本發(fā)明屬于船舶動(dòng)力電池系統(tǒng)，尤其涉及一種船舶應(yīng)用箱式動(dòng)力鋰電池裝置集成平臺(tái)及其運(yùn)行控制方法。

背景技術(shù)：

0、技術(shù)背景

1、船舶動(dòng)力系統(tǒng)/裝置是船舶至關(guān)重要的組成部分之一，也是船舶運(yùn)行安全和性能保障的關(guān)鍵要素。燃油動(dòng)力系統(tǒng)是最常見(jiàn)的船舶動(dòng)力系統(tǒng)之一，為最大限度地提高燃料效率和環(huán)境可持續(xù)性，出現(xiàn)了混合動(dòng)力系統(tǒng)；隨著對(duì)環(huán)境可持續(xù)性的關(guān)注不斷增加，開(kāi)發(fā)了純電池船舶動(dòng)力系統(tǒng)。船舶純電池動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)研究和應(yīng)用的關(guān)鍵，在于解決電池系統(tǒng)、推進(jìn)電機(jī)、日用負(fù)荷、岸電接入等環(huán)節(jié)在船舶動(dòng)力電池系統(tǒng)中的集成和管理問(wèn)題。

2、專(zhuān)利申請(qǐng)cn117254143a公開(kāi)了一種兼容性好的船用電池管理系統(tǒng)，采用總控單元、主控單元和從控單元構(gòu)成的三級(jí)架構(gòu)，總控單元與船舶能量管理系統(tǒng)通訊連接，船舶能量管理系統(tǒng)與船舶逆變器通訊連接，且冗余設(shè)置多個(gè)主控單元、多個(gè)從控單元以及多種通信方式，有效防止電池過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫等危險(xiǎn)。但問(wèn)題在于沒(méi)有給出實(shí)現(xiàn)的具體方案細(xì)節(jié)，如何防止電池過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫，也沒(méi)有給出具體實(shí)現(xiàn)方法；專(zhuān)利申請(qǐng)cn117613422a公開(kāi)了船用鋰離子電池系統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維監(jiān)控裝置，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集傳輸平臺(tái)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接到岸端運(yùn)維分析平臺(tái)，從而將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集平臺(tái)采集到的電池?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)桨抖诉\(yùn)維分析平臺(tái)，岸端運(yùn)維分析平臺(tái)對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。該發(fā)明選擇電池單體電壓、電池單體間壓差等作為健康因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并選用經(jīng)典電池模型shepherd、unnewehr、nernst模型中參數(shù)進(jìn)行擬合，其評(píng)估精度受限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種船舶應(yīng)用箱式動(dòng)力鋰電池裝置集成平臺(tái)，開(kāi)發(fā)船端模塊化船舶純電池管理系統(tǒng)bms，通過(guò)船舶功率管理系統(tǒng)pms與電池管理系統(tǒng)bms協(xié)作運(yùn)行，確保動(dòng)力電池的安全運(yùn)行管理以及異常情況下船舶功率管理系統(tǒng)pms對(duì)電池管理系統(tǒng)bms實(shí)時(shí)控制，有效提高船用鋰電池系統(tǒng)的的安全性和可靠性。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種船舶應(yīng)用箱式動(dòng)力鋰電池裝置集成平臺(tái)，包括船端箱式鋰電池裝置、船舶功率管理系統(tǒng)pms和岸端監(jiān)控中心；船端箱式鋰電池裝置用于為船舶提供鋰電池動(dòng)力和對(duì)鋰電池運(yùn)行進(jìn)行管理；船舶功率管理系統(tǒng)pms具有全船電力系統(tǒng)/設(shè)備監(jiān)測(cè)和控制能力，船舶功率管理系統(tǒng)pms以通信方式與船端箱式鋰電池裝置進(jìn)行交互以確保船端箱式鋰電池裝置穩(wěn)定運(yùn)行，保障船舶安全返航；岸端監(jiān)控中心以通訊方式從船舶功率管理系統(tǒng)pms獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)船-岸信息交互和監(jiān)管；

3、所述的船端箱式鋰電池裝置包括鋰電池管理系統(tǒng)bms、鋰電池裝置、公共直流母線、匯流組件、負(fù)載、光伏組件、岸電插座組和發(fā)電機(jī)；

4、鋰電池管理系統(tǒng)bms包括總控制器、顯示屏、電源模塊、電池管理模塊，電源模塊為總控制器提供工作電壓；電池管理模塊包括從控管理模塊、主控管理模塊、總控管理模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)a，電池管理模塊通過(guò)通信方式執(zhí)行總控制器以及鋰電池裝置的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、運(yùn)算，并分別執(zhí)行相應(yīng)處理結(jié)果的指令下達(dá)；

5、船舶功率管理系統(tǒng)pms與鋰電池管理系統(tǒng)bms采用工業(yè)總線通信，并通過(guò)通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)與船端箱式鋰電池裝置協(xié)同運(yùn)行，為船舶分配電能和對(duì)鋰電池裝置進(jìn)行能效管理；

6、船舶功率管理系統(tǒng)pms通過(guò)通信接口和管理模塊，對(duì)采集、記錄在鋰電池管理系統(tǒng)bms中的運(yùn)行數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)在管理數(shù)據(jù)庫(kù)中，用于船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行管理；岸端監(jiān)控中心以遠(yuǎn)程方式對(duì)船端箱式鋰電池裝置和船舶功率管理系統(tǒng)pms進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；管理數(shù)據(jù)庫(kù)以及數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)支持由鋰電池管理系統(tǒng)bms提供；

7、鋰電池裝置包括主控制器、顯示屏和多個(gè)電池簇，每個(gè)電池簇包括多個(gè)串聯(lián)的電池包，每個(gè)電池包包括1個(gè)從控制器和至少2個(gè)電池模組，主控制器與電池包之間通過(guò)從控制器以通信方式交互、相鄰電池包之間通過(guò)各自從控制器以通信方式交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池包的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和管理服務(wù)；鋰電池管理系統(tǒng)bms通過(guò)總控制器的通信接口與鋰電池裝置的主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和處理，監(jiān)控鋰電池裝置的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)的指令處理；負(fù)載包括船舶推進(jìn)負(fù)載和日用電負(fù)載。

8、作為一種優(yōu)選的方案，所述岸電插座組、發(fā)電機(jī)通過(guò)公共直流母線給鋰電池充電或在應(yīng)急工況下為負(fù)載提供電能。

9、作為一種優(yōu)選的方案，所述岸電插座組包括直流岸電插座一、直流岸電插座二、交流岸電插座。

10、作為一種優(yōu)選的方案，所述公共直流母線上設(shè)置有母聯(lián)開(kāi)關(guān)，正常運(yùn)行時(shí)常閉，岸電充電時(shí)斷開(kāi)；交流岸電插座、發(fā)電機(jī)與公共直流母線之間設(shè)置有隔離變壓器組件一和隔離變壓器組件二，正常運(yùn)行時(shí)，隔離變壓器組件一和隔離變壓器組件二同時(shí)運(yùn)行，為交流配電板供電，靠岸充電時(shí)，隔離變壓器組件一和隔離變壓器組件二同時(shí)運(yùn)行，通過(guò)交流岸電為鋰電池裝置反向充電。

11、作為一種優(yōu)選的方案，所述船端箱式鋰電池裝置將多個(gè)模塊化鋰電池裝置進(jìn)行分布式獨(dú)立設(shè)置，以并聯(lián)方式連接至公共直流母線，再通過(guò)匯流組件為負(fù)載提供能源動(dòng)力。

12、作為一種優(yōu)選的方案，所述岸端監(jiān)控中心布設(shè)有數(shù)據(jù)中心、通信鏈路、監(jiān)管系統(tǒng)，以通訊方式從船舶功率管理系統(tǒng)pms獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)船-岸信息交互和監(jiān)管，數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)船舶運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)信息，提供數(shù)據(jù)信息查詢(xún)、分析和決策支持。

13、本發(fā)明另一個(gè)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種上述船舶應(yīng)用箱式動(dòng)力鋰電池裝置集成平臺(tái)的運(yùn)行控制方法。

14、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種船舶應(yīng)用箱式動(dòng)力鋰電池裝置集成平臺(tái)的運(yùn)行控制方法，包括如下步驟：

15、步驟一：系統(tǒng)上電啟動(dòng)

16、系統(tǒng)上電啟動(dòng)，船舶功率管理系統(tǒng)pms、電池管理系統(tǒng)bms分別進(jìn)行自檢，并進(jìn)行通信連接；

17、步驟二：pms和bms運(yùn)行

18、船舶功率管理系統(tǒng)pms、電池管理系統(tǒng)bms分別按照各自的作業(yè)調(diào)度流程，執(zhí)行相應(yīng)的作業(yè)任務(wù)，包括定時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理、收發(fā)指令與執(zhí)行；

19、s21：創(chuàng)建線程

20、船舶功率管理系統(tǒng)pms的管理模塊、電池管理系統(tǒng)bms的電池管理模塊分別創(chuàng)建各自運(yùn)行線程，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、命令解析；

21、s22：數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

22、船舶功率管理系統(tǒng)pms、電池管理系統(tǒng)bms同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行，按照所創(chuàng)建的線程，通過(guò)總控制器、主控制器定時(shí)進(jìn)行溫度、電流、電壓、控制信號(hào)的數(shù)據(jù)信息采集與存儲(chǔ)，并以通信方式定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交互；

23、s23：數(shù)據(jù)處理與受控

24、船舶功率管理系統(tǒng)pms執(zhí)行負(fù)載功率分配、實(shí)施全船電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制；電池管理系統(tǒng)bms系統(tǒng)執(zhí)行鋰電池組電池狀態(tài)監(jiān)控、電池組荷電狀態(tài)soc估算、電池組健康狀態(tài)soh分析、安全保護(hù)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行信息交互；

25、s24：數(shù)據(jù)與信息交互

26、包括船舶功率管理系統(tǒng)pms與電池管理系統(tǒng)bms、岸端監(jiān)控中心之間數(shù)據(jù)交互，以及船舶功率管理系統(tǒng)pms、電池管理系統(tǒng)bms各自?xún)?nèi)部數(shù)據(jù)交互；船舶功率管理系統(tǒng)pms以通訊方式定時(shí)接收電池管理系統(tǒng)bms的總控制器的上傳數(shù)據(jù)、岸端監(jiān)控中心從數(shù)據(jù)中心獲取數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的工況指令操作：

27、工況一：增、減推進(jìn)功率，執(zhí)行步驟三；

28、工況二：鋰電池充電，執(zhí)行步驟四；

29、工況三：續(xù)航里程預(yù)測(cè)，執(zhí)行步驟五；

30、工況四：異常返航，執(zhí)行步驟六；

31、工況五：工況一～工況四不存在，重復(fù)執(zhí)行s22-s24；

32、步驟三：增、減推進(jìn)功率

33、當(dāng)船舶功率管理系統(tǒng)pms根據(jù)推進(jìn)負(fù)荷要求，需要增加或減少推進(jìn)功率時(shí)，通過(guò)從電池管理系統(tǒng)bms中獲取的電池組荷電狀態(tài)soc值，判斷是否啟用或關(guān)閉相關(guān)電池組；然后轉(zhuǎn)入步驟七；

34、步驟四：鋰電池組充電

35、電池管理系統(tǒng)bms執(zhí)行充電指令，充電完成后，發(fā)送信號(hào)給船舶功率管理系統(tǒng)pms，并停止充電、繼續(xù)執(zhí)行電池管理系統(tǒng)bms系統(tǒng)本身線程；然后轉(zhuǎn)入步驟七；

36、步驟五：航行里程預(yù)測(cè)

37、當(dāng)船舶功率管理系統(tǒng)pms接收航行里程預(yù)測(cè)外部指令時(shí)，船舶功率管理系統(tǒng)pms從電池管理系統(tǒng)bms中獲取當(dāng)前電池組荷電狀態(tài)soc值，根據(jù)航行里程與電池組荷電狀態(tài)soc關(guān)系模型，提供航行里程數(shù)預(yù)測(cè)值，并顯示；然后轉(zhuǎn)入步驟七；

38、其中，航行里程預(yù)測(cè)經(jīng)由船舶功率管理系統(tǒng)pms通過(guò)數(shù)據(jù)匯總分析進(jìn)行，包括進(jìn)行船舶航速v分組、計(jì)算航行里程、計(jì)算消耗總功率p與估算荷電狀態(tài)soc值，建立一組不同航速下航行里程與消耗功率的關(guān)系模型：

39、

40、式中：l為某次船舶航行時(shí)間t內(nèi)航行里程；pi(t)、ui(t)、ii(t)分別為船舶該次航行中第i個(gè)負(fù)載消耗功率、確定采樣周期內(nèi)記錄的負(fù)載電壓和負(fù)載電流，采用擬合法求解；p為航行總時(shí)間t內(nèi)n個(gè)負(fù)載在本次航行里程中消耗的總功率；

41、針對(duì)某一航速，采用安時(shí)積分法得出估算某一時(shí)刻或某一航程下電池荷電狀態(tài)soc值的模型，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄航行里程l與荷電狀態(tài)soc對(duì)應(yīng)值，具體為：

42、

43、式中：soc為當(dāng)前電池荷電狀態(tài)值，soc0為該次航行開(kāi)始時(shí)電池荷電狀態(tài)；ct為航行時(shí)間t內(nèi)電池容量變化量，c為電池總?cè)萘?，充電取?”號(hào)、放電取“-”號(hào)；i為確定采樣周期內(nèi)記錄的電池回路的電流；

44、根據(jù)模型(2)得到若干航行里程l與電池荷電狀態(tài)soc對(duì)應(yīng)值并記錄在管理數(shù)據(jù)庫(kù)中，采用多項(xiàng)式擬合算法，建立一組不同航行速度下，航行里程l與電池荷電狀態(tài)socvi關(guān)系模型：

45、

46、使用上述航行里程數(shù)預(yù)測(cè)值l與當(dāng)前電池荷電狀態(tài)socvi關(guān)系模型得到續(xù)航里程數(shù)預(yù)測(cè)值l；

47、步驟六：異常返航

48、當(dāng)鋰電池組電量過(guò)低，出現(xiàn)無(wú)法正常返航的異常情況時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，計(jì)算最優(yōu)航速功率比，推薦返航推進(jìn)功率；然后轉(zhuǎn)入步驟七；

49、步驟七：循環(huán)判斷

50、船舶功率管理系統(tǒng)pms和電池管理系統(tǒng)bms系統(tǒng)自動(dòng)判斷是否下電，如船舶功率管理系統(tǒng)pms或電池管理系統(tǒng)bms系統(tǒng)判定系統(tǒng)下電，則結(jié)束本次運(yùn)行；否則，轉(zhuǎn)入步驟二。

51、作為一種優(yōu)選的方案，所述步驟六中根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，計(jì)算最優(yōu)航速功率比，推薦返航推進(jìn)功率，具體如下：

52、船舶功率管理系統(tǒng)pms通過(guò)數(shù)據(jù)匯總進(jìn)行航速分組、計(jì)算航行里程、消耗總功率與估算荷電狀態(tài)soc值步驟，建立一組不同航速下航行里程與消耗功率的關(guān)系模型：

53、

54、式中：l為某次船舶航行時(shí)間t內(nèi)航行里程；pi(t)、ui(t)、ii(t)分別為船舶該次航行中第i個(gè)負(fù)載消耗功率、確定采樣周期內(nèi)記錄的負(fù)載電壓和電流，采用擬合法求解；p為航行總時(shí)間t內(nèi)，n個(gè)負(fù)載在本次航行里程中消耗的總功率；

55、根據(jù)不同航速下航行里程與消耗功率的關(guān)系模型(1)得到若干航行里程l與消耗總功率p并記錄在管理數(shù)據(jù)庫(kù)中，采用多項(xiàng)式擬合算法，建立一組不同航行速度下，航行里程數(shù)預(yù)測(cè)值l與消耗功率pvi的關(guān)系模型；并根據(jù)模型(2)得出并記錄在管理數(shù)據(jù)庫(kù)中的航行里程與電池荷電狀態(tài)值，采用多項(xiàng)式擬合算法，建立一組不同航行速度下，航行里程數(shù)預(yù)測(cè)值l與電池荷電狀態(tài)socvi關(guān)系模型：

56、

57、并由模型(3)獲得推進(jìn)消耗功率pvi和電池荷電狀態(tài)socvi關(guān)系模型：

58、

59、不同航行工況下對(duì)應(yīng)的推進(jìn)阻力與航行速度以及有效推進(jìn)功率與航行速度的關(guān)系模型為：

60、

61、式中，rvi為考慮不同航速下船體阻力、波浪阻力、黏滯阻力綜合影響的船舶航行阻力，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得；pyi為船舶推進(jìn)有效功率；

62、當(dāng)船舶執(zhí)行航行任務(wù)時(shí)，根據(jù)鋰電池管理系統(tǒng)bms提供的soc估算值，使用航行里程與電池soc關(guān)系模型(3)得到航行里程數(shù)預(yù)測(cè)值l，并提供確定里程內(nèi)的報(bào)警信號(hào)；

63、當(dāng)船舶功率管理系統(tǒng)pms檢測(cè)到電池電量過(guò)低無(wú)法正常返航的異常情況，為避免對(duì)船舶使用安全造成影響，根據(jù)應(yīng)用船型和推進(jìn)形式得到的輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)模型(4)和模型(5)，船舶功率管理系統(tǒng)pms選擇最優(yōu)航速/功率比并給出推薦返航推進(jìn)功率，支持純電池船舶在異常情況下的正常返航。

64、作為一種優(yōu)選的方案，所述船端箱式鋰電池裝置與所述船舶功率管理系統(tǒng)pms之間的協(xié)同運(yùn)行模式，通過(guò)鋰電池管理系統(tǒng)bms與管理數(shù)據(jù)庫(kù)之間的信息交互、數(shù)據(jù)處理與協(xié)同決策實(shí)現(xiàn)。

65、作為一種優(yōu)選的方案，所述管理數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置有船舶航速v、航行時(shí)間t、航行里程與負(fù)載電流、負(fù)載電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。

66、本發(fā)明的有益效果是：

67、1.本集成平臺(tái)采用縱向分層、橫向集成的分布式船舶動(dòng)力電池應(yīng)用策略，開(kāi)發(fā)船舶應(yīng)用箱式動(dòng)力鋰電池集成平臺(tái)及其船端裝置與管理系統(tǒng)bms，負(fù)責(zé)動(dòng)力電池安全運(yùn)行、能量控制和信息管理，包括電池狀態(tài)監(jiān)控、soc估算、soh分析、安全保護(hù)、信息交互(包括人機(jī)、外設(shè)等)；在滿足船舶使用要求的情況下，根據(jù)電池狀態(tài)和推進(jìn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，在提高動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行效率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的同時(shí)，達(dá)到延長(zhǎng)電池系統(tǒng)使用壽命的目的。

68、2.本集成平臺(tái)開(kāi)發(fā)船舶功率管理系統(tǒng)pms與電池管理系統(tǒng)bms協(xié)作運(yùn)行模式，通過(guò)工業(yè)總線將船舶功率管理系統(tǒng)pms與電池管理系統(tǒng)bms進(jìn)行通信交互，綜合考慮電池動(dòng)力系統(tǒng)的安全性和使用要求，利用每個(gè)模塊化電池的充放電狀態(tài)soc、健康狀態(tài)soh等信息，以對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和管理。

69、3.本集成平臺(tái)通過(guò)船舶功率管理系統(tǒng)pms實(shí)時(shí)接收箱式動(dòng)力鋰電池裝置中鋰電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，并按照用戶(hù)使用習(xí)慣實(shí)現(xiàn)續(xù)航時(shí)間預(yù)測(cè)及實(shí)時(shí)預(yù)警。

70、4.當(dāng)電池電量過(guò)低時(shí)，易出現(xiàn)無(wú)法正常返航的異常情況，為避免對(duì)船舶使用安全造成影響，本集成平臺(tái)根據(jù)應(yīng)用船型和推進(jìn)形式等輸入數(shù)據(jù)，考慮最優(yōu)航速/功率比并給出推薦返航推進(jìn)功率，支持純電池船舶在異常情況下的返航。

71、5.通過(guò)采集記錄在鋰電池管理系統(tǒng)bms中的運(yùn)行數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)，建立狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)在船舶功率管理系統(tǒng)pms1的數(shù)據(jù)庫(kù)中，岸端監(jiān)控中心以通訊方式獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“船-岸”信息交互和監(jiān)管。