远程复合动力快速无人艇能源管理系统的制作方法

本发明涉及一种远程复合动力快速无人艇能源管理系统，由锂离子动力电池组、柴油发动机组和太阳能发电装置组成的无人艇复合动力能源管理系统，为远程快速无人艇提供动力支持与保障。

背景技术：

电力推进代表着未来船舶技术的研究前沿，与传统的机械推进系统相比，电力推进具有更好的经济性、操纵性、安全性以及噪音低、有利于无人艇控制环境污染的优点。然而由于受到无人艇重量和空间的要求以及最新能源存储技术的影响，与传统的柴油发动机推进系统相比，现阶段大多数的纯电动无人艇电力推进系统不能达到高性能的速度、加速度和自控性。基于这种情况，研究复合动力无人艇动力系统可以为无人艇动力系统发展从柴油发动机组动力源过渡到纯电动动力源供电提供可行性方案。

混合动力电动船舶”可以定义为以两种或两种以上储能器、能量源或能量转换器作为动力源，其中至少有一种可以提供电能的船舶。混合动力船舶技术目前尚处在不断探索和研究的阶段。在国际上，有不少科研院提出了一些相关理论和方法，并在潜艇和游艇领域有所实现。世界上第一艘燃料电池和柴一电混合动力系统的潜艇已于 2003 年 4 月在德国基尔港开始首次试航。2010 年 1 月，意大利和斯洛维尼亚联合研制了 GREENLINE 33 混合动力游艇，该游艇混合了电池组、太阳能和柴油机动力。2010 年意大利 Ferretti公司生产的 Long Range 23 混合动力游艇使用柴油发电机和电池组作为混合动力。

目前常用作船舶动力的新能源有太阳能、风能等，风能由于受区域限制以及稳定性、连续性和可靠性差，作为无人艇能源并不合适。电力推进装置的电池主要有燃料电池、超级电容器和动力电池等，它们的特性不同，适宜应用的场合也存在较大差异。其中，动力电池技术经历了三代已日趋成熟，第三代锂离子电池安全、可靠、经济，是作为无人艇电力动力源的合适选择。此外，为提高无人艇的续航能力和冗余性，复合动力无人艇中采用技术成熟的柴油机组作为机械推进动力源。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的电力推进系统的能源来源有限，不能达到高性能的速度、加速度和自控性的问题，本发明提供了新型远程复合动力快速无人艇能源系统。

本发明的技术方案是：一种远程复合动力快速无人艇能理系统，其特征在于，包括由动力电池组作为混合动力船舶的主动力源，柴油发电机组、光伏发电装置、风力发电装置和水流发电装置为辅动力源，用于对动力电池组充电或通过推进系统向负载供电；所述的主动力源和辅动力源由复合动力控制系统进行控制。

本发明的有益效果是：利用水流、光伏电池和风力作为补充能源，扩展了能源的来源，最大化提高动力推进系统效率；降低功率损失，减少燃油消耗和废气排放。

附图说明

图1是本发明的总体构成示意图；

图2是本发明的复合动力控制系统的构成框图；

图3是本发明的水流发电装置的一个实施例的结构示意图；

图4是图3的A-A剖视图；

图5是本发明的水流发电装置的另一个实施例的结构示意图；

图6是图5的B-B剖视图；

图7是本发明的基于逻辑门限值控制的能源管理策略示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明一种远程复合动力快速无人艇能理系统，其特征在于，包括由动力电池组作为混合动力船舶的主动力源，柴油发电机组G、光伏发电装置、风力发电装置和水流发电装置为辅动力源，用于对动力电池组充电或通过推进系统向负载供电；所述的主动力源和辅动力源由复合动力控制系统进行控制。柴油发电机组G与380V岸电在380V交流电网汇合，并通过AC/DC转换后汇入DC电网，DC电网的一路输出通过DC/AC1转换作为船上普通电器（辅助设备）的220VAC 电源，另一路输出通过DC/AC2转换和推进系统驱动电机M作为船体的驱动动力。

所述的复合动力控制系统包括上位机、下位机、柴油机组控制器、光伏发电控制器、风力发电装置控制器和水流发电控制器，该上位机作用是进行系统参数设置和运行状态数据存储，并通过以太网与下位机通讯，该下位机通过CAN 总线与所述的柴油机组控制器、光伏发电控制器、风力发电装置控制器和水流发电控制器的受控端连接，由该柴油机组控制器、光伏发电控制器、风力发电装置控制器和水流发电控制器控制向所述的动力电池组充电或向负载供电。

能量管理必须通过有效地控制复合动力系统的工作才能实现，复合动力是一个复杂的系统，因此设计中采用分布式递进控制结构。图2中顶层利用工控机（IPC）作为控制系统的上位机，其作用是进行系统参数设置、运行状态数据存储；第二层利用嵌入式处理器ARM9 作为下位机，用于根据各模块控制器上传数据进行模式判断和选择；第三层是各动力装置的能量控制器（ECU），执行下位机命令和管理各子能源系统。上位机与下位机通过以太网通讯，下位机与子控制单元（各装置的控制器）通过CAN 总线通讯。

这种模块化分层结构有利于对系统进行分层开发，各部件的控制系统可以独立地并行开发，提高整个系统的开发效率。通过控制功能的分块，将复杂的控制系统分解成相对简单的子系统，从而使得整个系统的设计难度极大地降低，这也是复杂控制系统设计常用的方法。

所述的柴油机组控制器、光伏发电控制器、风力发电装置控制器和水流发电控制器均为常规技术，用于控制主动力源于辅动力源之间的充放电和动力分配。

参见图3和图4，本发明的水流发电装置1的一个实施例包括拉瓦尔式导流罩11、叶轮12、导向板18、锥形齿轮对14和发电机15，拉瓦尔式导流罩11的两侧连接在n形的导流罩支架17内，在拉瓦尔式导流罩11的后端两侧各连接一导向板18；在拉瓦尔式导流罩11的上方安装发电机15，发电机15的输出轴同轴连接一传动轴16，该传动轴16转动穿过所述的导流罩支架17的顶端，并与叶轮12的轴通过锥形齿轮对14传动连接。该水流发电装置1在应用时将发电机15固定在船体的外侧（侧面或底部），利用水流的动量推动叶轮12转动，能量通过锥形齿轮对14和传动轴16传递并带动发电机15转动发电。发出的电力由所述的水流发电控制器进行常规的充放电控制，在船体不需要动力驱动时可以为动力电池组充电；还可在船体开动时直接驱动船体行进。

参见图5和图6，本发明的该水流发电装置的另一实施例包括摆动板31、固定座35、发电机32、弹簧36和传动轴33、连接套34和超越离合器37，发电机32安装在船体3的外侧，传动轴33通过的固定座35转动安装在船体外侧，并与发电机32的输出轴同轴连接；所述的摆动板31的一端用连接套34套装在传动轴33上，在该连接套34与传动轴33之间装有超越离合器37；在摆动板31的一侧与船体之间装有弹簧36。摆动板31在水流或浪涌的冲击下摆动，通过超越离合器37驱动传动轴33单向转动，传动轴33带动发电机32发电，发出的电力由所述的水流发电控制器进行常规的充放电控制。

所述的动力电池组包括锂离子动力电池组和电池管理系统（BMS），采用堆栈式联合运行的方式；电池管理系统（BMS）由模块管理系统（BCU）、电池管理从控盒（BMU）和电池管理高压盒（HMU）组成；其中电池管理系统（BMS）主要功能包括数据采集功能，完成电池组的电流、电压、温度、绝缘信号的采集和电池的剩余电量值（SOC）的估算、与系统的实时通讯功能、以及按照协定的均衡管理策略对电芯进行均衡管理、自检功能以及系统报警和历史数据记录功能。属于常规技术。

所述的柴油发动机组G的设计应满足船舶在推进系统需要全速行驶时能够为系统提供足够的功率输出，需考虑到功率输出时的能量传递消耗。

参见图7，所述的复合动力控制系统根据混合动力电动船能源的工作状态，包括电力推进模式、机械推进模式、再生制动模式、岸电模式和太阳能充电模式，在五种工作模式中太阳能发电装置始终处于工作状态，并根据动力电池组的 SOC 值选择向电池充电和向负载供电，参见下面的表1。

上表中：Preq：系统所需功率；Psun：太阳能发电功率；Pbch：电池充电功率；Pb：电池放电功率；Psh：岸电供电功率；Vsh：岸电电压；Pe：发电机发电功率；Pe_ch：用于给电池充电的发电机功率；Pe_su：用于向系统供电的发电机功率；SOC：电池的剩余电量值；L_SOC为SOC 工作区的下限值；H_SOC为SOC 工作区的上限值。