輕度混合動力船舶儲能系統(tǒng)研究

周詩堯，陳自強，黃德?lián)P，吳佳銘，姜余

（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(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240）

在傳統(tǒng)能源供應日趨緊張、環(huán)境問題不斷加劇的大環(huán)境下，新能源船舶已經(jīng)成為研究新趨勢，包括各類柴油機減排技術(shù)、太陽能船舶、純電動船舶以及混合動力船舶。目前，船舶燃油消耗率、污染物排放較高的工況主要是加速階段與惡劣海況環(huán)境下的航行。

傳統(tǒng)柴油機推進船舶，船舶推進裝置在啟動、加速階段船舶柴油機處在低速高負荷狀態(tài)下運行。此時，船舶柴油機的碳氫顆粒與NOx排放濃度最高[1]。在惡劣雜海況環(huán)境下運行時，船舶柴油機輸出功率頻繁波動，造成船舶油耗增加，航速減慢。為了應對越來越嚴苛的船舶排放法規(guī)，目前較為可行的辦法是采用低硫燃油、LNG作為船舶燃料或安裝廢氣凈化裝置[2-3]。

純電動船舶雖然可以做到零排放，但是受電池成本高、續(xù)航里程短的限制，目前僅在少數(shù)小型觀光船、游艇上使用，還不具備推廣與實用價值[4]。

最為著名的大型太陽能船舶有：2008年日本的太陽能貨船“御夫座領袖”號，其太陽能電池陣列輸出功率達40 kW，能滿足0.2%~0.3%的動力需求[4]；國內(nèi)最大太陽能船舶“中遠騰飛”輪采用540塊峰值功率為265 W的太陽能電池，裝機容量150 kW[5]。由于目前太陽能電池能量轉(zhuǎn)化效率低（一般<25%），船舶夾板面積有限，光伏陣列發(fā)電功率有限，所以節(jié)能減排效果并不明顯。另一方面，受天氣、船舶航向、太陽入射角等環(huán)境因素的影響，光伏陣列輸出功率波動會對船舶電網(wǎng)造成沖擊。一般船舶光伏發(fā)電需要配合儲能裝置共同使用。在惡劣天氣條件下，光伏陣列無法為船舶提供電能。

混合動力船舶就是將柴油機與輔助動力單元組合作為船舶的驅(qū)動力。讓一部分動力由電池-電動機系統(tǒng)承擔。混合動力裝置既發(fā)揮了柴油機續(xù)航時間長，運行效率高的優(yōu)點，又可以發(fā)揮電動機無污染、扭矩大、動力輸出響應迅速的優(yōu)勢。

當船舶航行在惡劣天氣與復雜海況下，風、浪、流的變化會對推進器負荷帶來擾動[6]。頻繁的負載擾動會造成動力裝置的油耗與排放污染物增加。輕度混合動力技術(shù)可以有效減少船舶柴油機輸出負載波動，提高動力裝置的加速響應性。在惡劣海況環(huán)境下，混合動力系統(tǒng)還能讓船舶柴油機長時間穩(wěn)定運行在高效率區(qū)間，改善船舶在運行工況頻繁變化的情況下的廢氣排放，減少船舶燃油消耗。

文中將重點研究船舶使用輕度混合動力的優(yōu)勢、輕度混合動力裝置中能量、功率密度兼顧型的儲能系統(tǒng)選型、儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化及功率分配策略。

1 輕度混合動力系統(tǒng)優(yōu)勢

柴油機在低速大負荷、輸出功率頻繁波動時的燃油經(jīng)濟性和排放性能均較差。混合動力系統(tǒng)可以提供一部分輔助功率，快速填補動力裝置在惡劣海況下的短時功率波動，提高動力裝置的加速響應速度、平穩(wěn)性、排放和燃油經(jīng)濟性。

將混合動力系統(tǒng)基于任務的分類方法分成3類：輕度混合型、功率混合型和能量混合型。

與輕度混合方式相比，功率混合方式和能量混合方式存在以下缺點。

1）結(jié)構(gòu)復雜。對船舶動力系統(tǒng)的改動較大。

2）性能冗余。船舶運行工況比較穩(wěn)定，啟動加速過程分多個階段進行，所以不需要大容量或大功率輔助動力裝置。

3）成本較高。大功率或大容量的儲能系統(tǒng)的成本較高。

4）可靠性差。大功率或大容量儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復雜，在惡劣海況下，容易發(fā)生連接故障與絕緣故障。

5）系統(tǒng)母線電壓較高、電流較大。在惡劣海況下，輔助動力系統(tǒng)頻繁的功率變化容易導致功率器件失效。

輕度混合技術(shù)由于混合程度小、電機功率低，只需要對船舶動力裝置進行小幅度改造，對已投入運營的船舶進行升級改造也較為容易。輕度混合技術(shù)所需的儲能系統(tǒng)裝機容量、功率較小，成本相對較低，設備占用空間、質(zhì)量也較小。系統(tǒng)在惡劣海況環(huán)境下，可靠性更高。

輕度混合動力船舶按照能量合成的形式主要分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種。

串聯(lián)式主要應用于電力推進船舶，動力系統(tǒng)由柴油發(fā)電機組、儲能系統(tǒng)和推進電機三部分動力總成組成，組合結(jié)構(gòu)如圖1所示。當推進器處于加速工況時，柴油發(fā)電機組和儲能系統(tǒng)共同向電動機提供電能。當船舶定速巡航或怠速工況時，則由柴油發(fā)電機組向儲能系統(tǒng)充電。串聯(lián)式混合動力船舶不管在什么工況下，最終都由電動機來驅(qū)動螺旋槳。

并聯(lián)式混合裝置適用于以柴油機作推進船舶。通過柴油機和電動機并車，以機械能疊加的方式驅(qū)動螺旋槳，結(jié)構(gòu)如圖2所示。柴油機與電動機分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨立地向船舶軸系傳遞扭矩，在不同的工況下既可以共同驅(qū)動，又可以單獨驅(qū)動。電動機既可以作電動機，又可以作發(fā)電機使用。啟動時，儲能系統(tǒng)向電動機供電，此時電動機是發(fā)動機的盤車機。發(fā)動機啟動后，當推進器處于加速工況時，柴油機組和電動機共同向軸系提供扭矩。當船舶定速巡航或怠速工況時，則由柴油機驅(qū)動電動機發(fā)電，為儲能系統(tǒng)充電。

2 儲能元件選型

儲能系統(tǒng)是輕度混合動力裝置的關(guān)鍵部件之一，直接影響輕度混合系統(tǒng)的經(jīng)濟性與可靠性。

儲能元件被分為功率型儲能元件與能量型儲能元件，而船舶輕度混合動力系統(tǒng)儲能裝置的最大矛盾是同時存在大能量密度與高功率密度的剛性需求。目前技術(shù)較為成熟且通過中國船級社認證的儲能元件，無法同時具備大容量密度與高功率密度。為了滿足輕度混合動力船舶儲能系統(tǒng)的設計需求，如多單獨采用功率型元件或能量型元件，會造成容量冗余或功率冗余，使儲能裝置過于復雜、成本過高。

復合儲能系統(tǒng)是將不同類型儲能元件通過特殊拓撲結(jié)構(gòu)組合而成的儲能系統(tǒng)。其結(jié)合了能量型儲能元件與功率型儲能元件的優(yōu)點，是實現(xiàn)輕度混合動力系統(tǒng)低成本儲能裝置的最佳解決途徑[7-9]。現(xiàn)階段可以利用的儲能技術(shù)有多種，主要包括：壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導磁儲能、超級電容器儲能以及蓄電池儲能等。

蓄電池儲能常采用鋰離子蓄電池作為儲能元件。鋰離子電池循環(huán)壽命、比能量密度等綜合性能均優(yōu)于其他類型蓄電池。超級電容的比功率密度較大，循環(huán)壽命長，但比能量密度極小。飛輪儲能的比能量密度與比功率密度處于兩者之間，但飛輪儲能結(jié)構(gòu)復雜、可靠性差、能量轉(zhuǎn)換與傳輸效率低。三種常用儲能元件部分性能參數(shù)見表1。

表1 常用儲能元件性能參數(shù)對比

目前超級電容和鋰離子電池的互補特性使其組成的復合儲能系統(tǒng)成為未來輕度混合動力船舶復合儲能系統(tǒng)的發(fā)展方向，但是鋰離子電池中只有磷酸鐵鋰電池通過了中國船級社認證。

3 復合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

目前超級電容-鋰離子電池復合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、可靠性差、能量轉(zhuǎn)換與傳輸效率低。為全面提升復合儲能系統(tǒng)的實用性以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，復合儲能系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)與功率分配問題是當前復合儲能領域研究的熱點與難點。

3.1 常見復合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

超級電容-鋰離子電池復合儲能系統(tǒng)的常用拓撲結(jié)構(gòu)如下所述[10]。

1）直連式結(jié)構(gòu)。直連式拓撲結(jié)構(gòu)如圖 3所示，該結(jié)構(gòu)將電池模塊與超級電容模塊直接并聯(lián)在儲能裝置的高壓母線上，高壓母線直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換為三相交流電。該拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、可靠性高。但該拓撲結(jié)構(gòu)也存在明顯的缺點，無法控制儲能系統(tǒng)內(nèi)部功率分配，導致該拓撲結(jié)構(gòu)既無法發(fā)揮超級電容功率密度大的特點，也無法發(fā)揮鋰離子電池能量密度大的優(yōu)勢。

2）串連式結(jié)構(gòu)。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)是在直連式結(jié)構(gòu)的基礎上，在電池模塊與超級電容模塊間加入一個雙向DC/DC，從而實現(xiàn)了不同儲能模塊間的功率分配功能。根據(jù)DC/DC的位置不同，串聯(lián)式結(jié)構(gòu)分為兩種結(jié)構(gòu)形式。如圖 4a所示，該串聯(lián)結(jié)構(gòu)在電池模塊與系統(tǒng)高壓母線之間加入了DC/DC變換器。該結(jié)構(gòu)所需的DC/DC功率較小，但系統(tǒng)大部分電能兩次通過DC/DC變換器，功率分配導致的能量轉(zhuǎn)移損失較大。如圖4b所示，該串聯(lián)結(jié)構(gòu)在超級電容模塊與系統(tǒng)高壓母線之間加入 DC/DC變換器。該結(jié)構(gòu)所需的DC/DC功率較大，成本較高，系統(tǒng)內(nèi)僅小部分電能流經(jīng)DC/DC變換器，功率分配導致的能量轉(zhuǎn)移損失較大。

3）并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)通過兩個DC/DC變換器將超級電容模塊、電池模塊耦合到儲能系統(tǒng)的高壓母線上，如圖5所示。該結(jié)構(gòu)母線電壓相較于直連式、串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，高壓母線的電壓更為穩(wěn)定。該結(jié)構(gòu)更為復雜，成本較高，系統(tǒng)可靠性較低，并且由于儲能系統(tǒng)的電能的充放都需要通過 DC/DC，造成系統(tǒng)的能量損耗較大。

3.2 拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化

綜合考慮系統(tǒng)復雜度、可靠性以及成本，本文對圖4a的拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以減少功率分配過程中的能量損失。優(yōu)化后的拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。

兩個儲能模塊之間通過一個大功率肖基特二極管 D1與一個雙向DC/DC變換器進行功率分配。在船舶實際運行過程中，復合儲能系統(tǒng)運行工況主要是大功率放電、小功率充電。在大功率放電時，部分電流會流經(jīng)D1，因此該結(jié)構(gòu)需要的DC/DC的額定功率較小，相比圖4a拓撲結(jié)構(gòu)減少了DC/DC充電功率冗余。二極管電能轉(zhuǎn)移效率高于DC/DC變換器，在儲能系統(tǒng)放電時，優(yōu)化后的拓撲結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)移效率更高。尤其是當船舶航行在惡劣海況環(huán)境下，儲能系統(tǒng)頻繁輸入輸出電能時，該DC/DC能量轉(zhuǎn)移效率高的特點更為明顯。

文中優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)中的雙向 DC/DC變換器由BOOST與BUCK兩個單向DC/DC電路并聯(lián)組成。其中電池模塊輸出電流由BOOST電路升壓后流入儲能系統(tǒng)高壓母線，高壓母線電流由 BUCK電路降壓后流入電池模塊。該變換器相比大功率全橋 DC/DC變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可簡化控制策略等優(yōu)勢。當該DC/DC變換器中的BUCK降壓電路失效時，該儲能裝置依舊可以在惡劣海況環(huán)境下繼續(xù)運行。

4 復合儲能系統(tǒng)功率分配策略

合理的功率分配策略具有以下兩個優(yōu)點：能夠在滿足輕度混合動力系統(tǒng)功率需求的同時，充分發(fā)揮超級電容功率密度大和磷酸鐵鋰電池能量密度大的特性；盡可能減少磷酸鐵鋰電池的累計充放循環(huán)次數(shù)，避免對其大倍率充放電，減少充放電電流突變，以延長其使用壽命[8]。

輕度混合動力船舶在不同運行工況下，復合儲能系統(tǒng)的功率分配策略也各不相同。文中復合儲能系統(tǒng)功率分配控制策略如圖7所示，將船舶的運行工況分為四類，不同工況下功率分配控制策略如下所述。

1）船舶啟動加速初期。此時系統(tǒng)需要短時峰值功率輸出存儲的電能。系統(tǒng)先由超級電容模塊直接向儲能系統(tǒng)母線供電。此時，隨著超級電容模塊放電深度（DOD）的不斷增加，儲能系統(tǒng)母線電壓開始降低。當母線電壓低于某一預值時，雙向DC/DC開始從磷酸鐵鋰電池模塊中放出電能，升壓后輸入儲能系統(tǒng)高壓母線。DC/DC的輸出功率隨母線電壓成反比。該工況下，母線主要由超級電容供電，充分發(fā)揮了超級電容功率密度大的特點，減少了電池模塊使用，有助于延長電池模塊的使用壽命。

2）推進器加速后期。此時儲能系統(tǒng)的輸出功率開始減小，DC/DC輸出功率達到額定功率后，系統(tǒng)高壓母線電壓繼續(xù)下降。當母線電壓降低到與電池模組正負端電壓相同后，D1導通，DC/DC降功率運行。此時，超級電容停止放電，電池模塊電流主要通過D1流入系統(tǒng)母線，減少了放電時系統(tǒng)的能量損失。該工況下，母線主要由電池模塊供電，發(fā)揮電池模塊能量密度大的優(yōu)勢。

3）惡劣海況下航行。此時船舶推進器受到巨大的負載擾動，儲能系統(tǒng)頻繁進行大功率充放電。當系統(tǒng)需要短時大功率存儲電能時，先由母線向超級電容直接供電。此時，隨著超級電容儲能的不斷增加，儲能系統(tǒng)高壓母線電壓開始上升。當母線電壓高于到某一預值時，雙向DC/DC開始從母線中截取部分電流，降壓后存入電池模塊中。DC/DC截取的電流與高壓母線電壓成正比。當系統(tǒng)需要短時大功率放電時，控制策略同1）相同。

4）航行平穩(wěn)期。此時儲能系統(tǒng)輸入輸出負載較小，模塊級管理系統(tǒng)開始重新分配、調(diào)整儲能模塊存儲的電能。首先，調(diào)節(jié)超級電容模塊的荷電狀態(tài)（SOC），控制目標是使超級電容模塊 SOC調(diào)整至60%~75%之間。若超級電容模塊的SOC高于該區(qū)間，則由DC/DC將多余電量輸送至電池模塊；若超級電容模塊 SOC低于該區(qū)間，儲能系統(tǒng)由船舶電網(wǎng)或由電動機供電，小功率吸收外部電能，避免對船舶推進裝置造成擾動。當超級電容模塊 SOC達到預值后，且電池模塊SOC小于30%，調(diào)整電池模塊SOC值，目標SOC為70%~80%。

5 結(jié)語

輕度混合動力船舶相比于傳統(tǒng)船舶而言，具有廢氣排放好，船舶燃油經(jīng)濟性高，動力裝置加速響應快等特點。輕度混合型動力系統(tǒng)與功率混合型和能量混合型相比，其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、系統(tǒng)成本較低，對常規(guī)動力船舶升級改造也更易于實現(xiàn)。

儲能系統(tǒng)作為輕度混合動力裝置的關(guān)鍵部件之一，超級電容-磷酸鐵鋰電池復合儲能系統(tǒng)是最佳的實現(xiàn)方式。文中論述了復合儲能系統(tǒng)儲能器件選型、拓撲結(jié)構(gòu)設計以及不同工況下的功率分配策略。文中提出的儲能模塊拓撲結(jié)構(gòu)與配套控制策略，提高了系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)移效率，簡化了系統(tǒng)硬件設計，充分利用磷酸鐵鋰電池能量密度大、超級電容功率密度大壽命長的優(yōu)勢，減少了系統(tǒng)不必要的設計冗余。