一种纯电动船的动力集成系统的制作方法

本发明涉及电动船舶领域，更具体的说是一种纯电动船的动力集成系统。

背景技术：

纯电动船舶作为一种新型的海洋或河道运输工具，具有节省能源，安静且不会污染水体等优点，在未来将会得到广泛的应用。现有的电动船基本上是在现有内燃机船体上进行改造，将动力机构改造成电动或者混动的结构，但多数是将电动机作为辅助动力，如在泊船时采用电动驱动系统进行微调节船身。目前纯电动的船型集中在小型船只上，比如快艇之类。现在也有厂家开始尝试建造大型吨位的纯电动船，但由于全船动力系统的集成研发技术复杂，加之全船电气的设备布局及其船身结构等均要进行全新设计，目前基本上还处于试验阶段，尚未出现一种能够适用于千吨级以上大型船体的纯电动动力系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有机动或油电混动船舶的技术缺陷，提供一种设计合理、简单实用、安全可靠，能够进行实际应用于千吨级电动船的一种纯电动船的动力集成系统。

本发明通过以下技术方案实现上述目的，本发明公开了一种纯电动船的动力集成系统，包括纯电动船船体，所述船体包括安装在船身舱体内的储能电源系统、电力推进系统、直翼全向推进器、电力负荷供配电系统及其控制系统。所述储能电源系统包括采用双电结构的动力锂电池组、超级电容模组和岸电充电机，用于提供整船动力电源，并可利用配套的岸电充电机进行重复充电储能；所述电力推进系统包括交流变频控制系统和变频电动机，用于控制电源系统向推进器提供动力；所述推进器为“舵浆合一”的直翼全向推进器。该技术方案采用动力锂电池结合超级电容、交流变频控制系统向变频电动机提供可控动力，驱动直翼全向推进器的船用动力系统集成，具有系统集成度高、占用空间小、动力强大及控制灵活等优点，能够适用于大型船只使用，甚至能够给2000吨级以上的货船提供动力，而且适合在狭窄的内河航道中灵活运作。

为了使所述电源系统不仅提供船只的驱动动力，还能够为作业船只上的作业设备提供动力，使得船上的所有设备都采用电动方式驱动。本发明所述电源系统还包括电力多组锂电池、变压器、逆变器及纯正弦波装置、岸电直流充电机和交流配电设施，所述电力多组锂电池通过逆变器及纯正弦波装置提供三相三线制380v三相电源，380v三相电源通过变压器转变成单相220v电源。所述三相三线制380v交流电源供船上的很多作业设备如自卸胶带机、风机、起重机、压载水泵等提供动力。所述二线单相220v电源能够为其他用电设备如照明、空调等提供电力。所述岸电交流配电设施用于向船舶提供日常待泊或正常作业工况下的三相三线制380v交流电源，以节省船舶电力电池组的耗能。本发明将电动船的动力电锂电池组与电力锂电池组及其直流分段母线、岸电交流电源与电动船交流母线分别独立管理并互为备用，不仅保证了全船电源系统的独立性及安全性，而且实现了船舶电源系统的冗余及岸电电源后备，有效保证了船舶航行和作业过程中的连续性和可靠性。

所述多组动力锂电池通过汇流铜母排连接2组独立的变频驱动装置，所述多组电力锂电池通过汇流铜母排联接船载电力设备负荷，全船bms电池管理系统plc控制器主机通过以太网tcp/ip环形网络与电池模组i/o单元进行通讯及数据传输，直接采集并实时监控全船动力和电力锂电池模组，所述岸电直流一体式充电机用于向多组动力锂电池和电力锂电池同时进行“一对一”分组充电，各岸电充电机控制器通过以太网tcp/ip环形网络分别与全船bms电池管理系统控制器建立握手通信机制，接受并响应全船bms电池管理系统控制器发出的充电指令，匹配输出要求数值的直流充电电压及电流。

本发明包括两组独立设置的电力变频推进装置和直翼全向推进器，所述直翼全向推进器对称分布于船身舱体尾部并设有转向伺服电机，采用转向伺服电机驱动的舵机系统，具有转向灵活、高效、精度高等有点。所述电力变频推进装置和直翼全向推进器包括就地机旁控制和驾驶台遥控，所述机旁控制优先于驾驶台遥控，这样更有利于紧急情况下对船的动力和转向的控制。

为了方便直流、交流、高压/低压等用电设备的供配电，且有利于提高维修维护的便利性，本发明还包括与电源和驱动及负载系统连接的直流分段母线、交流汇流母线、直流配电板、交流配电板和交流逆变器及正弦波装置。通过统一的配电板或母线进行区分配供电及热备用自投，具有高识别度和电气自动化集成度，不仅简化了设备及系统，而且具有更高的系统安全性。

本发明动力集成系统的合理设计及布局，也是该系统是否能够应用于实际大型船只的关键。所述船身舱体在尾部分别设置安装两组电力推进系统的变频电机和推进器的左、右轮机舱，紧邻轮机舱对称分布在船身舱体两侧的左右电池舱和位于两者中间的左右电气设备舱。纯电动船不同于现有的机械动力船只，动力系统完全不同，用输电电线/电缆及驱动电机替代了复杂的机械传动结构，合理的考虑推进轮机舱、电池舱和电气设备舱的布局，能够提高系统集成度，减小动力系统占用的空间，为船身及载荷的设计提供更大的灵活度。

为保持船身的左右平衡，将多组动力及电力锂电池平均分配安装在船身左右两个电池舱内，将两组独立的水冷变频驱动电机和直翼推进器平均分配安装在船身左右两个轮机舱内，将两组独立的变频驱动柜、交直流配电板、交流逆变器、正弦波装置等供配电设备平均分配安装在船身左右两个电气设备舱内。

为了控制电池舱的温度，保证锂电池能够在合适的温度阈值下正常工作，本发明还包括自动温控通风系统，所述通风系统包括在左右两个电池舱分别设有的按温控方式自动启动的两台通风机。

对于电力推进系统发热电气设备的冷却：本发明专门设立单独的循环水冷却系统，所述冷却系统包括依次连接的舱底抽水总管、水泵和冷却管路，所述舱底抽水总管穿过船身舱体底部，经水泵和冷却水管路，冷却水管路分别经过两组交流变频驱动装置和变频电动机，冷却水管路出口设置在船身舱体舷外。

本发明全新设计了纯电动动力船舶的动力集成系统，改变了现有采用改造方式制造油电混动或电动船的方式，使新的动力集成系统具有更高的集成度、驱动力和灵活性，使其具有更广泛的应用领域。船身对系统设备的布局也更加简洁合理，相对于传统同等级别船只具有更多的载货/人空间。通过设置专门的轮机舱、电气设备舱室、电池舱室和供配电设备，使全船动力及电气系统的安全性更高、设备的维修维护也更加快捷便利。通过设置了多套冗余的电源保障系统和两组相互独立的电力推进系统，保证了航行的可靠性、持续性和稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的动力系统模块图。

图2为本发明实施例的电源系统模块图。

图3为本发明实施例的动力系统控制拓扑模块图。

图4为本发明实施例的全船动力系统总布置平面图。

图5为本发明实施例的全船动力系统局部布置图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的系统结构和工作原理做进一步的说明。

实施例

本实施例为一艘为双电、双机、双浆纯电力推进的2000吨级自卸货船的动力集成系统，采用dc600v直流分段a、b母线将6组动力锂电池按每3组电池平均分配后并列运行，6组动力锂电池即可同时并联运行，也可采用断开母线联络开关的方式按每3组电池两两同时独立运行，故障及检修情况下可选择单组电池和任一套驱动装置运行。同时将2组电力锂电池接入dc600v直流分段c母线上，除为船舶正常航行的电力负荷提供动力电源外，还兼作动力锂电池的后备电源。两组动力电源之间以及动力电源与电力电源之间既相互独立，又相互备用。

本船的动力集成系统如图1所示，包括安装在船身舱体内的2组独立的动力电源系统1和2、电力变频推进系统1和2、直翼全向推进器1和2；电力电源系统3、逆变器1和2、正弦波装置1和2、电力变压器1和2；直流600v分段母线a、b和c、交流380v汇流母线和220v分段母线、船载交直流配电板、船岸交流电源接口插座箱；岸电直流一体式充电机1和2、岸电交流电源柜、直流充电枪和交流连接器插电枪。

所述电力变频推进系统1和2用于控制电源系统分别向推进器1和2提供动力，所述电力变频推进系统1和2分别包括水冷式变频驱动装置1、水冷式变频电机1和水冷式变频驱动装置2、水冷式变频电机2，所述电源系统1和2均采用多组磷酸铁锂电池+多组超级电容的双电模式构成，且电源系统1和2互为备用，通过dc600v汇流分段母线向变频调速装置1和2及变频电动机1和2分别供电，带动直翼全向推进器的推进船舶。2台变频驱动装置选用具有v/f控制+开环矢量控制+闭环矢量控制功能的船用变频器，采用型号为bt3000-d6160s，额定功率为160kw，输入侧电压dc0.6kv，逆变侧输出电压范围0～0.44kv，输出电流范围0～500a，2台变频推进电机的额定功率均为160kw。交流变频驱动装置和变频电动机均采用水冷方式。

所述电力电源系统3、逆变器1和2、正弦波装置1和2、变压器1和2、以及交流380v母线，用于将电力锂电池提供的直流电源逆变并整形为标准的交流380v、50hz三相三线制正弦波电源，通过380v汇流母线向船用380v电压等级的电力负荷如舱底/消防/压载总用泵、消防总用泵、压载泵、控制系统冷却水泵、渣浆泵、舵机、锚机、风机等供电，所述电力变压器1和2以及220v交流分段母线，用于将三相三线制380v交流电源转变为单相二线制220v、50hz电源并采用分段母线热备用方式，分别向船用220v电压等级的各类电力设备负荷供电。

具体结合图2，所述动力电源系统包括动力电源1和2，所述动力电源1包括动力锂电池模组1～3和超级电容模组1～2及其bms电池管理i/o采集单元。所述动力电源2包括动力锂电池模组4～6和超级电容模组3～4及其bms电池管理单元，所述电力电源系统3包括电力锂电池模组7～8及其bms电池管理i/o采集单元，所述bms电池管理i/o采集单元分站通过光纤链路及以太网tcp/ip环形网络连接全船bms电池管理系统主站（plc控制器）。

所述动力电源1还包括6条17芯专用充电电缆和岸电直流一体式充电cdj1～cdj6。

锂电池规格：dc3.2v500ah，每组188只串联，每3组并联后接入dc600v分段母线a、b，共计6组1128只锂电池，储能容量1800kw，满足单航次经济航速10.8km/h、航程80km工况使用电力推进所需电量。

超级电容规格，ucey-48v165f，每组14只串联，分成4组并联在dc600v分段母线上，共计56只，单电容模块电压dc48v，串-并联后组成dc600v3000f。

动力系统的岸电直流一体式充电机规格，额定输出充电功率120kw，dc输出电压0～750v范围连续可调，dc输出电流0～200a范围连续可调，电力锂电池组主要包括:磷酸铁锂电池模组7～8及其电池管理系统i/o采集单元、岸电直流一体式充电机cdj7、cdj8等组成。

电力锂电池规格，dc3.2v500ah，每组188只串联，合计2组并联后接入dc600v分段母线c，共计376只锂电池，储能容量600kw，满足船舶单航次2.5h航行船载电力负荷220kw所需耗电量。电力系统的岸电直流一体式充电机规格，额定输出充电功率120kw，dc输出电压0～750v范围连续可调，dc输出电流0～200a范围连续可调，2台岸电充电机cdj7、cdj8控制器通过以太网tcp/ip环形网络分别与全船bms电池管理系统实现握手通信，以控制整个充电储能过程。

采用交流ac380v的电源，在岸上充电站通过8台直流一体式充电机完成交直流转换，建立一个8路独立的充电电源送至电动船上的交直流一体式插座箱，每一路的充电功率为120kw，dc600v/200a，其中6路给电动船动力电源锂电池充电，其余2路为电动船电力锂电池充电。同时从岸上充电站引出1路380v三相三线制交流电源送至电动船上的交直流一体式插座箱。直流充电电缆和交流供电电缆的输出末端分别设有快速连接的直流充电枪和交流电源连接器插头，当直流充电枪和交流连接器插头对应插入船上的交直流插座后，电动船上的交直流电源系统将自动检测及启动直流充电和交流供电，单航次直流充电时间为2.5小时。充电完成后，系统将自动关闭，并给出充电完成讯息。

根据本船船型系数、载重经济运行航速及吃水深度等设计参数，并经船模水池试验校正后，该动力集成系统采用2台160kw“舵桨合一”的直翼全向推进器作为船舶的推进及转向操纵装置，型号fs-pxct160，推力2548kgf，最高输入转速1488rpm，浆叶直径840mm，浆片4叶。电动船在以10.8km/h营运速度航行时的电力推进续航力约80公里。直翼全向推进器是一种新型的船用舵舵浆装置，由变速箱、旋转盘、桨叶、行星齿轮、舵机等组成。直翼全向推进器具有推进效率高、操纵性能优异、振动小噪音低、节省船舶空间、便于安装与维修的特点。本船采用的直翼推进器自带舵机系统，其转舵系统采用伺服驱动转舵电机形式，转舵电机为2台ac380v伺服电机，功率1.8kw。现场设2只舵机控制箱，1#控制箱内含小型plc控制器、继电器、空气开关、开关电源和1#伺服驱动器，是整个舵机控制系统的核心，接收驾控台舵轮/手动操舵手柄指令信号和控制驱动机构动作。2#控制箱内含继电器、空气开关、开关电源、2#伺服驱动器。舵机控制箱防护等级为ip44，最大外形尺寸为500(宽)x300(厚)x500(高)。

远传控制：在驾控台上设有舵机控制板，可实现转舵电机的启停控制，控制板还设置舵机电机运行指示，过载报警以及随动手动转换开关等。可通过驾控台上的舵轮/手动操舵手柄及伺服驱动器完成对转舵电机的控制，实现船舶的转向。正常情况下通过舵轮实现对两台舵机伺服电机的同步转舵控制。应急情况下，使用手动操舵手柄对两台舵机进行控制。同时特殊情况还可通过触摸显示屏上的转舵系统界面，实现转舵系统的非同步控制、平移控制、回转控制、后退控制功能等。

所述2台“舵桨合一”的直翼全向推进器对称分布于船身舱体尾部并设有转向伺服电机，所述推进器转向伺服电机包括机旁控制和驾驶台遥控切换开关控制器，所述开关控制器控制机旁控制优先于驾驶台遥控。

二组相互独立的交流变频驱动装置和变频电动机采用就地控制和驾控台遥控方式，设位置选择开关，并具有优先级，机旁优先于驾控台。驾驶室能对主推进系统(直翼推进器)的起动、调速和正倒车、停车进行遥控控制，并设有独立于自动化系统的主推进电机紧急停车按钮。

结合图3所示，为保证及满足本船动力系统通信数据传输的安全性、实时性及高可靠性，按以太网tcp/ip环形网络拓扑结构构建全船动力系统控制网络，通信协议遵循国际通用的以太网tcp/ip标准，网络通讯速率为10mb/s。动力锂电池组和电力锂电池组共设置3个现场i/o采集单元（站），全部采用光纤链路，并通过以太网tcp/ip环形网络与bms系统的plc主控制器进行实时通信，可实现对每只磷酸铁锂电池进行就地和远程数据的采集监控，如整组电池的充放电电流、电压、输入输出电能量、剩余电池电量soc、充电次数、模块温度、单体电池电压，具有过流保护、过充过放保护、过高温保护功能，其中过高温保护功能具备自动防故障特性，并且独立于其他温度指示、报警和控制功能的部件。电池因故障停止运行、保护故障、温度检测故障、过流、环境温度、电池箱、柜通风故障、过压、低压(放电)、单体温度、电池单元间的电压不平衡、充电故障和单体电池高压等故障或异常现象，均能通过bms系统发出视觉和听觉报警信号，bms系统同时具有在线自检及报警功能。

全船bms控制器选用modiconquantum65160主cpu板、电源板、主站以太网通信板、可扩展16槽位标准机槽及以太网管理型交换机等系列成套设备，bms系统的3个i/o采集单元均按支持以太网tcp/ip通信协议的标准x80分站模式配置组建，全船bms系统按20000个i/o点开销设计，系统配置全套编程软件和界面组态软件。

所述6台岸电直流一体式充电机通过岸基敷设的6条船用充电电缆分别对6组动力锂电池进行充电。由于岸电充电机一般安放于码头后方较远区域，岸电充电机与电动船bms系统控制器联连接的通信线缆相对较长，因此充电机采用专用光纤（24芯）链路接入以太网tcp/ip环形网络，与全船bms电池管理系统控制器进行握手通信，最终双方以在线通信的方式实时协调控制各充电回路的充电电压及电流，电池管理系统同时负责完成全船电池模组各单体电池的实时电量及运行状况的信号采集与监测分析，每台充电机的充电控制器负责按即时接收的全船bms电池管理系统发出的数据指令执行充电启停动作及匹配输出充电电压与充电电流。事故紧急情况下，电动船上设有用于同时跳断岸电充电机侧和动力锂电池组侧充电开关的急停按钮，该急停功能采用船用充电电缆中的二芯控制线即硬接线的方式实现。

结合图4及图5所示，船身舱体在尾部设置安装电力推进系统和推进器的推进舱，紧邻推进舱对称分布在船身舱体两侧的电池舱和位于电池舱中间的轮机舱。

本船在机舱尾部左、右舷各设锂电池1间，将多组动力锂电池和电力锂电池平均分配安装在两个电池舱内，配套设专用锂电池柜，每个锂电池柜安装面积不大于0.5mm²，并用隔板分隔，并配套锂电池管理系统，对锂电池舱、锂电池和超级电容进行温度、锂电池性能、超级电容等监控和报警。左、右舷锂电池舱各设火灾探测报警，火灾探测报警主机安装在驾控台。

还包括通风系统，所述通风系统包括两个电池舱分别设有的两台风机。每个电池舱设2台风机，在航行工况下，每个电池舱各使用一台风机，另一台风机作为备用风机，以保证在航行时电池舱的通风需求，在靠泊充电时，每个电池舱的两台风机同时运行，以保证电池舱内电池在大功率充电工况下的通风需求。

还包括冷却系统，所述冷却系统包括依次连接的舱底抽水总管、水泵和冷却管路，所述舱底抽水总管穿过船身舱体底部，冷却管路至少经过交流变频控制系统和变频电动机，出口设置在船身舱体舷外。本船在轮机舱设控制系统冷却水泵1台，用于冷却变频推进电机、驱动器及逆变器等设备，水泵自海底门、海水总管抽水，冷却各设备后排出舷外。总用泵兼做控制系统冷却水泵的备用泵。

综上所述，本船为航行于广州珠江内河b航区的千吨级纯电动船，采用独立的双电源、双驱动、双推进器作为船舶电力推进系统，并辅之以采用电源分段和岸基供电的方式分别为船舶电力推进系统和电力设备负荷提供动力电源。动力系统设计简单合理、实用性、安全性、可靠性、集成度高，具备提供强大持续动力、控制简单、操作灵活等特点，广泛适用于内河千吨级以上纯电动船舶。