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    • 专利摘要:
    本实用新型公开了一种动力电池单元；动力电池单元包括箱体，箱体内设有多个锂电池包；箱体上开设有箱门；箱体内设有搁架和内部控制柜；锂电池包和内部控制柜均设于搁架上；锂电池包与内部控制柜电连接；内部控制柜连接有对外快速接口；对外快速接口嵌设于箱体的侧面；箱体内腔的底部上固设有导轨，搁架底部固设有滚轮，滚轮滑设于导轨上；搁架和箱体之间设有可拆卸式的锁止机构。本实用新型使动力电池系统形成标准化单元模块，电池包可连同搁架移出箱体进行维护；可以避免电池在船上充电带来的安全隐患，提高船舶运营安全。
    公开号:CN214336811U
    申请号:CN202120746172.9U
    申请日:2021-04-13
    公开日:2021-10-01
    发明作者:翁爽；张亦弛；杜鹏飞；陆懿东
    申请人:Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute of CSSC No 604 Research Institute；
    IPC主号:H01M50-204
    专利说明:
    [n0001] 本实用新型涉及船舶技术领域，特别涉及一种动力电池单元。
    [n0002] 近年来，电池性能的发展、电池上船安全性的提高以及价格的下降，电储能在船舶上的应用越来越广泛。通过在船上设置锂电池储能系统并将其接入船舶电网，可以起到应急备用、削峰填谷、调峰调频等作用，从而优化船舶发动机的运行状态，实现降低排放、提升船舶运营经济性的目的。但随着排放政策的日趋严格，电池与常规油、气发动机混合使用的方案将无法满足未来即将生效的最严苛的废气污染物及碳排放限值要求，因而采取更大规模电池应用的纯电池动力船舶需求将逐年增多。
    [n0003] 目前已经有纯电池动力船舶投入使用，其技术方案及系统设备较多借鉴了纯电动汽车领域的技术。公开号为CN111547203A的专利公开了一种模块化设计的内河小型锂电池动力船，这种技术方案是当前较为典型的采用纯电池作为动力的船舶技术方案。在当前应用较为广泛的技术方案中，锂电池组替代原有的常规油、气发动机，作为船舶的电力来源布置在船体内部，电池系统与船舶电网相连，同时在船体上设置了对外接口，用于连接岸端充电枪，利用陆地电网对船上的电池组进行充电。在这种技术方案中，由于电池组固定安装在船体内部，对电池组的维护以及故障后的更换等工作均需在船上舱室内完成。
    [n0004] 现有技术中另一类方案借鉴了陆地箱式储能单元的技术方案，将锂电池组布置在集装箱内，再将集装箱装设在船舶的露天甲板上，电池组通过电缆与船舶电气系统相连。公开号为CN110481748A的专利公开了一种集装箱式船用电池储能系统。与前一种技术相比，这种技术方案一定程度上节约了船舶的内部空间，但充电依然需要依靠岸基设施，通过充电枪先将岸电连接至船舶电网、再通过电网向电池充电。同时，该技术方案中电池组固定安装在集装箱内部，对电池组的维护以及故障后的更换等工作需要在集装箱内完成。
    [n0005] 现有技术方案将锂电池组布置在船体内部时，受电池本身能量密度和船体空间限制，难以达到较高的功率输出或总能量储存；现有技术方案将锂电池布置在集装箱内时，由于需要考虑电池的更换和维护，会导致集装箱内部空间无法充分利用，同样降低了总能量储存。上述因素导致纯电池动力船舶单位空间携带能量低、浪费空间、影响船舶经济性。
    [n0006] 现有技术方案中，锂电池组的充电需要依靠岸上设置与船舶相连，在船舶靠岸时完成充电。受制于充电功率、码头充电设施以及港口配电状况，现有技术方案的船舶难以在短时间内完成能量补充，在能量消耗后需要长时间占用码头停泊时间进行能量补充，影响船舶运营效率。
    [n0007] 以上电池技术方案造成的对空间的影响和对效率的影响导致纯电池动力船舶的应用场景收到制约，目前纯电池动力船舶基本仅能应用于小型船舶，且局限于短航程、有固定运营时段、有较长码头停泊时间的游览船、渡船等，难以将方案向货物运输船领域推广。
    [n0008] 本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种动力电池单元及其使用、充电和故障维护方法。
    [n0009] 本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
    [n0010] 一种动力电池单元，其包括箱体，箱体内设有多个锂电池包；箱体上开设有箱门；箱体为长方体状的金属箱体；箱体内设有搁架和内部控制柜；锂电池包和内部控制柜均设于搁架上；锂电池包与内部控制柜电连接；内部控制柜连接有对外快速接口；对外快速接口嵌设于箱体的侧面；箱体内腔的底部上固设有导轨，搁架底部固设有与可使搁架在导轨上移动的滚轮，滚轮设于导轨上；搁架和箱体之间设有可拆卸式的锁止机构；箱体内还设有用于控制集装箱内部环境温度的内部环境控制系统和用于在火灾发生时发出报警并灭火的内部消防系统；箱体内还设有用于在动力电池单元处于非供电及充电工况时向内部系统和监测装置提供电力的内部维持系统；内部环境控制系统和内部消防系统均连接于内部维持系统。
    [n0011] 搁架具有多个可放置锂电池包的放置层。
    [n0012] 箱门和对外快速接口设于箱体的同一侧面上。
    [n0013] 箱体内表面设有防火绝缘层。
    [n0014] 箱门的宽度大于搁架的宽度。
    [n0015] 锁止机构不与箱门所在的箱体侧面连接。
    [n0016] 内部控制柜和对外快速接口之间通过动力电缆和控制电缆连接。
    [n0017] 箱门上还嵌有可以显示动力电池单元的运行参数并对动力电池单元进行控制操作的就地监控器；就地监控器连接于内部维持系统。
    [n0018] 箱体为船用集装箱的箱体。
    [n0019] 搁架的材料为钢质。
    [n0020] 一种动力电池单元的使用方法，其包括以下步骤：将前述的动力电池单元吊装于船舶上，船舶上设有与动力电池单元的对外快速接口相适配的外部接口，船舶上还设有用于驱动外部接口的接口连接机构；接口连接机构驱动外部接口与动力电池单元的对外快速接口接通；动力电池单元向船舶电力系统供电。
    [n0021] 接口连接机构固定于船舶上，接口连接机构具有能够使外部接口移动的液压机构或电动机构。
    [n0022] 船舶上设有可以对动力电池单元内部的状态参数进行监测并进行控制的船舶监控系统。
    [n0023] 一种动力电池单元的充电方法，其包括以下步骤：将动力电池单元运送至设于陆地上的运维场站内，运维场站内设有与动力电池单元的对外快速接口相适配的外部接口和接口连接机构；接口连接机构推动外部接口与动力电池单元的对外快速接口接通，对动力电池单元进行充电。
    [n0024] 接口连接机构固定于运维场站上，接口连接机构具有能够使外部接口移动的液压机构或电动机构。
    [n0025] 运维场站内设有可对动力电池单元内部的状态及参数进行监测并进行控制的场站监控系统。
    [n0026] 一种动力电池单元的故障维护方法，其包括以下步骤：将前述的动力电池单元运送至设于陆地上的运维场站内，开启动力电池单元的箱门，解开动力电池单元的锁止机构，通过拖曳装置将搭载有内部控制柜和锂电池包的搁架由箱体内拖出，对动力电池单元进行故障维护作业。
    [n0027] 本实用新型的有益效果在于：本实用新型采取将锂电池包及内部控制柜置于可移动式搁架上，与其他辅助系统共同装设在标准集装箱内，并在箱体上设置快速对外接头的方式，使动力电池系统形成标准化单元模块，电池包可连同搁架移出箱体进行维护，箱体内部空间得到充分利用从而提高能量密度；通过在外部设置与箱体快速对外接头配套的外部接头以及接头连接机构，实现电池单元充电、供电的快速接通与断开，从而使应用本专利技术方案的船舶可以通过更换动力电池单元的方式快速补充能量；通过设置带有与箱体快速对外接头配套的外部接头以及接头连接机构的陆上专用运维场地，使动力电池单元无需在船上补充电能，从而避免充电环节事故风险对船舶的安全影响。通过应用本实用新型的技术方案，纯电池动力船舶所能携带的能量总量得到提升，可实现换电模式运营，避免因充电造成的码头停靠时间延长，使纯电池动力技术的应用得以扩展至长航程的货物运输船舶；可以避免电池在船上充电带来的安全隐患，提高船舶运营安全；可以为电池充电、维护提供适宜环境，延长电池寿命，提升系统可靠性；可以为人员简化操作、改善操作环境，提高人员作业安全。
    [n0028] 图1为本实用新型较佳实施例的箱体内部俯视示意图。
    [n0029] 图2为图1中A-A剖视示意图。
    [n0030] 图3为本实用新型较佳实施例在船舶上使用时的示意图。
    [n0031] 图4为图3中B向视图。
    [n0032] 图5为本实用新型较佳实施例在运维场站充电和故障维护时的示意图。
    [n0033] 图6为本实用新型较佳实施例的电气连接图。
    [n0034] 下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本实用新型。
    [n0035] 如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种动力电池单元90，其包括箱体11，箱体11内设有多个锂电池包21；箱体11上开设有箱门12。箱体11为长方体状的金属箱体。本实施例中，箱体11为船用集装箱的箱体。箱体11内表面设有防火绝缘层13。
    [n0036] 箱体11内设有搁架31和内部控制柜22；锂电池包21和内部控制柜22 均设于搁架31上。搁架31的材料为钢质。搁架31具有多个可放置锂电池包的放置层。
    [n0037] 锂电池包21与内部控制柜22电连接。内部控制柜22连接有对外快速接口23；对外快速接口23嵌设于箱体11的侧面。
    [n0038] 箱门12和对外快速接口23设于箱体11的同一侧面上。
    [n0039] 箱门12的宽度大于搁架31的宽度。
    [n0040] 箱体11内腔的底部上固设有导轨33，搁架31底部固设有可使搁架在导轨上移动的滚轮32，滚轮32滑设于导轨33上。
    [n0041] 搁架31和箱体11之间设有可拆卸式的锁止机构34。锁止机构34不与箱门所在的箱体侧面连接。锁止机构锁住时，可以将搁架和箱体固定在一起。锁止结构解开时，搁架可以和箱体分离。
    [n0042] 如图6所示，内部控制柜22和对外快速接口23之间通过动力电缆61 和控制电缆62连接。
    [n0043] 箱体11内还设有用于控制集装箱内部环境温度的内部环境控制系统24 和用于在火灾发生时发出报警并灭火的内部消防系统25。
    [n0044] 箱体11内还设有用于在动力电池单元处于非供电及充电工况时向内部系统和监测装置提供电力的内部维持系统26。
    [n0045] 内部环境控制系统24和内部消防系统25均连接于内部维持系统26。
    [n0046] 箱门11上还嵌有可以显示动力电池单元的运行参数并对动力电池单元进行控制操作的就地监控器60；就地监控器连接于内部维持系统。
    [n0047] 本实用新型的动力电池单元，主要应用于船舶上，由标准集装箱作为壳体，其余部件均装设在集装箱内部或集装箱体上。在箱体上设有箱门，箱门可打开至集装箱的全宽。
    [n0048] 在集装箱体内表面敷设有防火绝缘层，可以起到隔离外部热辐射、降低集装箱内部环境温度的作用，也可以在集装箱内部发生火灾时将火情尽量抑制在集装箱内部，避免火灾向外蔓延。
    [n0049] 动力电池单元内设多个锂电池包，锂电池包紧密布置在钢制搁架上。钢制搁架的底部设有滚轮，搁架和滚轮共同坐落在固定于箱底的导轨上。
    [n0050] 在搁架远离箱门的一侧设有锁止机构，通过锁止机构可将搁架与箱体固定连接为一体。
    [n0051] 除电池包外，搁架上还设有动力电池单元的内部控制柜。电池包根据相应的系统成组方式成组后，接线连接至内部控制柜，再经内部控制柜接至对外快速接口上。
    [n0052] 在箱门上还嵌有就地监控器，可以显示动力电池单元的运行参数并对单元进行控制操作。
    [n0053] 集装箱内还设有内部环境控制系统、内部消防系统和内部维持系统，分别用于控制集装箱内部环境温度、在火灾发生时发出报警并灭火以及在动力电池单元处在非供电、充电工况时向内部系统和监测装置提供电力。
    [n0054] 此外，构成动力电池单元本体的集装箱体上还设有用于与船体连接的底角与用于起吊的设施，相关设施是标准集装箱上原有设施，故不在附图中进行示意。
    [n0055] 一种动力电池单元的使用方法，其包括以下步骤：将动力电池单元90 吊装于船舶91上，船舶上设有与动力电池单元的对外快速接口23相适配的外部接口41，船舶上还设有用于驱动外部接口的接口连接机构42；接口连接机构42驱动外部接口41与动力电池单元90的对外快速接口23接通；动力电池单元90向船舶电力系统92供电。
    [n0056] 本方法为动力电池单元在船舶上的使用方法。
    [n0057] 本方法中，接口连接机构42固定于船舶91上，接口连接机构通常设于船侧；接口连接机构具有能够使外部接口移动的液压机构或电动机构。
    [n0058] 本方法中，船舶上设有可以对动力电池单元内部的状态参数进行监测并进行控制的船舶监控系统93。
    [n0059] 当动力电池单元吊装上船后，设在船侧的接口连接机构将利用电力或液压推动设在连接机构上的外部接口使其行进并与箱体上的对外快速接口对接并连同。当外部接口与动力电池单元的对外快速接口接通就位后，会发出就位信号至监控系统，此时动力电池单元即可向船舶电力系统供电。
    [n0060] 外部接口与箱体的对外快速接口对接时可接通动力电缆与信号电缆，在更加优化的方案中，如动力电池单元内部需要冷却水等介质，其管路接头也可包含在上述接口中。在典型的船舶应用场景中，可根据船舶总的能量需求配备数个动力电池单元，这些动力电池单元可以通过上述接头分别接入船舶电力系统，并根据作业需要提供电力。
    [n0061] 一种动力电池单元的充电方法，其包括以下步骤：将动力电池单元90 运送至设于陆地上的运维场站50内，运维场站50内设有与动力电池单元的对外快速接口23相适配的外部接口41，运维场站内还设有用于驱动外部接口的接口连接机构42；接口连接机构42推动外部接口41与动力电池单元的对外快速接口23接通，对动力电池单元90进行充电。
    [n0062] 本方法中，外部接口和接口连接机构采用和船舶上使用的相同的外部接口和接口连接机构。
    [n0063] 本方法中，接口连接机构固定于运维场站上，接口连接机构具有能够使外部接口移动的液压机构或电动机构。
    [n0064] 本方法中，运维场站内设有可对动力电池单元内部的状态及参数进行监测并进行控制的场站监控系统。
    [n0065] 一种动力电池单元的故障维护方法，其包括以下步骤：将动力电池单元 90运送至设于陆地上的运维场站50内，开启动力电池单元90的箱门12，解开动力电池单元的锁止机构，通过拖曳装置55将搭载有内部控制柜和锂电池包的搁架31由箱体内拖出，对动力电池单元进行故障维护作业。
    [n0066] 本方法为对动力电池单元进行故障维护的方法。
    [n0067] 当电池单元能量不足或故障时，需在码头利用集装箱吊装设施将动力电池单元从船上吊离，并运输至运维场站内。在运维场站内，可进行动力电池单元的充电及维保作业。
    [n0068] 为实现动力电池单元的充电或维护，在陆地设置运维场站50，运维场站 50内设有充电设备间51、配电设备间52及监控室53，并设有维保区54。动力电池单元的故障维护在维保区54内。
    [n0069] 运维场站内设有与船上相同的外部接口以及接口连接机构。当需要充电的动力电池单元被运送至运维场站后，首先将动力电池单元固定在充电工位，利用接口连接机构推动外部接口与动力电池单元箱体上的对外快速接口接通。接通就位后即可由运维场站内的充电设备为单元进行充电。用于充电的电力来自陆地电网，通过配电设备间将陆地电网56的电力接入并供向充电设备，最终充入电池单元内。在运维场站的监控室可对充电设备以及动力电池单元内部的状态及参数进行监测并进行控制。
    [n0070] 对于需要进行故障维护的动力电池单元，运维场站内设有维保区，动力电池单元运至维保区的维保工位固定后，开启箱门，通过维保区所设的拖曳装置将对应的电池搁架由箱体内拖出，在场站内进行维护、检修、更换等作业。
    [n0071] 本实用新型中各部分的电气连接方案，如图6所示。锂电池包21按需成组后通过电缆均接至内部控制柜22，内部控制柜22和箱体的对外快速接口23之间有动力电缆61和控制电缆62连接，对外快速接口23再将动力电缆61与船舶或岸上的电气系统65相连，将控制电缆62和船舶或岸上的监控系统66相连，内部控制柜22还与布置在箱门上的就地监控器60相连，就地监控器60可在单元本体就地显示单元内部的状态参数，并能实现对电池组和辅助系统63的控制。辅助系统63包括内部环境控制系统24、内部消防系统25和内部维持系统26。
    [n0072] 本实用新型中，电池包及其搁架、控制系统及辅助系统均布置在标准集装箱内，箱体上设标准对外快速接口，使电池系统形成标准化模块。
    [n0073] 本实用新型不必将电池布置在船体内部，通过集装箱单元的形式可以实现大量单元集中堆叠布置，在节省船内空间的同时提高了船舶携带的能量总量，加之能够通过更换单元的方式快速补充能量，使电池技术在船上的应用不再局限于短航程、需要长时间停靠充电的内河小型渡船或游览船，而能够将应用范围扩展至长航程的货物运输船。
    [n0074] 本实用新型通过设置对外快速接口及与其配套的外部接口和连接机构，使电池单元不必在船上完成充电，能量耗尽的集装箱可以快速从船上吊离并完成更换。
    [n0075] 通过本实用新型的实施，可以使纯电池动力船舶实现换电模式运营，能够在船舶停靠码头时快速完成能量补充，从而有效提升船舶运营效率。
    [n0076] 本实用新型的实施使电池不必在船上完成充电，既避免了充电这一高风险工况对船舶可能带来的事故隐患，又使电池能够在适宜的环境条件下以合理的充电功率完成能量补充，避免为缩短时间导致的“急充”等情况发生，使电池的健康度能够更长时间地维持在良好水平，提高了电池应用的安全性。
    [n0077] 本实用新型中，在船侧及陆上运维场站设置的用于和电池动力单元接通的外部接口通过接口连接机构以电机或液压驱动，实现接口的机械化自动连接，无需人员手工完成充电、供电接插件的连接，提高操作效率及操作安全；
    [n0078] 本实用新型中，电池包不必在电池集装箱内部维护，可以充分利用箱内空间提升总能量密度；电池包安装于带滚轮的搁架上，搁架可连同电池包共同移出单元箱体，实现在箱外完成电池的维护、检修、更换等作业，实现箱内空间利用率的提升，并提高提高维护工作的便利性和操作效率，从而进一步提高电池单元整体的可靠性。
    [n0079] 虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。
    权利要求:
    Claims (10)
    [0001] 1.一种动力电池单元，其包括箱体，箱体内设有多个锂电池包；箱体上开设有箱门；其特征在于，箱体为长方体状的金属箱体；箱体内设有搁架和内部控制柜；锂电池包和内部控制柜均设于搁架上；锂电池包与内部控制柜电连接；内部控制柜连接有对外快速接口；对外快速接口嵌设于箱体的侧面；箱体内腔的底部上固设有导轨，搁架底部固设有与可使搁架在导轨上移动的滚轮，滚轮设于导轨上；搁架和箱体之间设有可拆卸式的锁止机构；箱体内还设有用于控制集装箱内部环境温度的内部环境控制系统和用于在火灾发生时发出报警并灭火的内部消防系统；箱体内还设有用于在所述动力电池单元处于非供电及充电工况时向内部系统和监测装置提供电力的内部维持系统；内部环境控制系统和内部消防系统均连接于内部维持系统。
    [0002] 2.如权利要求1所述的动力电池单元，其特征在于，搁架具有多个可放置锂电池包的放置层。
    [0003] 3.如权利要求1所述的动力电池单元，其特征在于，箱门和对外快速接口设于箱体的同一侧面上。
    [0004] 4.如权利要求1所述的动力电池单元，其特征在于，箱体内表面设有防火绝缘层。
    [0005] 5.如权利要求1所述的动力电池单元，其特征在于，箱门的宽度大于搁架的宽度。
    [0006] 6.如权利要求1所述的动力电池单元，其特征在于，锁止机构不与箱门所在的箱体侧面连接。
    [0007] 7.如权利要求1所述的动力电池单元，其特征在于，内部控制柜和对外快速接口之间通过动力电缆和控制电缆连接。
    [0008] 8.如权利要求1所述的动力电池单元，其特征在于，箱门上还嵌有可以显示动力电池单元的运行参数并对动力电池单元进行控制操作的就地监控器；就地监控器连接于内部维持系统。
    [0009] 9.如权利要求1所述的动力电池单元，其特征在于，箱体为船用集装箱的箱体。
    [0010] 10.如权利要求1所述的动力电池单元，其特征在于，搁架的材料为钢质。
    类似技术:
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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