CN107800128A - 一种船舶综合电力*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶综合电力***，燃料电池发电分***、锂电池储能分***、永磁推进分***、配电分***以及能量管理分***；燃料电池发电分***采用燃料电池组作为主发电机组，配置锂电池储能分***进行能量缓冲，锂电池储能分***由钛酸锂电池单体通过串并联组成；燃料电池组将化学能转换为直流电能，为推进电机及全艇辅机提供电能；燃料电池发电分***发出的电能通过配电分***构建的电力网络传递给锂电池储能分***、永磁推进分***及辅机、武器、探测、日常用电等其他用电设备，能量的监测与调度通过能量管理分***实现。提高***的适用性，实现能量的高度利用；并提高声隐身性能。

Description

一种船舶综合电力***
技术领域
本发明涉及一种船舶综合电力***，属于电力***领域，适用于船舶、潜器、无人航行器、深海空间站电力***。
背景技术
传统船舶推进***是独立于电力***存在的，通常由传统热气机或其他机械装置实现直接推进，在这种***中减速齿轮箱成为影响声隐身性能的重要因素，不利于减振降噪措施的实施。传统潜器以铅酸蓄电池为主动力源，采用直流电力推进的方式来减小噪声源，其电源功率密度和能源利用效率有待提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种船舶综合电力***，提高***的适用性，实现能量的高度利用；并提高声隐身性能。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种船舶综合电力***，燃料电池发电分***、锂电池储能分***、永磁推进分***、配电分***以及能量管理分***；其特征在于：
燃料电池发电分***采用燃料电池组作为主发电机组，配置锂电池储能分***进行能量缓冲，锂电池储能分***由钛酸锂电池单体通过串并联组成；燃料电池组将化学能转换为直流电能，为推进电机及全艇辅机提供电能；
燃料电池发电分***发出的电能通过配电分***构建的电力网络传递给锂电池储能分***、永磁推进分***及辅机、武器、探测、日常用电等其他用电设备，能量的监测与调度通过能量管理分***实现。
进一步的，燃料电池组包括氧源***、氢源***、燃料电池模块、控制单元、DC/DC变换单元及反应物处理***；燃料电池组在水下通过化学反应将化学能转换为直流电能，控制单元用于对化学反应进行控制，最终通过DC/DC变换单元转换为直流幅压电为推进电机及全艇辅机提供电能；氧源***为燃料电池模块持续提供氧气，燃料电池模块进行化学反应将产生的热量一部分进入热量交换器，一部分对氢源***进行加热，继而通过制氢装置为燃料电池模块提供氢气；反应物处理***通过气水分离装置将化学反应产物进行分离为氢气和水。
进一步的，锂电池储能分***采用钛酸锂电池单体通过串并联组成一组锂电池组，由多组锂电池组实现组合模块，并在出口设置断路器。
进一步的，永磁推进分***采用低速大扭矩永磁推进电机，永磁推进电机采用内转子表贴式永磁同步电机；定子和变流调速装置采用水冷技术。
进一步的，配电分***根据电能的不同规格要求配置静止式变电装置，变流装置主要由主电路、控制单元、电源模块、散热单元、通信单元组成，具有输入欠压保护、输出短路保护、过流保护、输出过压保护、过温保护功能，主机可通过CAN与外部进行通讯。
进一步的，配电分***采取区域供配电的模式，动力电网设计成两个区域，每一区域均包含一台一台燃料电池模块装置、2组锂电池组，正常运行时独立向永磁推进电机的半组通道供电，当一组锂电池组出现故障停机时，两个区域可通过直流配电板内母联开关连接，保证供电可靠性。
进一步的，所述的能量管理分***包含综合电力***内部的能量管理装置、传感器和执行器件；能量管理装置接收控制指令并将其下发给对应的控制器和执行器件，同时接受并显示各设备的状态和运行参数；能量管理装置主要由加固计算机、加固液晶显示屏、信号调理单元、电源、可编程逻辑控制器、功能面板以及舷外的遥控面板组成。
与传统电力***相比，本发明船舶综合电力***由燃料电池发电分***、锂电池储能分***、永磁推进分***、配电分***以及能量管理分***五部分组成。其发电分***采用高功率密度的燃料电池，并配以锂电池组作为储能模块，电源功率密度较铅酸蓄电池有了显著提高；推进分***采用低速大扭矩永磁推进电机，使用变频调速器用于控制推进电机的转速，消除了减速齿轮箱这一重要噪声源，有利于提高声隐身性能。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：1将传统的机械推进与电力***融为一体，改进推进形式，减少齿轮箱，提高声隐身性能；2通过电力网络将动力源、推进、辅机、武器、探测、日常用电等能量进行整合，以电能的形式进行协调管理与控制，实现能量的高度利用；能量利用率与传统电力***相比提高了20％。3采用开放式结构，实现各功能分***的系列化、模块化设计，有效地减少装备型号，降低成本，提高装备通用性和利用率。
综上所述，本发明船用综合电力***对改善声隐身性能、提高***运行效率和模块化程度具有深远意义。
附图说明
图1为根据本发明实施的一种船舶综合电力***的原理框图；
图2为燃料电池发电分***组成框图；
图3为锂电池模块连接示意图；
图4为锂电池管理***架构图；
图5为配电分***网络图；
图6为能量管理分***架构图；
图7为能量管理装置原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-7，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
根据本发明实施的船舶综合电力***如图1所示，包括：燃料电池发电分***1、锂电池储能分***2、永磁推进分***3、配电分***4以及能量管理分***5。
如图2所示，燃料电池发电分***1主要包括：氧源***6、氢源***7、燃料电池模块8、控制单元9、DC/DC变换单元10及反应物处理***11。
燃料电池发电分***1在水下通过氧气和氢气发生化学反应将化学能转换为直流电能，控制单元9用于对化学反应进行控制，最终通过DC/DC变换单元10转换为直流幅压电为推进电机及全艇辅机提供电能。氧源***7为燃料电池模块8持续提供氧气，氢源***7是燃料电池发电分***的关键部分，燃料电池模块8进行化学反应将产生的热量一部分进入热量交换器，一部分对氢源12进行加热，继而通过制氢装置13为燃料电池模块8提供氢气。反应物处理***11通过气水分离装置14将产物进行分离为氢气和水，氢气经过消氢装置15脱氢后进入水箱16。
锂电池储能分***2采用钛酸锂电池，每个单体采用尖晶石结构的钛酸锂代替传统的碳材料作为电池负极材料，以锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂作为正极材料，解决了以碳材料作为负极的锂离子电池存在的安全性差、不稳定、寿命短等问题。
如图3所示，锂电池储能分***2包括多个锂电池模块17；一个锂电池模块17，由24个20Ah、2.3V的钛酸锂电池单体按照2并12串的方式进行组合。如图3所示，本实施例将这些锂电池模块17以3并11串的方式组成一组锂电池组18，并在出口处配置一台断路器。钛酸锂电池单体的标称容量为20Ah，能量密度为176Wh/L，储能分***可根据容量需求及总体体积重量需求进行多块钛酸锂电池单体的串并联组合，形成一组锂电池组，实现模块化设计。
如图4所示，锂电池储能分***2设置有电池管理***19，包括：采样单元(LECU)20、电池组管理单元(BSMU)21、高压管理单元(HMU)22、中央控制单元(BCMU)23。采样单元20对锂电池模块17电压及关键点温度进行监测，可同时采集电池电压及温度，并将采集的数据信息上传给电池组管理单元21；高压管理单元22可采集锂电池组18的充放电电流，采集电池组总电压，同时监测绝缘状况，并将信息上传给电池组管理单元21；电池组管理单元21对电池组进行管理，接收采样单元20和高压管理单元22上传的信息，控制电池组的主回路继电器；中央控制单元23对锂电池储能电池***2进行管理，接收电池组管理单元21上传的信息，监测***单元运行状态，与能量管理***5通讯，根据保护策略发送故障报警信息。
图5为根据本发明实施的一种配电分***网络图，综合电力***动力电网设计成两个区域，两组锂电池组18和一台燃料电池模块8装置通过1号直流配电板24向永磁推进电机25、1号辅机控制板26和24V电源装置27供电，两组锂电池组18和一台燃料电池模块8通过2号直流配电板28向永磁推进电机25、2号辅机控制板29、24V电源装置27和应急锂电池组30供电，两个供电区域的设备和电缆沿左、右舷布置和敷设。
正常工况下可根据不同航速要求开启一台或两台燃料电池模块8，锂电池组18可处于浮充电状态或与燃料电池模块8并联为设备供电。当一舷锂电池组18出现故障停机时，两个区域可通过1号直流配电板24内母联开关Q13连接，保证供电可靠性。当出现主动力电源故障失电时，***可切换至由应急锂电池组30供电，为应急工况下需工作的重要负荷供电。
能量管理分***5包含能量管理装置31及综合电力***内部的控制器、传感器和执行器件断路器和开关等设备。图6～图7为能量管理分***架构图和原理图，能量管理装置31主要由加固计算机32、加固液晶显示屏33、信号调理单元34、电源35、DC/DC变换器36、PLC37、功能面板38以及舷外的遥控面板39组成，其接收自主控制***40的控制指令将其下发给对应的控制器和执行器件，并将综合电力***各设备的状态和运行参数反馈给自主控制***40。
永磁推进分***3采用低速大扭矩永磁推进电机，各组三相绕组及其控制模块相互独立，具有功率密度大、尺寸重量小、效率高的特点。永磁推进电机采用内转子表贴式永磁同步电机，转子采用永磁体励磁，发热量很小，定子和变流调速装置采用水冷技术，取消了传统直流电机冷却通风机组，减小了由此引起的振动噪声约10分贝，有利于降低辐射噪声，提高声隐身性能。

Claims (7)

1.一种船舶综合电力***，燃料电池发电分***、锂电池储能分***、永磁推进分***、配电分***以及能量管理分***；其特征在于：
燃料电池发电分***采用燃料电池组作为主发电机组，配置锂电池储能分***进行能量缓冲，锂电池储能分***由钛酸锂电池单体通过串并联组成；燃料电池组将化学能转换为直流电能，为推进电机及全艇辅机提供电能；
燃料电池发电分***发出的电能通过配电分***构建的电力网络传递给锂电池储能分***、永磁推进分***及辅机、武器、探测、日常用电等其他用电设备，能量的监测与调度通过能量管理分***实现。
2.根据权利要求1所述的船舶综合电力***，其特征在于：
燃料电池组包括氧源***、氢源***、燃料电池模块、控制单元、DC/DC变换单元及反应物处理***；燃料电池组在水下通过化学反应将化学能转换为直流电能，控制单元用于对化学反应进行控制，最终通过DC/DC变换单元转换为直流幅压电为推进电机及全艇辅机提供电能；氧源***为燃料电池模块持续提供氧气，燃料电池模块进行化学反应将产生的热量一部分进入热量交换器，一部分对氢源***进行加热，继而通过制氢装置为燃料电池模块提供氢气；反应物处理***通过气水分离装置将化学反应产物进行分离为氢气和水。
3.根据权利要求1所述的船舶综合电力***，其特征在于：
锂电池储能分***采用钛酸锂电池单体通过串并联组成一组锂电池组，由多组锂电池组实现组合模块，并在出口设置断路器。
4.根据权利要求1所述的船舶综合电力***，其特征在于：
永磁推进分***采用低速大扭矩永磁推进电机，永磁推进电机采用内转子表贴式永磁同步电机；定子和变流调速装置采用水冷技术。
5.根据权利要求1所述的船舶综合电力***，其特征在于：
配电分***根据电能的不同规格要求配置静止式变电装置，变流装置主要由主电路、控制单元、电源模块、散热单元、通信单元组成，具有输入欠压保护、输出短路保护、过流保护、输出过压保护、过温保护功能，主机可通过CAN与外部进行通讯。
6.根据权利要求1所述的船舶综合电力***，其特征在于：
配电分***采取区域供配电的模式，动力电网设计成两个区域，每一区域均包含一台一台燃料电池模块装置、2组锂电池组，正常运行时独立向永磁推进电机的半组通道供电，当一组锂电池组出现故障停机时，两个区域可通过直流配电板内母联开关连接，保证供电可靠性。
7.根据权利要求1所述的船舶综合电力***，其特征在于：
所述的能量管理分***包含综合电力***内部的能量管理装置、传感器和执行器件；能量管理装置接收控制指令并将其下发给对应的控制器和执行器件，同时接受并显示各设备的状态和运行参数；能量管理装置主要由加固计算机、加固液晶显示屏、信号调理单元、电源、可编程逻辑控制器、功能面板以及舷外的遥控面板组成。
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