船舶混合鋰離子電池儲能系統功率分配研究

雷克兵，湯旭晶，周詩堯，陳自強

（1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240，2. 武漢理工大學，武漢 430063）

隨著全球節能減排規范日益嚴格，能源供應日趨緊張，船舶電動化逐漸成為航運業新的發展方向，不僅可以發揮零污染、零排放巨大優勢，同時具備能耗低、工作過程安靜低噪等特點。極端海洋環境復雜多變，脈沖負載擾動頻繁，動力裝置輸出功率波動較大，油耗和排放污染增加，且船舶電網受到頻繁擾動沖擊，母線電壓變化劇烈。由于單一動力源不能兼顧系統長時間穩定運行以及提供瞬時大功率需求，船舶混合動力能將功率型和能量型儲能系統統一，平抑船舶電網波動的同時，可實現節能減排要求，從而能提高船舶的動力性和適航性[1]。

2000年，澳大利亞發明家Robert Dane研發了一艘混合動力商用客船“Solar Sailor”號太陽能渡船[2]。2007年12月15日，全球第一艘用風箏拉動的貨輪“白鯨天帆號”由德國漢堡市起航。2015年8月，荷蘭輪船制造商推出 Savannah號游艇，作為全球第一艘油電混合動力超級游艇[3]。2010年，通過中國船舶重工集團702及712研究所聯合設計，“尚德國盛”號混合動力游船在上海世博會首次亮相[4]。2017年11月，廣船國際建造一艘以“鋰離子電池+超級電容”為混合儲能純電推進船舶[5]。隨著混合儲能技術的發展，利用燃料電池、超級電容及蓄電池等作為船舶電力推進動力，已經得到了廣泛應用。燃料電池能量轉化效率高，不產生污染環境的排放氣體，但目前氫的制備、運輸和存儲技術達不到標準，且單體功率較低、成本高、推廣受到限制[6]。超級電容具有很高的功率密度，循環使用壽命長，但其能量密度極低，約為鋰離子電池能量密度的 1/10，導致其續航能力嚴重受到制約。隨著動力電池技術的日益發展，鋰離子動力電池表現了強大的發展潛力，其具有無記憶效應、平臺電壓高、能量密度大、自放電率低和安全性高等眾多優點，能很好地滿足內河小型混合動力推進船舶的儲能需求[7]。

文中將重點研究船舶混合鋰離子電池儲能系統拓撲結構設計，搭建鋰離子電池等效電路和雙向DC/DC變換器仿真模型，提出基于模糊控制功率分配策略，利用 PI控制技術控制直流母線電流，完成仿真驗證。

1 船用混合儲能系統數學模型

由于船舶特殊工作環境的要求，選擇合適的儲能系統拓撲結構對于減少儲能系統的設計冗余，延長鋰離子電池組使用壽命具有十分重要的意義。準確的鋰離子電池等效電路模型與雙向DC/DC數學模型直接關系到混合鋰離子電池儲能系統的控制效果。

1.1 混合儲能系統拓撲結構

混合儲能系統的拓撲結構主要有三種：主動式、被動式及半主動式。主動式將鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和總線全部解耦，使兩種電池的功率以及總線電壓均可控，系統成本比較高，控制算法復雜，系統工作效率比較低；被動式將鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池及總線直接并聯，系統成本較低，無需能量管理算法，但鈷酸鋰電池良好的功率特性會被磷酸鐵鋰電池所鉗制，限制其功率補償能力，綜合性能較差；半主動式構型性能介于以上主動式與被動式系統之間，實際中應用廣泛[8]。

根據混合儲能系統拓撲結構優缺點分析，文中擬用半主動式拓撲結構，如圖1所示。鈷酸鋰電池通過雙向DC/DC轉換器與直流母線相連，磷酸鐵鋰電池直接與直流母線耦合，該構型具有以下優點：

1）直流母線電壓由能量型磷酸鐵鋰電池決定，其電壓特性較“硬”，即變化平緩，從而使母線電壓波動較小，能量轉換效率較高。

2）功率型鈷酸鋰電池與雙向 DC/DC轉換器串聯，可通過雙向DC/DC轉換器控制直流母線電壓，合適的控制策略可減少磷酸鐵鋰電池 SOC波動，從而保證了其放電深度在指定的范圍內。

1.2 鋰離子電池等效電路模型

鋰離子電池等效電路模型主要包括Rint模型、RC模型、Thevenin模型、PNGV模型和GNL模型。由于 Thevenin模型考慮了鋰離子電池具有阻容特性、極化現象以及電動勢與SOC的關系，比較精確地反映了實際工作過程特點，且計算量較小，因此在鋰離子電池建模中應用普遍[9]。Thevenin模型由恒壓源、電阻和電容構成，如圖2所示。

等效電路中 E表示鋰電池的開路電壓，R0表示極化內阻，R1表示等效歐姆電阻，C1表示極化電容，U0表示鋰電池輸出電壓，Uc表示極化阻抗兩端電壓。由于充放電過程中，鋰電池端電壓在電流激勵下，產生突變特性和漸變特性，因此采用歐姆內阻 R0兩端電壓的變化來反映突變特性，并聯的R0和C1組成慣性環節反映漸變特性。同時該慣性環節還能反映出鋰電池的極化特性。

由基爾霍夫電壓定律可得：

解微分方程得：

系統零狀態與零輸入響應為：

采用安時積分法和開路電壓法相結合的復合方式估算鋰電池SOC[10]，同時對磷酸鐵鋰電池和鈷酸鋰電池做混合脈沖功率性能測試（The Hybrid Pulse Power Characterization，HPPC），以確定兩種鋰離子電池工作在不同SOC狀態下的參數U0、R0、C1、R1。在Simulink中建立鋰離子電池數學仿真模型。

1.3 雙向DC/DC變換器

雙向DC/DC變換器能在鋰離子電池充電和放電過程中，具有較高的傳輸效率，能承受高壓和強電流，同時可以增加系統短時間內的最大輸出功率，其控制要求必須滿足對能量的精確控制。非隔離式雙向Boost/Buck變換器在實際使用中，系統開關元件電流應力和電壓應力小，同時開關元件IGBT導通損耗小，轉換效率高[11]，拓撲結構如圖4a所示。當船舶啟動或者加速時，變換器處于Boost工作模式，鈷酸鋰電池電壓升高后給直流母線供電，此時放電電源開關S1和續流二極管導通D2，當船舶制動時，雙向DC/DC變換器處于Buck工作模式，充電電源開關S2和續流二極管 D1導通，直流母線的制動能量給鈷酸鋰電池充電。在Simulink搭建變換器仿真模型如圖4b所示。

2 混合儲能功率分配研究

船舶混合鋰離子電池儲能系統控制原理如圖 5所示。該系統包括模糊控制模塊、直流母線電流 PI控制模塊以及鋰離子電池最大充放電電流限制模塊。該系統具有以下優點：能夠在滿足船舶動力需求的前提下，充分發揮鈷酸鋰電池的功率特性和磷酸鐵鋰電池的能量特性，同時減少磷酸鐵鋰電池放電循環次數和放電深度，延長其使用壽命；能提高船舶混合儲能系統工作效率及能量回收率，增加船舶營運的經濟效益，實現節能減排目標[9]。

2.1 系統工作模式分析

船舶在航行過程中，工作狀況可分為四類，即啟動加速、平穩航行、惡劣海況和減速再生制動[10]。根據不同種船舶航行工況，混合儲能系統具有以下四種工作模式[12].

1）磷酸鐵鋰電池單獨驅動模式。此模式下船舶平穩航行，航行阻力及負載需求功率波動較小。

2）鈷酸鋰電池單獨驅動模式。此模式下船舶負載瞬時功率需求較大或者是處于短時加速過程。

3）兩種鋰電池共同驅動模式。此模式下船舶航行功率需求很大，如進出港口、過狹窄水道、大風浪天氣等惡劣海況航行。

4）再生制動模式。此模式下船舶減速，電動機處于再生制動狀態，制動能量根據控制策略進行再生能量分配。

2.2 模糊控制器設計

模糊控制（Fuzzy control）是一種基于規則的非線性控制理論，是模擬人腦控制過程的一種智能控制方式。其執行流程如圖6所示[13].

流程圖中，輸入量為負載功率需求Pdemand、鈷酸鋰電池的荷電狀態Ster以及磷酸鐵鋰電池的荷電狀態SLPF，輸出量為功率分配系數?LPF，滿足：

式中：磷酸鐵鋰電池荷電狀態SLPF的取值范圍設置為[0.6 0.9]；鈷酸鋰電池荷電狀態Ster的取值范圍設置為[0.5 1]。

各輸入輸出變量的論域為：

各輸入輸出變量隸屬度函數如圖7所示。

模糊控制規則采用IF-THEN形式，即“IF Pdemandis A and SOCLPFis B and SOCteris C, THEN ?LPFis D”。采用重心法，實現模糊控制器解模糊輸出，根據相應的模糊規則，輸出的三維圖形表達如圖 8所示。

2.3 直流母線電流PI控制

PI控制是一種線性控制方式，主要用于具有大慣性、大滯后特性的被控對象，控制輸出是雙向DC/DC變換器占空比，如圖9所示：

船舶在航行過程中負載擾動較大，采用“主動阻尼”方式，即在建模系統的內部反饋回路中增加一個虛構電阻Ra，改善調節器的性能。同時占空比不能高于1或低于0，輸出必須受到限制，改進后的閉環PI控制框圖如圖10所示[14]。

2.4 鋰離子電池充放電電流限制

鋰離子電池正常工作時，不能出現過充和過放現象，因此需要對其電壓進行保護，避免出現過壓和欠壓現象，這時荷電狀態 SOC受到限制。引入四個限制標準[15]：硬性上限（100%），不可能再給鋰離子電池充電，但放電時沒有限制；軟上限（～95%），可以用有限的速率給鋰離子電池充電，放電時沒有限制；軟下限（～30%），可以用有限的速率給鋰離子電池放電，充電時沒有限制；硬下限（25%），不可能再給鋰離子電池放電，但充電時沒有限制。

根據以下設計標準，在 Simulink中引入 S函數模塊并進行編程。

3 系統仿真試驗

3.1 仿真系統搭建

在 Simulink環境下建立船舶混合儲能系統仿真模型，如圖11所示。該系統由功率分配、PI控制、雙向DC/DC變換器、鋰離子電池等模塊組成。其中磷酸鐵鋰電池組采用206串5并結構，電池組容量為500 Ah，額定電壓為 660 V。鈷酸鋰電池組采用 62串 8并結構，電池組容量為 640 Ah，額定電壓為230 V。仿真工況以某電動船舶一周期為360 s典型極端加減速航行作為目標工況，功率需求曲線如圖 12所示[16]。

3.2 仿真結果與分析

對比功率分配圖（圖 13）可知，當負載功率需求變化較大時，滿足船舶動力需求的前提下，磷酸鐵鋰電池作為主動力電源，提供低頻功率需求，穩定直流母線電壓變化。而鈷酸鋰電池作為輔助動力源，充分發揮功率特性，及時補充系統中高頻能量，提供峰值功率需求。鋰離子電池SOC變化曲線如圖14所示，鈷酸鋰電池 SOC變化頻率較大，而磷酸鐵鋰電池SOC相對較穩定，使其放電深度降低，達到延長使用壽命的目的。鋰離子電池電壓變化曲線如圖15所示，船舶混合鋰離子電池儲能系統采用半主動式拓撲結構，鈷酸鋰電池通過雙向DC/DC變換器與直流母線解耦，而磷酸鐵鋰電池直接與母線連接。在加減速過程中，直流母線電壓變化幅度為1.65%，滿足投入負載電網電壓波動小于2%標準。

4 結語

相比于傳統船舶而言，船舶混合鋰離子電池儲能系統在實現零污染、零排放巨大優勢的同時，增加了船舶的續航力，加快了動力裝置響應速度，平抑脈沖負載擾動，增加了船舶電網的穩定性。文中研究了鋰離子電池和雙向DC/DC變換器的工作原理，提出半主動混合儲能系統拓撲結構，通過模糊控制實現負載功率需求合理分配，利用 PI控制器穩定直流母線電壓波動，并建立Simulink仿真模型以仿真驗證。仿真結果表明，船舶在極端加減速過程中，直流母線電壓紋波小于1.65%，提升了供電品質。混合鋰電池儲能電池系統中，能有效地減緩磷酸鐵鋰電池電流突變，放電深度受到限制，延長其使用壽命。因此該儲能鋰離子電池系統功率分配策略對于研究極端海況下船舶適航性和動力性具有重要的參考價值。