一种变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统的制作方法

本发明属于电动船舶，涉及一种变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统。

背景技术：

1、随着国家“双碳”目标的发布，近年来新能源化的触角已延伸至船舶领域，新能源船舶集成了绿色化、智能化等技术特点，不仅能解决江河湖海的排放和环境污染问题，也能降低船舶能耗，提高水运能力。全国主要城市水运、江河湖、旅游景区正积极推动船舶油改电工作。长江渡轮、珠江客轮等力推纯电动示范项目，大吨位商船也在探索发展油电混合技术路线。

2、纯电船舶动力系统主要由电源系统、供电系统、主推进系统、消防系统等组成。供电系统包括主供电回路、辅助供配电、控制回路、电池充电回路等。辅助供电回路电源主要涉及ac380v、ac220v、dc24v等多种形式，用于保证主推系统安全、平稳、可靠运行。船舶动力系统的稳定性很重要一部分是考核辅助供电系统的稳定性、是纯电船舶整船控制的主要保障。

3、目前城市各大公园、景区小型电动游船基本都是采用铅酸电池供电的小型电动船舶。主供电和辅助供电均设单独电池，电池甚至不配置电池管理系统、无大量的功率变换器件系统干扰较小，不需要进行精细量化控制。辅助供电从单独电池取电后，通过直流变换器直接供给辅助负载，其优势在于，可保证推进电池用电时长，电源相互独立，也便于小型船舶设备的空间布置；其劣势在于，电池系统不能统一管理，几组电池放电深度不一致，电池寿命受到影响；且两套电池不关联，存在安全隐患，例如会存在控制电源故障，主推进电源不掉电继续工作，整船失控等危险状况。

4、对此，现有技术中提出了一种纯电船舶主流的供电拓扑结构，参见图1，多组电池通过电池高压箱汇流排汇流后经双向dc-dc变换器稳压并网；辅助负载所需的控制及设备电源同样从直流母排取电，然后经由dc-ac逆变器、滤波器、隔离变压器、辅助变压器等供给辅助负载。电池电量较低充电时，利用直流母排上挂接的ac-dc模块接入岸基交流市电，在满足船舶靠泊电池组充电的同时也可提供辅助电源。此系统虽然能够较为容易地实现多组电池并网，但充放电均需要设置单独回路，系统成本较高。

5、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统，实现在满足系统安全性、功能性要求的情况下进行降本设计，以适应市场需求。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、这种变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统，包括：电池系统、推进系统及辅助系统，所述辅助系统包括与直流母排分别连接的第一充放电系统和第二充放电系统，所述第一充放电系统和第二充放电系统的结构相同；

4、所述第一充放电系统包括第一充放电回路及预充电回路，所述第一充放电系统供电时，所述直流母排输出的直流电经第一充放电回路进入三绕组变压器a；所述三绕组变压器a的输出电压分为两路：一路经第一断路器供给ac220v交流电、于ac220v交流母排处并网；一路经第二断路器供给ac380v交流电、于ac380v交流母排处并网；

5、所述第一充放电系统充电时，ac380v交流电经岸电箱接入ac380v交流母排，分别经第三断路器、三绕组变压器a通过第一充放电回路对第一电池组进行充电。

6、进一步，所述三绕组变压器a由一个原边线圈a和两个副边线圈组成，所述原边线圈a与第一充放电回路连接，一个副边线圈b接ac380v交流母排，另一个副边线圈c接ac220v交流母排。

7、进一步，所述预充电回路设置于三绕组变压器a的副边线圈b与直流母排之间；所述预充电回路包括依次连接的第三熔断器、第一预充电接触器、第一预充电电阻及第一预充电整流模块，所述第一预充电整流模块与直流母排连接；所述第三熔断器经ac380v交流母排、第三断路器与三绕组变压器a的副边线圈b连接。

8、进一步，所述第一充放电回路与直流母排连接，所述第一充放电回路包括依次连接的第一熔断器、第一afe双向逆变器、第一正弦滤波器、第一预充磁接触器、第一过流保护断路器及第二熔断器，所述第二熔断器与三绕组变压器a的原边线圈a连接。

9、进一步，所述第一熔断器为快速熔断器。

10、进一步，所述电池系统包括第一电池组和第二电池组，所述第一电池组、第二电池组分别通过电池高压箱连接至直流母排；所述直流母排上设置有分段开关及第四熔断器，当任一电池组故障时，通过所述分段开关及第四熔断器能够实现分区供电。

11、进一步，所述电池高压箱包括位于第一电池组与直流母排之间的电池组短路保护熔断器、电池组充放电接触器。

12、进一步，所述直流母排所需的dc24v直流电源来自于驾控室dc24v直流的应急配电板，采用双路供电：一路由dc24v应急蓄电池组提供；另一路由ac220v交流配电板经第四断路器，充电机、二极管给dc24v应急蓄电池组供电。

13、进一步，所述推进系统包括与直流母排分别连接的第一推进系统、第二推进系统；

14、所述第一推进系统包括依次连接的1#推进逆变器短路保护熔断器、1#推进接触器、1#推进逆变器及1#推进电动机，所述第二推进系统与第一推进系统的结构相同，所述第一推进系统、第二推进系统均由直流母排输出的直流电供电。

15、进一步，所述岸电箱设置有两种直流标准充电接口，一种接口能够直接接入电池系统的电池高压箱直流充电端口，另一种接口能够在直流充电桩配备完善的码头进行直流充电。

16、与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：与现有纯电船舶用动力系统相比，取消了电池系统与直流母排之前的双向dc-dc和电源系统进线断路器设计，且直流母排的母排电压为变化电压(dc540v～dc730v)，可随着电池系统的soc电池容量变化而变化，当电池系统处于100％soc电池容量时，直流母排电压约为dc730v，当电池系统接近15％soc电池容量时，直流母排电压约为dc540v；将现有系统中隔离变压器与日用变压器进行二合一合并设计，使系统谐波隔离及日用电压变化功能同时使用1台一进二出的三绕组变压器；辅助回路将单向供电优化设计为双向，实现了电池系统充电放电共用同一回路。本发明设计的辅助系统，能够实现如下功能：①接受变直流母线电源输入提供整船辅助风机、泵类、日用照明、航行通导、整船控制等所需的av380v、ac220v电能供给，保证供电稳定及安全；②为全船控制用电dc24v低压配电板提供充电及双路控制电源转换；③能够实现系统充放电逻辑控制，与整船推进系统、电池系统等进行数据通信，并进行控制及数据显示；④替代岸基充电桩实现了动力电池系统交直流两种充电功能。

技术特征：

1.一种变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统，包括：电池系统(100)、推进系统(200)及辅助系统(300)，其特征在于，所述辅助系统(300)包括与直流母排(400)分别连接的第一充放电系统(300a)和第二充放电系统(300b)，所述第一充放电系统(300a)和第二充放电系统(300b)的结构相同；

2.根据权利要求1所述的变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统，其特征在于，所述三绕组变压器a(361)由一个原边线圈a和两个副边线圈组成，所述原边线圈a与第一充放电回路连接，一个副边线圈b接ac380v交流母排，另一个副边线圈c接ac220v交流母排。

3.根据权利要求2所述所述的变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统，其特征在于，所述预充电回路设置于三绕组变压器a(361)的副边线圈b与直流母排(400)之间；所述预充电回路包括依次连接的第三熔断器(304)、第一预充电接触器(332)、第一预充电电阻(351)及第一预充电整流模块(312)，所述第一预充电整流模块(312)与直流母排(400)连接；所述第三熔断器(304)经ac380v交流母排、第三断路器(371)与三绕组变压器a(361)的副边线圈b连接。

4.根据权利要求2所述所述的变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统，其特征在于，所述第一充放电回路与直流母排(400)连接，所述第一充放电回路包括依次连接的第一熔断器(301)、第一afe双向逆变器(311)、第一正弦滤波器(321)、第一预充磁接触器(331)、第一过流保护断路器(341)及第二熔断器(303)，所述第二熔断器(303)与三绕组变压器a(361)的原边线圈a连接。

5.根据权利要求4所述的变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统，其特征在于，所述第一熔断器(301)为快速熔断器。

6.根据权利要求1所述的变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统，其特征在于，所述电池系统(100)包括第一电池组和第二电池组，所述第一电池组、第二电池组分别通过电池高压箱(500)连接至直流母排(400)；所述直流母排(400)上设置有分段开关及第四熔断器(401)，当任一电池组故障时，通过所述分段开关及第四熔断器(401)能够实现分区供电。

7.根据权利要求6所述的变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统，其特征在于，所述电池高压箱(500)包括位于第一电池组与直流母排(400)之间的电池组短路保护熔断器(501)、电池组充放电接触器(502)。

8.根据权利要求1所述的变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统，其特征在于，所述直流母排(400)所需的dc24v直流电源来自于驾控室dc24v直流的应急配电板，采用双路供电：一路由dc24v应急蓄电池组(402)提供；另一路由ac220v交流配电板(403)经第四断路器(404)、充电机(405)、二极管(406)给dc24v应急蓄电池组(402)供电。

9.根据权利要求1所述的变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统，其特征在于，所述推进系统(200)包括与直流母排(400)分别连接的第一推进系统(201)、第二推进系统(202)；

10.根据权利要求1～9任一项所述的变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统，其特征在于，所述岸电箱设置有两种直流标准充电接口，一种接口能够直接接入电池高压箱(500)的直流充电端口，另一种接口能够在直流充电桩配备完善的码头进行直流充电。

技术总结
本发明属于电动船舶技术领域，涉及一种变直流母线电压、充放回路分时复用的纯电船舶用动力系统。该系统包括：电池系统、推进系统及辅助系统；所述辅助系统包括与直流母排分别连接的第一充放电系统和第二充放电系统取消了电池系统与直流母排之前的双向DC‑DC和电源系统进线断路器设计，直流母排电压在DC540V～DC730V之间变化；将现有系统中隔离变压器与日用变压器进行二合一合并设计，使系统谐波隔离及日用电压变化功能同时使用一台一进二出的三绕组变压器；辅助回路将单向供电优化设计为双向，实现了电池系统充电放电共用同一回路。并且，实现在满足系统安全性、功能性要求的情况下进行降本设计，以适应市场需求。

技术研发人员：孟少邦,姚世强,司向飞,王伟,李琰
受保护的技术使用者：西安中车永电电气有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25