基于油电双驱动船舶的锂电池岸电充电控制方法与流程

1.本发明涉及船舶技术领域，具体涉及一种基于油电双驱动船舶的锂电池岸电充电控制方法。


背景技术：

2.电池动力船舶是目前国际上最新颖的船型之一，其电气化特点能够为下一代智能船的发展提供基础。
3.港口配套设施特别是充电设施是限制电动船舶发展的因素之一。截至2018年底，我国已建成岸电2400余套，这些设备使用中存在与船舶供电不匹配等诸多问题，并且不能直接为纯电池动力船舶以及油电双驱动船舶进行充电，但是为电池动力船舶获取动力提供了较好的硬件基础。
4.因此，如何改善港口岸电配套设施与油电双驱动船舶不能直接充电的情况称为目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于油电双驱动船舶的锂电池岸电充电控制方法，以解决现有技术中港口岸电配套设施与油电双驱动船舶之间充电不匹配的问题。
6.本发明实施例提供了一种基于油电双驱动船舶的锂电池岸电充电控制方法，包括：
7.在岸电电源接入船舶动力系统后，获取锂电池组的荷电状态，判断是否符合充电条件；
8.若符合充电条件，则控制船舶动力系统的输入由锂电池组向岸电电源转移；其中，锂电池组和岸电电源均通过直流母线接入船舶动力系统；
9.在完成功率转移后，启动斩波充电功能并启动锂电池组进入充电状态；
10.在锂电池组完成充电后，停止充电，使船舶处于满电量停泊状态。
11.可选地，充电条件包括：
12.锂电池组的荷电状态不足100％。
13.可选地，控制船舶动力系统的输入由锂电池组向岸电电源转移，包括：
14.控制船舶动力系统的母线输入状态为岸电输入和锂电池输入；
15.通过功率分配使锂电池的输出功率减少，同时使岸电电源的输出功率增加，直至锂电池输出功率降至0。
16.可选地，功率分配包括：
17.通过每个锂电池对应的下垂曲线控制程序，使所有锂电池的输出电压和输出功率保持一致。
18.可选地，还包括：
19.通过下垂曲线控制程序控制锂电池组的输出功率降低，控制逆变器使岸电电源输
出功率增加，并且锂电池组输出功率降低量与岸电电源输出功率的增加量保持一致。
20.可选地，还包括：
21.控制第一锂电池与第二锂电池进行功率转移；
22.使第一锂电池的输出功率变为p1-δp，第二锂电池的输出功率变为p1+δp；
23.当p1-δp为0时，第一锂电池完成功率转移，脱出对船舶动力系统的供电状态。
24.可选地，还包括：
25.在锂电池组中执行功率转移至余下最后一个锂电池后，执行锂电池与岸电电源之间的功率转移。
26.可选地，充电状态包括：
27.当锂电池组的荷电状态处于0～80％之间时，采用恒流充电；
28.当锂电池组的荷电状态超过80％时，采用恒压充电。
29.可选地，还包括：
30.若在充电过程中，岸电电源突然断开，则控制锂电池组停止充电，并启动放电模式。
31.本发明实施例的有益效果：
32.多个电源输入均通过直流母线对船舶动力系统进行供电，在船舶动力系统接入岸电之后，判断是否满足充电条件，结合功率转移技术，将船舶动力系统的供电对象从锂电池组转移至岸电，锂电池组停止供电后，从放电状态切换为充电状态，由岸电经直流母线对其进行充电，直至船舶处于满电量停泊状态。
附图说明
33.通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
34.图1示出了本发明实施例中一种基于油电双驱动船舶的锂电池岸电充电控制方法的流程图；
35.图2示出了本发明实施例中一种多设备功率转移下垂特性曲线示意图；
36.图3示出了本发明实施例中一种单设备功率转移下垂特性曲线示意图；
37.图4示出了本发明实施例中一种恒流恒压充电方式的充电电压和充电电流示意图；
38.图5示出了本发明实施例中一种基于油电双驱动船舶的锂电池岸电放电控制方法的流程图。
具体实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.本发明实施例提供了一种基于油电双驱动船舶的锂电池岸电充电控制方法，如图1所示，包括：
41.在岸电电源接入船舶动力系统后，获取锂电池组的荷电状态，判断是否符合充电条件。
42.若符合充电条件，则控制船舶动力系统的输入由锂电池组向岸电电源转移。其中，锂电池组和岸电电源均通过直流母线接入船舶动力系统。
43.在本实施例中，锂电池组和岸电电源均通过直流母线接入船舶动力系统，直流母线相当于一个大型电容，在输入功率不变的情况下，多个电源的功率输出发生波动也不影响直流母线对船舶系统负载稳定供电。
44.在完成功率转移后，启动斩波充电功能并启动锂电池组进入充电状态。
45.在锂电池组完成充电后，停止充电，使船舶处于满电量停泊状态。
46.在本实施例中，电池的充电控制利用功率控制系统pms的功率分配功能，当锂电池处于充电状态时，pms系统将锂电池组执行模块转为负载控制模式，利用岸电向直流母线传输的电能向锂电池供电，同时与电池管理系统bms协作，利用锂电池斩波执行模块控制充电进行。
47.功率转移技术，即将一组设备的一部分或全部功率转移到其他设备的技术。具体方式如下：
48.图2中的下垂曲线a为系统稳定工作时，两台设备稳定工作时的状态，此时直流组网系统直流母线电压为u1，系统总功率为p1x2＝2p1。
49.假设此时一台锂电池组收到功率转移命令后，需将自身承担功率转移至另一台发电机组承担，但系统负载未变化，系统总功率应保持不变，系统不应有较大波动，即直流母线电压u1理论上应最终不变。所以采用调节下垂曲线逻辑来实现功率转移。
50.中央处理器将需要承担多余功率的发电机组的执行模块对应的下垂曲线上移，于此同时减少承担功率锂电池组的执行模块下垂曲线镜像下降，下降幅度等于上升幅度，在各模块下垂曲线逻辑变动后，各执行模块执行功率控制功能，此过程为连续的微小动态调整，系统波动较小，在达到稳态后，如图2所示，直流母线电压u1不变，一台发电机组功率变为p1+δp，一台锂电池组变为p1-δp，系统总功率不变，系统完成功率转移操作。
51.当p1-δp＝0时，即单组锂电池将功率完全转移至发电机组，为直流组网系统完成锂电池组整组退出功能，整组加入功能同理。
52.也可将在锂电池组功率不足时，将锂电池组功率转移至备用发电机组，达到发电机组应急的目的。
53.对于直流组网设备的种类和电源的电制并不影响功率分配的进行，因为无论锂电池组还是发电机组最终都是通过转为直流电，在直流母线上进行能量交换，通过执行模块的隔离前段电制仅仅作为控制和采集的输入，并不影响最终能量交换，因此能量转移的速度不取决于电源的电制，单取决于电源设备本身的快慢属性。比如发电机组需要将柴油转为电能，期间设计机械能的转化，因此加载速度(即为执行模块增加电流的幅度及时间)受机组本身影响。锂电池在电流允许范围内可以快速加载。
54.多个电源输入均通过直流母线对船舶动力系统进行供电，在船舶动力系统接入岸电之后，判断是否满足充电条件，结合功率转移技术，将船舶动力系统的供电对象从锂电池组转移至岸电，锂电池组停止供电后，从放电状态切换为充电状态，由岸电经直流母线对其进行充电，直至船舶处于满电量停泊状态。
55.作为可选的实施方式，充电条件包括：
56.锂电池组的荷电状态不足100％。
57.在本实施例中，在充电之前，需要判断：岸电电源是否接入船舶动力系统；锂电池组的荷电状态是否不足100％；船舶动力系统自检，是否满足充电条件。
58.作为可选的实施方式，控制船舶动力系统的输入由锂电池组向岸电电源转移，包括：
59.控制船舶动力系统的母线输入状态为岸电输入和锂电池输入；
60.通过功率分配使锂电池的输出功率减少，同时使岸电电源的输出功率增加，直至锂电池输出功率降至0。
61.在本实施例中，岸电充电原理本质上是锂电池与岸电电源的功率分配问题，此时岸电接入时试做功率为0的发电机组，具体过程如下：
62.1)岸电接入船舶动力系统后，岸电输出功率为0，锂电池承担全部日用电源功率。
63.2)锂电池与岸电做功率分配，岸电逐渐承担锂电池全部功率，直至锂电池功率为0，并退出放电，期间只是功率在两台设备间的转移，对于直流母线上的功率是不变的，即日用负载不做波动。
64.3)斩波模块转为充电模式，此时锂电池为负载，与日用电源性质一致，进一步对直流母线进行功率需求。
65.4)岸电电源模块进一步对直流母线进行功率输出，以满足锂电池充电功率+日用电源功率。
66.5)当锂电池充满时，逐步退出充电，等同于负载减载，岸电逐步减载，但始终满足日用电源功率。
67.日用电源始终第一需求对象为直流母线，无论是锂电池放电过程、负载转移过程还是锂电池充电过程，母线始终保持着日用电功率不丢失，日用负载不会断电。
68.作为可选的实施方式，功率分配包括：
69.通过每个锂电池对应的下垂曲线控制程序，使所有锂电池的输出电压和输出功率保持一致。
70.在本实施例中，为每个设备锂电池设备独立设置下垂曲线，下垂曲线为设置在控制器中的程序，下垂特性曲线的设定是直流组网功率分配得以实现的关键，通过下垂特性曲线的逻辑设置，使其达成如图3所示的输出功率与直流母线电压间的对应关系，从而达到功率分配的目的。假如仅由单一锂电池设备为负载提供能源，在直流组网系统中，锂电池组所需的输出功率由负载决定，即负载需要多少功率，锂电池组应输出多少功率总和，并且当负载稳定运行时，系统也应达到稳态运行。由下垂特性曲线可知，在系统正常运行的电压范围内，单一直流母线电压对应单一输出功率，因此对锂电池组的输出功率控制实际是通过变频器斩波模块内下垂曲线映射逻辑实现的。
71.作为可选的实施方式，还包括：
72.通过下垂曲线控制程序控制锂电池组的输出功率降低，控制逆变器使岸电电源输出功率增加，并且锂电池组输出功率降低量与岸电电源输出功率的增加量保持一致。
73.在本实施例中，锂电池和岸电电源输出功率转移的增减量始终保持一致，直流母线的输入功率保持稳定。
74.作为可选的实施方式，还包括：
75.控制第一锂电池与第二锂电池进行功率转移；
76.使第一锂电池的输出功率变为p1-δp，第二锂电池的输出功率变为p1+δp；
77.当p1-δp为0时，第一锂电池完成功率转移，脱出对船舶动力系统的供电状态。
78.在锂电池组中执行功率转移至余下最后一个锂电池后，执行锂电池与岸电电源之间的功率转移。
79.在本实施例中，若存在多个锂电池组，在锂电池组与锂电池组之间进行功率转移，在锂电池组中的每个锂电池之间，也进行功率转移。
80.作为可选的实施方式，充电状态包括：
81.当锂电池组的荷电状态处于0～80％之间时，采用恒流充电；
82.当锂电池组的荷电状态超过80％时，采用恒压充电。
83.在本实施例中，通过直流母线系统双向斩波模块进行电能的双向流动，锂电池组和直流母线等效电容均可对制动产生的富余能量进行储存。斩波器的参数设置取决于锂电池的充电策略，对于不同的充电阶段，锂电池的充电需求是不断变化的，因为斩波器的本质为通过程序来控制导通可以控制电流和电压的开关，因此占波器的参数设置定制化满足锂电池的充电需求，此需求来源于电池组bms系统，斩波器会实时与锂电池bms通讯，按照bms系统要求来调整锂电池所需的电流与电压，一个典型的锂电池充电策略如下：
84.锂电池选择恒流恒压充电：
85.1)恒流充电方式建立在能对荷电状态(soc)准确预测的基础上，但目前各种soc的计算方法都有一定的误差，所以采用恒流充电时，电池容易发生过充或未充满的情况。
86.2)恒压充电方式的初始电池充电电流过大，易引起电池内阻急剧增大，产生大量热量，进而温度升高明显，加剧电池极柱活性物质的粉化，对于电池的寿命很不利。
87.3)如图4所示，恒流恒压充电方式结合了恒流和恒压两种充电方式的优点，初期充电采用恒流充电，当soc较高时采用恒压充电，这样克服了恒流充电过充和充电不足的问题，也避免了恒压充电初期电流过高对电池的损伤问题，其中电压和电流的控制通过bms系统、主控器与斩波执行机构配合完成。bms系统向主控器反馈soc值。主控器根据soc值对每组锂电池组的执行模块发出对应指令，确保每组锂电池均能充满。期间的依旧涉及到差异化的功率分配，为前述输出功率转移技术的逆向过程，原理一致。
88.作为可选的实施方式，还包括：
89.若在充电过程中，岸电电源突然断开，则控制锂电池组停止充电，并启动放电模式。
90.在本实施例中，如图5所示，电池组在充电状态下，岸电电源突然断开，此时自动监测到直流母线电压突然降低，电池组由充电状态自动转为放电状态。锂电池本质为电容，斩波器本质为可控制电池及母线两段电压的开关，直流母线本质为能量汇集端，当斩波器电池端电压低于斩波器母线端电压时，锂电池为充电状态，当锂电池端电压高于母线端电压时锂电池瞬时转为放电状态，另外由于直流母线存在，直流母线本身具备一定储能功能，瞬时变化不会对日用电源产生波动。日用电不会断电。
91.虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所
限定的范围之内。