[发明专利]新能源船舶电池动力系统及其控制方法

权利要求书

1.一种新能源船舶电池动力系统的控制方法，其中新能源船舶电池动力系统，包括统筹管理直流组网系统中所有的作业控制系统和直流组网系统，控制系统包含负责电池系统的参数测量、状态监控及安全运行的电池管理系统BMS、功率管理系统PMS以及推进管理系统PCS、以及与功率管理系统PMS连接通讯实现对电池的充电与放电的控制和保护的系统级管理单元BAMS；

直流组网系统分为左舷和右舷两个电力单元，左舷和右舷两个电力单元配置相同并通过母线断路器连接；

电力单元包含供能组件与负载组件，供能组件包括内部供能组件与外部供能组件，其中内部供能组件由多组规格相同的电池支路组成，每一组电池支路均包含与直流母线依次连接的斩波器、高压控制箱以及电池簇，每一组电池支路的高压控制箱均通过各个电力单元的高压控制汇流柜进行调配；

外部供能组件包含位于港口的与直流母线连接的岸电系统，连接岸电系统与直流母线之间设有整流器；

负载组件包括推进负载和日用负载，推进负载包含与直流母线依次连接的推进逆变器和推进系统，日用负载与直流母线之间设有日用逆变器；

左舷和右舷两个电力单元的两段直流母线上，分别安设有左电压表以及右电压表；

电池簇包括多个电池包，电池包包括多组电池模组，电池簇的电池模组内含有多个电芯；

电池管理系统BMS分为三级，第一级为检测单体电芯的电压与温度，控制单体电芯的均衡的电池包管理单元BMU；第二级为检测整个电池簇的总电压、总电流、绝缘性并向上级电池管理系统BMS实时汇报电池簇的信息的电池簇管理单元MBMS；第三级为收集电池簇管理单元MBMS的信息以实时对电池簇剩余容量、健康状态、功率进行预估的系统级管理单元BAMS，电池管理系统BMS通过CAN通信方式与电池管理系统BMS和功率管理系统PMS进行通信；

功率管理系统PMS通过斩波器、整流器以及推进逆变器和日用逆变器负责电池簇的充电与放电控制、在网电池簇数量以及功率平衡的综合管理；推进控制系统推进管理系统PCS负责推进系统的推进负荷的调速和功率限制；

该新能源船舶电池动力系统的控制方法，具体如下：

步骤1，准备阶段；首先按下高压控制汇流柜的唤醒按钮，电池管理系统BMS低压电源开始唤醒电池动力系统；然后按下启动按钮，电池系统自检当前状态，判断是否接收到了启动的信号，若确定为启动命令，则电池管理系统BMS控制电池动力系统开始预充，完成高压上电；

步骤2，确定工作状态；电池管理系统BMS完成高压上电后，电池动力系统进入准备状态，工作人员根据船舶实时状态选择电池动力系统要进行放电或进行充电，若选择充电则按下充电按钮，进入充电流程；若选择放电则按下放电按钮，进入放电流程；

步骤3，运行检测；电池动力系统不论当前处于充电或者放电状态，每隔固定时间段对系统进行自检，若功率管理系统PMS未接收来自系统级管理单元BAMS的关于电池簇故障或急停的信号，则电池动力系统照常运行；若接收工作人员通过高压控制汇流柜发出的急停信号，则整个系统直接高压下电，等待人工检查并重新唤醒，然后重复前述所有步骤；若接收到来自系统级管理单元BAMS发出的电池簇故障的信号，则转至步骤4；

步骤4，电池簇安全评估；电池管理系统BMS实时监测各个电池簇的健康状态，并将健康信息传输给功率管理系统PMS，具体过程如下：

步骤4-1，故障危害参数设定；设置电池包发生故障的频率以及故障发生对电池动力系统的危害程度，具体如下：

步骤4-1-1，故障发生频率F等级设定：

(1)F＝1，此类故障在电池包中基本不会发生，故障发生概率低于5％；

(2)F＝2，此类故障在电池包中很少发生，故障发生概率为5％～10％；

(3)F＝3，此类故障在电池包中可能发生，故障发生概率为10％～30％；

(4)F＝4，此类故障在电池包中偶尔发生，故障发生概率为30％～50％；

(5)F＝5，此类故障在电池包中经常发生，故障发生概率大于50％；

步骤4-1-2，故障后果G等级设定：

G＝1，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转没有影响，属于常规运行时误差范围内的波动；

G＝2，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有轻微的影响，但此类故障属于短暂的临时波动，系统会迅速自主恢复正常运行；

G＝3，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有一定的影响，系统无法再自主恢复正常运转，虽然整个系统仍然可以进行降功率运行，但需要工作人员及时对故障进行处理，才能恢复正常运行；

G＝4，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有明显的影响，系统无法正常运转，需在短时间内停止一切作业，工作人员需及时故障进行处理，随时准备启动应急响应方案，防止故障的进一步扩大；

G＝5，此类故障发生后，对电池包与电池动力系统的正常运转有破坏性的影响，系统无法正常运转，需立即停止作业，工作人员需首先疏散附近人员再对故障进行处理，同时启动应急响应方案，防止故障波及全船；

步骤4-2，故障风险值计算；根据对电池动力系统中电池包的长期使用数据，设定各类常见故障的发生频率数值Fi与故障发生时的影响后果程度数值Gi，各个故障发生时的风险值Si计算如下：S_i＝F_iG_i，i为各类具体故障，i＝{电芯模组短路，电芯模组虚焊，电芯异常温升，电池包电压异常，电池包温度过高，电池包内压力过高…}；

当电池动力系统运行时，电池模组管理单元实时读取电池包中各个传感器的参数以及各个电池模组的电压变化情况，将其与预设的参数进行对比，一旦有不属于设定阈值的参数时，即认定相关故障已发生，并将信息传输给中央控制系统，由其为整个电池包进行风险值评估，电池包的最终风险值S为当前时间段t内各个故障的风险值的综合

步骤4-3，通过对前述故障频率与故障后果等级的乘积得到风险值S，按不同风险值S进行处理，具体如下：

(1)风险等级Ⅰ：当0S≤2时，此时为无风险状态，电池动力系统可以正常运转；

(2)风险等级Ⅱ：当2S≤6时，此时为低风险状态，电池动力系统会发出低声警报，对船上工作人员进行提示；

(3)风险等级Ⅲ：当6S≤8时，此时为中低风险状态，电池动力系统会自动降低运行功率，电池动力系统发出警报声；

(4)风险等级Ⅳ：当8S≤12时，此时为中高风险状态，电池动力系统逐渐减少输出功率并在5s之后与电池断开，电池动力系统发出警报声；

(5)风险等级Ⅴ：当12S≤25时，此时为高风险状态，电池动力系统直接将推进功率进行降速到0立即断开与电池包的连接，发出警报声；

步骤4-4，故障应对：功率管理系统PMS接收到来自系统级管理单元BAMS的信息，若当前风险值小于8，则属于可接受风险，功率管理系统PMS通过电池簇级管理单元MBMS测得的电池簇的电压与电流信息，调节相应电池支路的斩波器，控制电池簇的相关参数是系统恢复稳定；若风险值大于8，即进入风险等级Ⅳ或以上，属于不可接受风险，此时的电池簇发生严重故障，必须通过更换故障电池簇才可是电池动力系统恢复稳定，则转至步骤5；

步骤5，电池簇退网；当步骤4-4判定当前有必须更换的电池簇后，功率管理系统PMS需要调整当前电池动力系统中各个电池簇的实时分配功率，通过功率转移的方式，将故障电池簇所负担的全部功率转移到其他电池簇，具体如下：

步骤5-1，初始稳态测量；当系统稳定工作时，电池动力系统的直流母线电压为U₁，电池簇总数为n，系统负载的总功率为nP₁；

步骤5-2，状态确定；当步骤4-4判定为不可接受风险后，更换按钮亮起，当工作人员排除起火、爆炸的隐患后，人工按下高压控制汇流柜上的更换按钮，系统级管理单元BAMS向功率管理系统PMS发出电池簇功率转移的命令，功率管理系统PMS采用调节下垂曲线逻辑的方式来进行恒负载的功率转移；然后将故障的电池簇进行更换；

步骤5-3，功率转移；此时功率管理系统PMS将需要承担多余功率的电池簇的斩波器的下垂曲线平行上移，同时需要减少承担功率的电池簇的斩波器下垂曲线镜像下降，两组电池簇斩波器的下垂曲线上升与下降幅度完全一致；

当电池簇所在支路的斩波器下垂曲线逻辑变更后，功率管理系统PMS调整各电池簇的输出功率，其中一组锂电池组需承担功率增加为P₅+ΔP₅，中央控制系统向该锂电池组斩波器发出新的输出功率的执行命令，斩波器控制锂电池组增加输出电流，与此同时采集实时电压与电流值，当锂电池组输出的电压和电流通过斩波器预设公式计算结果等于新输出功率P₅+ΔP₅时，斩波器停止增大锂电池组的输出电流使其达到新稳态，直流母线电压仍然为U₅；另一组锂电池组需承担功率减少为P₅-ΔP₅，

中央控制系统向该锂电池组斩波器发出新的输出功率的执行命令，斩波器控制锂电池组减少输出电流，与此同时系统级管理单元BAMS实时监控各电池簇的输出功率并将信息传输给功率管理系统PMS，当锂电池组输出的电压和电流通过斩波器预设公式计算结果等于新输出功率P₅-ΔP₅时停止减少该锂电池组的输出电流使其达到新稳态，直流母线电压仍然为U₅；

通过上述操作保证系统总输出功率不变的前提下，完成两组锂电池组之间的功率转移；不断重复上述过程，连续加大ΔP₅＝kP₅，直至P₅-ΔP₅＝0，完成将一组锂电池组的功率完全转移至另一组，实现某一锂电池组的退组；式中k为系数，k∈(0,1]且为0.1的整数倍；

步骤5-4，功率均分；完成退网锂电池组的功率转以后，直流组网系统中承担退网的锂电池组功率的某一锂电池组输出功率为2P₅，其余锂电池组仍为P₅，中央处理器将输出功率为2P₅的锂电池组中多承担功率P₅(n-2)/(n-1)均匀的向系统中其余的锂电池组进行转移，向剩余每组锂电池组转移的功率为P₆＝P₅/(n-1)；逐步调整各锂电池组斩波器的下垂曲线，使得直流组网系统中各个锂电池组承担的功率均为P₅+P₆，完成功率的均分，且直流母线电压仍然维持为U₁，以保证故障电池簇在退网过程中船舶负载的稳定运行。