一種基于自組態式動力電池混合動力船舶的測試裝置的制造方法
【專利摘要】本發明披露一種基于自組態式動力電池混合動力船舶電力推進測試裝置，包括動力源、操控裝置、推進測試傳動系統；推進測試傳動系統采用雙電機剛性軸聯方式；動力源由兩套柴?電機組、自組態式動力電池組以及太陽能光伏電池組成；兩套柴?電機組連接到交流母線，交流母線通過AC/DC變換器連接直流母線；自組態式動力電池組由多個動力電池組模塊組成，多個電池組模塊連接電池組合控制器；操控裝置包括觸摸屏、可編程控制器、嵌入式工業控制計算機、通信模塊；電池組合控制器按組態要求實現串并聯組合，具有自動調節并聯電池模塊電壓均衡的能力。該測試裝置為柴電?光伏?動力電池混合動力船舶進行動力配置、節能減排以及船舶續航能力的提供測試環境。
【專利說明】
一種基于自組態式動力電池混合動力船舶的測試裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種混合動力船舶測試裝置，尤其涉及動力電池可以串并聯自由組態 的混合動力船舶的測試裝置的架構及試驗方法。
【背景技術】
[0002]船舶污染在海洋環境污染中占有相當大的比例，而且船舶排放物對環境的污染日 趨嚴重，也成為各城市PM2.5的主要來源之一。船舶混合動力技術是一種新型的船舶技術， 是船舶動力發展的新方向，能極大地緩解能源、環境問題。混合動力船舶推進系統能充分利 用柴電、風能、太陽能及動力電池的儲能，可節約燃油、降低營運成本，是很有發展前景的船 舶能源綜合優化利用系統，也是船舶節能減排領域的研究熱點。這種新型環保型推進系統 在注重提高經濟性的同時，更注重對環境的保護，有效降低航行和停泊時所帶來的燃油、廢 氣和噪聲等污染，近年來國內外廠家和研究機構在混合動力船舶的研制方面不斷取得新進 展。在實際應用中，為了能提高混合動力船舶的續航里程和航行安全性，通常配置柴-電機 組和動力電池兩種主要動力能源，并以太陽能光伏電池作為輔助能源。 該測試裝置主要用于柴電-光伏-動力電池混合動力船舶研究與設計中進行動力源配 置、動力性能以及續航能力測試的裝置，為新能源船舶的研發、制造和改造提供試驗技術手 段，驗證新能源配置的合理性、船舶動力系統的續航能力。為了能夠滿足船舶各種推進功率 測試需求，本發明提出了一種基于自組態式動力電池的測試裝置。
【發明內容】
為了驗證或測試新能源船舶的能源配置、動力性能以及續航能力等問題，本發明提出 了一種基于自組態式動力電池混合動力船舶電力推進測試裝置。該測試裝置由三大部分組 成:動力源、操控裝置、推進測試傳動系統。 動力源由兩套柴-電機組、自組態式動力電池組以及太陽能光伏電池組成。其中，兩套 柴-電機組連接到交流母線，交流母線輸出交流電通過AC/DC變換器變成直流，送給直流母 線。自組態式動力電池組由多個動力電池組模塊組成，這些電池組模塊通過電池組合控制 器實現串并聯任意組合，滿足各種功率的混合動力船舶的測試需要。電池組合控制器連接 到雙向DC-DC轉換器，雙向DC-DC轉換器輸出接入直流母線;直流母線作為系統電源供給傳 動系統。太陽能光伏電池也通過雙向DC-DC轉換器接入直流母線。
[0004]動力電池組的各個模塊獨立連接到電池組合控制器，電池組合控制器不僅能按組 態要求實現串并聯組合，還具有自動調節并聯電池模塊電壓均衡的能力。電池組合控制器 由可編程邏輯控制器(PLC)、接觸器、開關、大功率晶閘管等組成。電池組合控制器中的控制 邏輯功能都由PLC來實現，當系統采用兩組動力電池組進行組合時，以兩組電池組為例，具 體實現如下： (1)每一組動力電池組串聯一個大功率晶閘管，晶閘管安裝在電池組的負端，利用晶閘 管的反向截止功能可以防止電池組之間電壓不均衡而導致的環流； (2) 兩組電池組之間安裝1個雙位開關，該雙位開關有3個接線點，1個接線點與第二組 電池組的正極連接，第2個接線點也與第一組電池組的正極連接，第3個接線點與第一組電 池組上串聯的晶閘管正向連接。第2、3接線點也是雙位開關的兩個位置點，其中一個位置為 串聯位置，另一個位置為并聯位置。與電池組串聯的晶閘管之間安裝1個接觸器，這個接觸 器兩端與兩個晶閘管的正向連接。每一個晶閘管的正向端又分別安裝了 1個開關，兩個開關 的下端又與雙向DC-DC轉換器的負極連接在一起，第一組電池組的正極與雙向DC-DC轉換器 的正極相連。 (3) 將雙位開關置于并聯位置，接觸器接通，兩個開關任意一個閉合，此時，兩組電池組 實現了并聯狀態;將雙位開關置于串聯位置，接觸器斷開，與第二組電池組串聯的晶閘管連 接的開關閉合，與第一組電池組串聯的晶閘管連接的開關斷開，此時，兩組電池組實現了串 聯狀態。 (4) 上述接觸器的通斷、雙位開關的位置切換、開關的閉合斷開，均由PLC進行邏輯控 制。
[0005]電池組合控制器最終輸出為直流，其正負兩端接入雙向DC-DC轉換器的輸入端正 負極，再由雙向DC-DC轉換器輸出供到直流母線上。根據雙向DC-DC轉換器對動力電池組進 行能量輸入輸出切換。由雙向DC-DC轉換器向電池組合控制器發出串并聯命令。
[0006]操控裝置的控制臺采用現場總線和觸摸屏技術，相比傳統的按鈕式控制臺，具有 線路簡單、通信可靠、可擴展性強、操作簡單、以及參數顯示形象直觀等特點。操控裝置的控 制單兀米用PLC、工控機和通彳目模塊。
[0007] 推進測試傳動系統采用雙電機剛性軸聯方式，兩臺電機的聯軸之間安裝扭矩傳感 器，檢測推進轉矩。其中一臺電機為交流異步變頻電機，另一臺為同步電機。兩臺在變頻器 控制下，可以四象限運行，既可以作為推進螺旋槳的驅動電機，又可以作為模擬螺旋槳的負 載電機，通過操控裝置設置電機運行方式。
【附圖說明】
[0008] 圖1是本發明基于自組態式動力電池混合動力船舶的測試裝置系統結構圖； 圖2是本發明兩組電池組串并聯組合示例圖； 圖3是本發明三組電池組串并聯組合示例圖； 圖4是本發明多組電池組串并聯組合示例圖； 圖5是本發明操控裝置結構圖； 圖6是本發明推進測試傳動系統結構圖；
【具體實施方式】
[0009] 本發明的目的在于提供一種混合動力船舶試驗系統及試驗方法。該試驗系統架構 由三大部分組成:動力源、操控裝置、傳動系統。結構圖如圖1所示，箭頭表示能量流動方向。 動力源由3部分組成:兩套柴油發電機組、動力電池組和太陽能光伏電池。
[0010] 柴油發電機組主要是為混合動力系統提供恒壓恒頻交流電。
[0011] 兩組動力電池組連接到電池組合控制器，電池組合控制器包括了可編程邏輯控制 器(PLC)、接觸器、開關、大功率晶閘管等器件。 (1) 測試對象要求供電電壓較高，并且具有大功率需求的船舶對象時，如拖輪或輪渡 船，雙向DC-DC轉換器發出命令，動力電池組串聯工作：雙位開關置于串聯位置，接觸器斷 開，開關1斷開，開關2接通。 (2) 測試對象要求供電電流較高，并且具有較長的續航里程的船舶對象時，如公務艇、 執法艇，雙向DC-DC轉換器發出命令，動力電池組并聯工作:雙位開關置于并聯位置，接觸器 接通，開關1或開關2接通。 (3) -般測試對象時，雙向DC-DC轉換器不發出要求電池組串并聯命令，動力電池組一 用一備工作:雙位開關置于任意位置，接觸器斷開，開關1接通，開關2斷開，電池組1工作，電 池組2備用；雙位開關置于并聯位置，接觸器斷開，開關1斷開，開關2閉合，電池組2工作，電 池組1備用。
[0012] 操控裝置由控制臺采用觸摸屏實現操控與監測，利用觸摸屏顯示運行參數與狀 態。為確保本裝置在緊急狀態下的安全性和可靠性，應急停止按鈕等關鍵信號采用常規的 按鈕。操控裝置的主控制器由可編程控制器(PLC)、嵌入式工業控制計算機、通信模塊等組 成。操控裝置結構示意圖如圖3所示。觸摸屏替代了傳統的儀表、指示燈及部分按鈕，此外， 以可視化形式顯示系統控制網絡結構、運行參數趨勢圖、電池剩余電荷等混合動力系統相 關信息。PLC主要實現系統的邏輯控制，如接入太陽能光伏電池等。嵌入式工控機主要用于 監視系統、提供測試負載及設定負載。通信模塊主要用于PLC、嵌入式工控機和動力系統建 立數據通信鏈路。
[0013] 推進測試傳動系統采用兩電機聯軸方式，如圖4所示，其中一側為交流異步變頻電 機，另一側為同步電機。兩電機機械連接，并在軸上都安裝扭矩傳感器。分別使用變頻器來 實現兩電機的控制。通過開關可以切換電源，系統電源表示來自混合動力系統的電源，通常 在進行系統測試時，驅動電機用系統電源，而負載電機用市電。這兩種電機既可以作驅動電 機，又可以作負載電機，可以滿足混合動力船舶的不同驅動電機的測試。
[0014] 該實驗系統具有多種供電模式下的實驗測試功能： 1) 動力電池獨立供電（純電動)模式下，并由嵌入式工控機給定一段時間內的船舶螺旋 槳負載，分別測試電池組在串并聯模式下的供電能力，并給出相應的測試結果。 2) 柴-電機組獨立供電模式下，并由嵌入式工控機給定一段時間內的船舶螺旋槳負載， 在兩套柴電機組單獨運行、并網、解列的動態過程中，測試柴-電機組的供電能力，并給出相 應的測試結果。 3) 太陽能光伏電池和動力電池混合供電模式下，并由嵌入式工控機給定一段時間內的 船舶螺旋槳負載，測試太陽能光伏電池的供電能力，以及評估動力電池在光伏電池充電情 況下的供電能力。 4) 柴-電機組和動力電池混合供電模式下，由嵌入式工控機給定一段時間內的船舶螺 旋槳負載，并以降低柴-電機組使用為目標的前提下，測試動力電池和柴-電機組的混合供 電能力。 5) 柴-電機組、動力電池和太陽能光伏電池混合供電模式下，由嵌入式工控機給定一段 時間內的船舶螺旋槳負載，并以降低柴-電機組使用為目標的前提下，測試柴-電機組、動力 電池和太陽能光伏電池混合供電能力。
[0015] 供電能力計算如下： 1) 動力電池供電：設定電池的基本參數為ue(單位:伏），Ι?(單位:安時），電池的放電 效率為η(常量），因此，負載為Pt的情況下，供電能丈
（單位:小時）。 2) 柴-電機組供電:通常船用柴-電機組輸出功率與燃油消耗率成正比，設定柴-電機組 油箱容積為V(單位:升），負載為Pt的情況下，柴-電機組的燃油消耗率為1(單位:升/小時）， 因此，其供電能力△,.=+(單位:小時）。 3) 太陽能光伏電池在接入系統時已作為穩壓處理，因此也可以作為較小功率的動力電 池來看待。其供電能力計算方法可參考1)。 4) 負載功率其中，nL為負載電機的轉速，可通過通信模塊從變頻器中獲取，T % 50 也可通過通信模塊從扭矩傳感器獲取。
[0016]該測試裝置的測試結果包括:上述供電模式下的供電能力（續航能力）、驅動電機 (異步電機或同步電機)的動態特性(轉矩、轉速、電流、電壓及功率數據）。其中轉矩T可由扭 矩傳感器測得;驅動電機轉速(n)、電流(I)、電壓(V)、功率(P)，可通過通信模塊從變頻器獲 取。
【主權項】
1. 一種基于自組態式動力電池混合動力船舶電力推進測試裝置，包括動力源、操控裝 置、推進測試傳動系統;推進測試傳動系統采用雙電機剛性軸聯方式，兩臺電機的聯軸之間 安裝扭矩傳感器，檢測推進轉矩，其中一臺電機為交流異步變頻電機，另一臺為同步電機； 兩臺電機分別在異步電機變頻器和同步電機變頻器控制下作四象限運行，既可W作為推進 螺旋獎的驅動電機，又可W作為模擬螺旋獎的負載電機，通過操控裝置設置電機運行方式； 動力源由兩套柴-電機組、自組態式動力電池組W及太陽能光伏電池組成;兩套柴-電機組 連接到交流母線，交流母線通過AC/DC變換器連接直流母線；自組態式動力電池組由多個動 力電池組模塊組成，所述多個電池組模塊連接電池組合控制器；電池組合控制器連接到雙 向DC-DC轉換器，雙向DC-DC轉換器的輸出接入直流母線;直流母線作為系統電源供給傳動 系統，太陽能光伏電池也通過雙向DC-DC轉換器接入直流母線;操控裝置包括觸摸屏、可編 程控制器、嵌入式工業控制計算機、通信模塊、W及應急停止按鈕;觸摸屏、可編程控制器、 嵌入式工業控制計算機、扭矩傳感器、異步電機變頻器、同步電機變頻器、兩套柴-電機組、 自組態式動力電池組W及太陽能光伏電池連接通信模塊;觸摸屏顯示運行參數與狀態W及 電池剩余電荷;嵌入式工控機提供測試負載及設定負載;其特征在于:動力電池組的各個模 塊獨立連接到電池組合控制器，電池組合控制器具有自動調節并聯電池模塊電壓均衡的能 力；電池組合控制器包括可編程邏輯控制器、接觸器、開關、大功率晶閩管；電池組合控制器 中的控制邏輯功能都由PLC實現，每一個動力電池組模塊串聯一個大功率晶閩管，晶閩管安 裝在電池組的負端，利用晶閩管的反向截止功能防止電池組之間電壓不均衡而導致的環 流;其中首個動力電池組模塊的正極與雙向DC-DC轉換器的正極相連;相鄰的兩組電池組第 一電池組和第二電池組之間安裝1個雙位開關，所述雙位開關有3個接線點，第1個接線點與 第二電池組的正極連接，第2個接線點也與第一電池組的正極連接，第3個接線點與第一組 電池組上串聯的晶閩管正向連接;第2、3接線點也是雙位開關的兩個位置點，其中一個位置 為串聯位置，另一個位置為并聯位置;與電池組串聯的相鄰晶閩管之間安裝1個接觸器，所 述接觸器兩端與兩個晶閩管的正向連接;每一個晶閩管的正向端又分別安裝了 1個開關，兩 個開關的下端又與雙向DC-DC轉換器的負極連接在一起。2. -種使用如權利要求1所述的基于自組態式動力電池混合動力船舶電力推進測試裝 置的混合動力船舶電力推進測試方法，其特征在于測試異步電機和/或同步電機的轉矩、轉 速、電流、電壓及功率、W及W下模式的供電能力： 動力電池獨立供電模式下，由嵌入式工控機給定一段時間內的船舶螺旋獎負載，分別 測試電池組在串并聯模式下的供電能力，供電能力計算如下:設定電池的基本參數為Ue(單 位:伏），Ieh(單位:安時），電池的放電效率為!!(常量），因此，負載為Pt的情況下，供電能力單位:小時）； 柴電機組獨立供電模式下，由嵌入式工控機給定一段時間內的船舶螺旋獎負載，在兩 套柴電機組單獨運行、并網、解列的動態過程中，測試柴電機組的供電能力，供電能力計算 如下：因為船用柴-電機組輸出功率與燃油消耗率成正比，設定柴-電機組油箱容積為V(單 位:升），負載為Pt的情況下，柴-電機組的燃油消耗率為1(單位:升/小時），因此，其供電能 力4 =^(單位:小時）；太陽能光伏電池和動力電池混合供電模式下，由嵌入式工控機給定 一段時間內的船舶螺旋獎負載，測試太陽能光伏電池的供電能力，供電能力計算同動力電 池模式的計算； 柴電機組和動力電池混合供電模式下，由嵌入式工控機給定一段時間內的船舶螺旋獎 負載，并W降低柴電機組使用為目標的前提下，測試動力電池和柴電機組的混合供電能力； 柴電機組、動力電池和太陽能光伏電池混合供電模式下，由嵌入式工控機給定一段時 間內的船舶螺旋獎負載，并W降低柴電機組使用為目標的前提下，測試柴電機組、動力電池 和太陽能光伏電池混合供電能力； 負載功率，其中，nL為負載電機的轉速，通過通信模塊從變頻器中獲取，T也通 過通信模塊從扭矩傳感器獲取。
【文檔編號】G01R31/36GK105974322SQ201610300658
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月9日
【發明人】高迪駒, 劉志全, 王天真, 顧偉
【申請人】上海海事大學