CN114301052A - 新能源船舶直流组网***及电池功率控制方法 - Google Patents

Abstract

新能源船舶直流组网***及电池功率控制方法，基于所有锂电池组的剩余使用寿命一致的原则来进行，也就是各锂电池组的剩余能量一致。通过实时统计直流组网***中供能端的各组锂电池组的健康指数，分析当前各锂电池组的剩余寿命，并按照其多少来分配各个锂电池组在单位时间内所应承担的负载，然后调整各个锂电池组的输出功率，使得各个锂电池组最终的输出功率趋于一致，从而使各锂电池组的剩余使用寿命达到一致。

Description

新能源船舶直流组网***及电池功率控制方法

技术领域

本发明涉及新能源船舶电力控制领域，具体涉及一种新能源船舶直流组网***及电池功率控制方法。

背景技术

在电池直流组网***中，各锂电池组即使名义上参数完全一致，但是其在使用过程中，由于种种因素会导致每组锂电池的实际使用寿命发生变化，这便使得即使每组锂电池分担的负载功率完全一致时，各个锂电池组的实际剩余寿命情况也会不一样，总会有锂电池先耗尽电量或达到设定阈值，导致其余锂电池组分担的功率突然增加，极大的影响了电网的稳定性。

在新能源船舶领域，由于船舶结构特性和负载分布特征，在电池直流***在船舷左右两侧都有分布，两者母线连接，两舷各自接有不同的负载，而对与此种分布情况的电池寿命控制是全新的课题。

中国专利文献CN 105548901 A记载了一种轨道交通用钛酸锂电池功率状态预测方法，文献CN 102866360 A记载了一种动力电池组允许放电功率预估方法，两者均提出了基于电池电量SOC值的方法，来计算电池的放电功率，该类方法分析所依据的参数过于单一；专利文献CN 108287317 A记载了电池功率预测模型生成方法及***、功率预测方法及***，提出了基于卷积神经网络算法预测电池功率，参考了锂电池的多种参数，但是没能解决多组锂电池之间的功率分配以及个参数之间的定量关联；专利文献CN 112332483 A记载了一种串联型锂电池组的能量管理控制方法，提出了一种串联锂电池组基于SOC差值的功率调整方法，使得各锂电池的使用寿命情况基本一致，但是无法解决直流组网***中多组锂电池组并联的应用场景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新能源船舶直流组网***及电池功率控制方法，通过对锂电池组中各项参数的分析，定量衡量各组锂电池组的剩余寿命情况，提高了锂电池组使用的安全性，各锂电池组的剩余寿命趋于一致。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

如图1和2中所示，新能源船舶直流组网***，包括配置相同的左舷和右舷两个电力单元，左舷电力单元和右舷电力单元内设有直流母线，母线断路器将两舷的直流母线连接，电力单元包括动力组件和负载组件，动力组件包括并列设置的多组配置相同的电池支路，电池支路包括与直流母线依次连接的斩波器、锂电池组，锂电池组上还连接有绝缘测试装置，负载组件包括推进负载和日用电源负载，负载组件与直流母线电连接。

上述的推进负载包括与直流母线连接且依次布置的推进逆变器、推进电机和桨叶，日用电源负载包括与直流母线连接且依次布置的日用逆变器和日用变压器，日用变压器与船上各个日用负载连接。

使用上述的新能源船舶直流组网***的电池功率控制方法，控制方法包括以下步骤：

Step1、健康指数的设定：设定各锂电池组的健康指数初始值S＝1，根据锂电池组的实际使用状况，影响健康指数的因素包括锂电池组的剩余电量、锂电温度、电压和绝缘状态，对影响健康指数各个因素的占比进行分析；

Step2、初始功率分配，在本直流组网***中，各个锂电池组的初状态均一致，即具有名义上相同的健康指数S，根据负载反馈的当前稳定功率需求，将总功率P平均分配给各个锂电池组，每个锂电池组初始输出的功率均为

Step3、健康指数加权分析，根据各个锂电池组动态变化的实际健康指数S_j对各个锂电池组的初始输出功率

进行加权调整；

Step4、功率调整：根据Step3中得到的锂电池组功率调整的加权差值△P_j，并通过各锂电池组所在支路上的斩波器对其进行差异化控制，改变各锂电池组的输出功率值；

Step5、采集各个锂电池组的参数并分析各个锂电池组的实时健康指数S_j，然后重复Step1至Step4对各个锂电池组进行动态调节，使各个锂电池组的剩余使用寿命趋于一致。

上述的Step1中，影响健康指数各个因素的占比分析具体方法为：

Step1.1、初始值设置：记各个影响因素对健康指数的预设影响占比为

式中i＝{1,2,3,4}分别表示锂电池组剩余电量、温度、电压和绝缘状态；

Step1.2、锂电池组参数测量：中央控制***每隔固定时间对各锂电池组j的参数进行统计与测量，其中j＝{1,2,3…n}，参数包括监控电池得出的锂电池组剩余电量值X_j、锂电池组实时温度T_j、锂电池组实时电压U_j、锂电池组漏电电流I_j；

Step1.3、各影响系数分析：将Step1.2中各锂电池组的各项参数进行分析，获得其对各个影响因素的影响系数

a.锂电池组剩余电量影响系数

式中x为电池电量的最低阈值，当锂电池的剩余电量低于x时，该锂电池组不再输出功率；

b.锂电池组实时温度影响系数

式中t₁为锂电池组可以正常工作的最低温度，t₂为锂电池组可以正常工作的最高温度；

c.锂电池组实时电压影响系数

式中u为***稳定运行时的设定电压，△U为设定的电压波动阈值；

d.锂电池组绝缘状态影响系数

式中I₀为锂电池组绝缘极限漏电电流，当I_j>I₀时即是锂电池组电芯内部存在短路异物；

Step1.4、健康指数计算：依据前述分析可知，各锂电池组的综合影响系数为

因此各电池组的健康指数为S_j＝K_jS。

上述的Step3中，对各个锂电池组的初始输出功率

进行加权调整的具体方法为：

各锂电池组的当前实际寿命W_j＝WS_j，W为锂电池组的初始寿命，记在单位时间t内，各锂电池组加权的功率为ΔP₁、ΔP₂…ΔP_n，加权的原则是健康指数高的锂电池组多输出功率，健康指数低的锂电池组少输出功率，即

式中P_j为各锂电池组的实际输出功率；使得***运行时间t后，各锂电池组的剩余寿命W_j-ΔW_j趋于相等，其中ΔW_j＝P_j.t，即健康指数趋于相等；

假定***中共有m组锂电池组S_j＝0，即有m组锂电池组不参与***的负载功率分配，为便于表示将该m组锂电池组集中标号，记为从第f个开始，到第f+m-1个结束，得到如下公式：

将各个锂电池组在单位时间t内输出的功率均用第一组锂电池组的输出功率表示，即：

可得：

即，各组锂电池组在单位时间t中的实际输出功率为：

上述的Step1.1中，锂电池组剩余电量对健康指数的影响占比为

锂电池组温度对健康指数的影响占比为

，锂电池组电压对健康指数的影响占比为

锂电池组绝缘状态对健康指数的影响占比为

本发明提供的一种新能源船舶直流组网***及电池功率控制方法，具有如下有益效果：

1、提出了锂电池组基于健康指数的寿命评估方法，通过对锂电池组中各项参数的分析，明确了各个锂电池组参数对锂电池组健康指数的影响，并通过实时检测相关参数，获得了锂电池组的动态健康指数，定量衡量各组锂电池组的剩余寿命情况，提高了锂电池组使用的安全性。

2、基于各个锂电池组的健康指数，分析各个锂电池组应当承担的负载，保证了每组锂电池组在***运行时，各锂电池组的剩余寿命趋于一致，便于对***中的锂电池组进行统一的更换，提高了***电网的稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中新能源船舶直流组网电池动力***示意图；

图2为本发明锂电池功率检测控制图。

其中：锂电池组1、斩波器2、直流母线3、母线断路器4、绝缘测试装置5、推进逆变器6、推进电机7、桨叶8、日用逆变器9、日用变压器10。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚，以下内容将结合根据本发明提供的附图，对本发明具体技术方案进行***、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和2中所示，新能源船舶直流组网***，包括配置相同的左舷和右舷两个电力单元，左舷电力单元和右舷电力单元内设有直流母线3，母线断路器4将两舷的直流母线3连接，电力单元包括动力组件和负载组件，动力组件包括并列设置的多组配置相同的电池支路，电池支路包括与直流母线3依次连接的斩波器2、锂电池组1，锂电池组1上还连接有绝缘测试装置5，负载组件包括推进负载和日用电源负载，负载组件与直流母线3电连接。

上述的推进负载包括与直流母线3连接且依次布置的推进逆变器6、推进电机7和桨叶8，日用电源负载包括与直流母线3连接且依次布置的日用逆变器9和日用变压器10，日用变压器10与船上各个日用负载连接。

使用上述的新能源船舶直流组网***的电池功率控制方法，控制方法包括以下步骤：

Step1、健康指数的设定：设定各锂电池组1的健康指数初始值S＝1，根据锂电池组1的实际使用状况，影响健康指数的因素包括锂电池组1的剩余电量、锂电温度、电压和绝缘状态，对影响健康指数各个因素的占比进行分析；

Step1.1、初始值设置：记各个影响因素对健康指数的预设影响占比为

，式中i＝{1,2,3,4}分别表示锂电池组1剩余电量、温度、电压和绝缘状态，锂电池组剩余电量对健康指数的影响占比为

，锂电池组温度对健康指数的影响占比为

锂电池组电压对健康指数的影响占比为

锂电池组绝缘状态对健康指数的影响占比为

根据锂电池组剩余电量、温度、电压及绝缘状态已经相应的权重来决定电池组的健康状况；

Step1.2、锂电池组参数测量：中央控制***每隔固定时间对各锂电池组j的参数进行统计与测量，其中j＝{1,2,3…n}，参数包括中央控制***监控电池得出的锂电池组剩余电量值X_j、通过温度传感器测量所得的锂电池组实时温度T_j、斩波器2锂电池组1端电压表测得的锂电池组实时电压U_j、各个锂电池组1的绝缘测试装置5测得的锂电池组漏电电流I_j；

Step1.3、各影响系数分析：将Step1.2中各锂电池组的各项参数进行分析，获得其对各个影响因素的影响系数

a.锂电池组剩余电量影响系数

式中x为电池电量的最低阈值，当锂电池的剩余电量低于x时，该锂电池组不再输出功率，当剩余电量大于最低阈值电量时，影响系数随着剩余电量的增加而增加，则代表电池目前越健康；

b.锂电池组实时温度影响系数

式中t₁为锂电池组可以正常工作的最低温度，t₂为锂电池组可以正常工作的最高温度；

c.锂电池组实时电压影响系数

式中u为***稳定运行时的设定电压，△U为设定的电压波动阈值；

d.锂电池组绝缘状态影响系数

式中I₀为锂电池组绝缘极限漏电电流，当I_j>I₀时即是锂电池组电芯内部存在短路异物；

Step1.4、健康指数计算：依据前述分析可知，各锂电池组的综合影响系数为

因此各电池组的健康指数为S_j＝K_jS，通过健康指数的综合判断，将上述四种电池的状态参数结合起来对电池状态进行综合的评估；

Step2、初始功率分配，在本直流组网***中，各个锂电池组1的初状态均一致，即具有名义上相同的健康指数S，根据负载反馈的当前稳定功率需求，将总功率P平均分配给各个锂电池组1，每个锂电池组1初始输出的功率均为

Step3、健康指数加权分析，根据各个锂电池组1动态变化的实际健康指数S_j对各个锂电池组1的初始输出功率

进行加权调整，通过加权实现能者多劳，对锂电池的寿命的装置整体的功率输出进行合理调控；

各锂电池组的当前实际寿命W_j＝WS_j，W为锂电池组的初始寿命，记在单位时间t内，各锂电池组加权的功率为ΔP₁、ΔP₂…ΔP_n，加权的原则是健康指数高的锂电池组多输出功率，健康指数低的锂电池组少输出功率，即

式中P_j为各锂电池组的实际输出功率；使得***运行时间t后，各锂电池组的剩余寿命W_j-ΔW_j趋于相等，其中ΔW_j＝P_j.t，即健康指数趋于相等；

假定***中共有m组锂电池组S_j＝0，即有m组锂电池组不参与***的负载功率分配，为便于表示将该m组锂电池组集中标号，记为从第f个开始，到第f+m-1个结束，得到如下公式：

将各个锂电池组在单位时间t内输出的功率均用第一组锂电池组的输出功率表示，即：

可得：

即，各组锂电池组在单位时间t中的实际输出功率为：

Step4、功率调整：根据Step3中得到的锂电池组1功率调整的加权差值△P_j，并通过各锂电池组1所在支路上的斩波器2对其进行差异化控制，改变各锂电池组1的输出功率值；

Step5、采集各个锂电池组1的参数并分析各个锂电池组1的实时健康指数Sj，然后重复Step1至Step4对各个锂电池组1进行动态调节，使各个锂电池组1的剩余使用寿命趋于一致。

Claims (6)

1.新能源船舶直流组网***，其特征在于，包括配置相同的左舷和右舷两个电力单元，左舷电力单元和右舷电力单元内设有直流母线(3)，母线断路器(4)将两舷的直流母线(3)连接，电力单元包括动力组件和负载组件，动力组件包括并列设置的多组配置相同的电池支路，电池支路包括与直流母线(3)依次连接的斩波器(2)、锂电池组(1)，锂电池组(1)上还连接有绝缘测试装置(5)，负载组件包括推进负载和日用电源负载，负载组件与直流母线(3)电连接。

2.根据权利要求1所述的新能源船舶直流组网***，其特征在于，所述的推进负载包括与直流母线(3)连接且依次布置的推进逆变器(6)、推进电机(7)和桨叶(8)，日用电源负载包括与直流母线(3)连接且依次布置的日用逆变器(9)和日用变压器(10)，日用变压器(10)与船上各个日用负载连接。

3.使用权利要求2所述的新能源船舶直流组网***的电池功率控制方法，其特征在于，控制方法包括以下步骤：

Step1、健康指数的设定：设定各锂电池组(1)的健康指数初始值S＝1，根据锂电池组(1)的实际使用状况，影响健康指数的因素包括锂电池组(1)的剩余电量、锂电温度、电压和绝缘状态，对影响健康指数各个因素的占比进行分析；

Step2、初始功率分配，在本直流组网***中，各个锂电池组(1)的初状态均一致，即具有名义上相同的健康指数S，根据负载反馈的当前稳定功率需求，将总功率P平均分配给各个锂电池组(1)，每个锂电池组(1)初始输出的功率均为

Step3、健康指数加权分析，根据各个锂电池组(1)动态变化的实际健康指数S_j对各个锂电池组(1)的初始输出功率P⁰ _j进行加权调整；

Step4、功率调整：根据Step3中得到的锂电池组(1)功率调整的加权差值△P_j，并通过各锂电池组(1)所在支路上的斩波器(2)对其进行差异化控制，改变各锂电池组(1)的输出功率值；

Step5、采集各个锂电池组(1)的参数并分析各个锂电池组(1)的实时健康指数S_j，然后重复Step1至Step4对各个锂电池组(1)进行动态调节，使各个锂电池组(1)的剩余使用寿命趋于一致。

4.根据权利要求3所述的新能源船舶直流组网***的电池功率控制方法，其特征在于，所述的Step1中，影响健康指数各个因素的占比分析具体方法为：

Step1.1、初始值设置：记各个影响因素对健康指数的预设影响占比为

式中i＝{1,2,3,4}分别表示锂电池组(1)剩余电量、温度、电压和绝缘状态；

Step1.2、锂电池组参数测量：中央控制***每隔固定时间对各锂电池组j的参数进行统计与测量，其中j＝{1,2,3…n}，参数包括监控电池得出的锂电池组剩余电量值X_j、锂电池组实时温度T_j、锂电池组实时电压U_j、锂电池组漏电电流I_j；

Step1.3、各影响系数分析：将Step1.2中各锂电池组的各项参数进行分析，获得其对各个影响因素的影响系数k_i ^j：

a.锂电池组剩余电量影响系数

式中x为电池电量的最低阈值，当锂电池的剩余电量低于x时，该锂电池组不再输出功率；

b.锂电池组实时温度影响系数

式中t₁为锂电池组可以正常工作的最低温度，t₂为锂电池组可以正常工作的最高温度；

c.锂电池组实时电压影响系数

式中u为***稳定运行时的设定电压，△U为设定的电压波动阈值；

d.锂电池组绝缘状态影响系数

式中I₀为锂电池组绝缘极限漏电电流，当I_j>I₀时即是锂电池组电芯内部存在短路异物；

Step1.4、健康指数计算：依据前述分析可知，各锂电池组的综合影响系数为

因此各电池组的健康指数为S_j＝K_jS。

5.根据权利要求4所述的新能源船舶直流组网***的电池功率控制方法，其特征在于，所述的Step3中，对各个锂电池组的初始输出功率P⁰ _j进行加权调整的具体方法为：

各锂电池组的当前实际寿命W_j＝WS_j，W为锂电池组的初始寿命，记在单位时间t内，各锂电池组加权的功率为ΔP₁、ΔP₂…ΔP_n，加权的原则是健康指数高的锂电池组多输出功率，健康指数低的锂电池组少输出功率，即△P_j＝P_j-P_j ⁰，式中P_j为各锂电池组的实际输出功率；使得***运行时间t后，各锂电池组的剩余寿命W_j-ΔW_j趋于相等，其中ΔW_j＝P_j.t，即健康指数趋于相等；

假定***中共有m组锂电池组S_j＝0，即有m组锂电池组不参与***的负载功率分配，为便于表示将该m组锂电池组集中标号，记为从第f个开始，到第f+m-1个结束，得到如下公式：

将各个锂电池组在单位时间t内输出的功率均用第一组锂电池组的输出功率表示，即：

可得：

即，各组锂电池组在单位时间t中的实际输出功率为：

6.根据权利要求4所述的新能源船舶直流组网***的电池功率控制方法，其特征在于，所述的Step1.1中，锂电池组剩余电量对健康指数的影响占比为

锂电池组温度对健康指数的影响占比为

锂电池组电压对健康指数的影响占比为

锂电池组绝缘状态对健康指数的影响占比为

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