延长其使用寿命。