內(nèi)河鋰電推進(jìn)船舶電站管理系統(tǒng)控制策略

鄒明雷，何季平，尹 凱，黃友橋

內(nèi)河鋰電推進(jìn)船舶電站管理系統(tǒng)控制策略

鄒明雷，何季平，尹 凱，黃友橋

（武漢南華工業(yè)設(shè)備工程股份有限公司，武漢 430223）

為完善鋰電電站管理系統(tǒng)控制策略，通過(guò)對(duì)比分析鋰電池和柴油發(fā)機(jī)組的特性和差異，在成熟的柴油發(fā)機(jī)組電站管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出了基于鋰電池剩余電量的評(píng)估、預(yù)警及航速建議等控制策略。并通過(guò)實(shí)船測(cè)試，提高了船舶運(yùn)行的可靠性和安全性。

鋰電推進(jìn) 電站管理 綠色船舶

0 引言

傳統(tǒng)柴油機(jī)船舶在行駛過(guò)程中造成的大氣污染及水污染都十分嚴(yán)重，環(huán)保的磷酸鐵鋰電池（簡(jiǎn)稱鋰電池）推進(jìn)型船舶在我國(guó)內(nèi)河領(lǐng)域正迎來(lái)新的發(fā)展。目前，鋰電池、電池管理系統(tǒng)BMS、電力推進(jìn)技術(shù)都已相對(duì)成熟，但在鋰電推進(jìn)船舶的電站管理方面還沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)于柴油發(fā)機(jī)組，鋰電池存在著輸出特性曲線受放電率的影響、容量有限的限值，其電站管理系統(tǒng)控制策略完善度不夠、可靠性不強(qiáng)等問(wèn)題。本文分析了鋰電池與柴油發(fā)機(jī)組的性能特點(diǎn)和差異，并結(jié)合20 m渡船設(shè)計(jì)，提出了內(nèi)河鋰電推進(jìn)船舶電站管理系統(tǒng)的控制策略。

1 鋰電推進(jìn)船舶電站管理系統(tǒng)介紹

1.1 鋰電推進(jìn)電力系統(tǒng)架構(gòu)

以20 m渡船為例，鋰電推進(jìn)電力系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，不同于柴電推進(jìn)系統(tǒng)，其采用雙套鋰電池、雙套推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。大型的鋰電推進(jìn)船舶，多采用DC/DC進(jìn)行電源輸出控制，小型的內(nèi)河船舶，從成本方面考慮，多會(huì)省掉DC/DC模塊，但需要考慮鋰電單元的串聯(lián)級(jí)數(shù)，使鋰電池工作在最低放電電壓（單體2.8 V）時(shí)，經(jīng)逆變后的交流輸出電壓至少達(dá)到380 V，以保證交流推進(jìn)輸出電壓的穩(wěn)定。每套鋰電池需各配置一套電池管理系統(tǒng)BMS，對(duì)電池組的充放電進(jìn)行監(jiān)測(cè)、保護(hù)和投切控制，其功能類似于柴電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組機(jī)旁控制設(shè)備。

鋰電推進(jìn)船舶的電站管理系統(tǒng)一般由PLC和觸摸屏組成。PLC為電站管理系統(tǒng)核心，采集直流配電板、BMS、推進(jìn)逆變器等設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理、運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)電池組管理和部分推進(jìn)控制功能。觸摸屏為電站管理系統(tǒng)人機(jī)接口，完成調(diào)試、監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能。

圖1 20 m渡船電力系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 鋰電船舶電站管理系統(tǒng)分析

磷酸鐵鋰動(dòng)力電池因其性能穩(wěn)定、能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)，被廣泛應(yīng)用于船舶領(lǐng)域。單體鋰電池在不同放電倍率下的放電特性曲線如圖2所示，其在放電初期，電壓下降較快，之后放電曲線逐漸趨于平緩，呈緩慢下降趨勢(shì)。這一階段輸出電壓與電池容量SOC成線性關(guān)系，在放電末期，曲線呈直線下降趨勢(shì)。因此定義其工作范圍為2.8~3.6 V，額定工作電壓為3.2 V，在環(huán)境溫度一定、放電率一定的條件下，其輸出電壓與電池容量SOC成反比。

圖2 磷酸鐵鋰電池容量電壓特性曲線

柴油發(fā)機(jī)組是把化石燃料的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而后再轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程，其發(fā)電原理為導(dǎo)體切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，需要對(duì)輸出的電壓、頻率、功率進(jìn)行閉環(huán)控制，以維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。而對(duì)于鋰電池，其能量的轉(zhuǎn)化皆在自身內(nèi)部完成，無(wú)需外部控制，對(duì)外特性展現(xiàn)一種自適應(yīng)的電壓/容量的DROOP下垂模式。具體差異見(jiàn)表1所示。

表1 柴油發(fā)機(jī)組與鋰電池特性對(duì)比

電站管理系統(tǒng)是保證船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定的核心，通過(guò)對(duì)各電力源的調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、并網(wǎng)控制、負(fù)荷共享及負(fù)荷轉(zhuǎn)移等功能。對(duì)于鋰電池，如圖2所示，其輸出電壓在2.8~3.6 V之間時(shí)，不同放電倍率下的輸出電壓和電池容量SOC皆為平行的下垂曲線，當(dāng)負(fù)荷產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，其輸出將切換至另一個(gè)平行曲線上，建立一個(gè)新的平衡，且總體輸出仍保持為某一固定斜率下垂特性，從而保證了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

直流電源的并網(wǎng)需要保持電壓的一致性，配置DC/DC模塊的系統(tǒng)可通過(guò)電力電子控制來(lái)主動(dòng)實(shí)現(xiàn)，未配置的系統(tǒng)需要先期檢測(cè)鋰電池組間的輸出電壓偏差，后通過(guò)鋰電池的自適應(yīng)被動(dòng)實(shí)現(xiàn)。鋰電池廠家試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于600 Vdc電制系統(tǒng)，鋰電池組可承受壓差小于8 V的直接并網(wǎng)所產(chǎn)生的環(huán)流沖擊。同時(shí)，亦可通過(guò)二極管和接觸器的組合設(shè)計(jì)來(lái)控制電池并網(wǎng)的接入方式，增強(qiáng)控制的靈活性。

鋰電池自適應(yīng)的固定斜率下垂特性，類似于柴油發(fā)電機(jī)組的DROOP控制模式。當(dāng)鋰電池間剩余電量SOC不同時(shí)，其呈現(xiàn)的輸出電壓是線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，SOC大的電池組輸出電壓高，反之則輸出電壓低，電壓高的電池組將承擔(dān)更多的負(fù)荷，直至兩組電池組電壓趨于一致，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷共享功能。

鋰電池組對(duì)于突加負(fù)荷的承受能力很強(qiáng)。不同于柴油發(fā)機(jī)組特性，其電化學(xué)反應(yīng)原理使其在突加負(fù)荷時(shí)呈現(xiàn)為一條快速上升且無(wú)周期震蕩的響應(yīng)曲線；其100%突加負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間一般在20 ms內(nèi)，電網(wǎng)電壓跌落幅值小于20%，滿足船級(jí)社規(guī)范要求，可以保持電網(wǎng)的持續(xù)性。

2 鋰電推進(jìn)電站管理系統(tǒng)控制策略

2.1 鋰電池的額定容量

鋰電池的放電電流受環(huán)境溫度、剩余電量SOC的影響。在不同溫度、不同SOC下的極限持續(xù)放電電流見(jiàn)表2所示，對(duì)應(yīng)的極限放電曲線如圖3所示。環(huán)境溫度在25℃時(shí)放電能力最大，在50%~100%SOC下均可達(dá)到3倍放電率，在溫度高于45℃或低于10℃放電能力都將逐步下降。

表2 不同溫度、不同SOC下的極限持續(xù)放電電流

內(nèi)河鋰電推進(jìn)船舶的鋰電池容量一般需要持續(xù)供電數(shù)小時(shí)。以20 m渡船為例，白天工作8小時(shí)，去除靠泊時(shí)間，折算后需要以75 kW持續(xù)供電4 h。按照3C極限放電率折算，理論上鋰電池具有12倍的過(guò)載能力，其電站管理理論上可不必過(guò)多考慮電池組的過(guò)負(fù)荷控制功能。但在實(shí)船設(shè)計(jì)上，由于艙內(nèi)環(huán)境冷卻條件的差異、環(huán)境溫度的多變、電池充放電循環(huán)次數(shù)的要求及電池壽命的限制，鋰電池廠家一般建議放電率不要超過(guò)0.5C，因此，可定義0.5C的直線為鋰電池的額定放電電流，如圖4所示。

2.2 鋰電電站管理

鋰電推進(jìn)與柴電推進(jìn)在電站管理控制上既存在差異點(diǎn)，又存在相通點(diǎn)。鋰電池額定放電能力類比于柴油發(fā)機(jī)組的額定輸出電流（額定輸出功率），常規(guī)電站控制功能，如單電源供電、雙電源并網(wǎng)、重載啟動(dòng)備機(jī)、電源斷路器故障脫扣啟動(dòng)備機(jī)、BMS報(bào)警切換電源組及大馬達(dá)起動(dòng)問(wèn)詢等功能皆可借鑒實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于鋰電池推進(jìn)系統(tǒng)，考慮到航行的安全性與可靠性，還需要根據(jù)電源的工作特定，設(shè)計(jì)更加完善的控制策略。

圖4 鋰電池額定放電曲線

鋰電池電量的有限性是鋰電池組運(yùn)行的主要特點(diǎn)，其剩余電量的監(jiān)測(cè)和對(duì)航行計(jì)劃的影響需要實(shí)時(shí)評(píng)估，并控制在可接受的范圍內(nèi)。概括其控制為：首次啟動(dòng)電量評(píng)估、電量不足電池組自動(dòng)切換、最低返程能量預(yù)警及航速建議等功能。

1）首次啟動(dòng)電量評(píng)估

以20 m渡船為例，其一天內(nèi)需要按固定航線往返多次，充電樁設(shè)置在出發(fā)側(cè)碼頭。為提高航運(yùn)管理的可靠性，在首次啟動(dòng)時(shí)，一般需要評(píng)估當(dāng)下電量是否足夠一個(gè)周期航次的電量需求。其評(píng)估方法為：

2）電量不足電池組自動(dòng)切換

單電池組工作時(shí)，為避免電池組電量耗盡，BMS設(shè)置的內(nèi)部保護(hù)可能會(huì)直接切斷電力輸出，導(dǎo)致船舶電力系統(tǒng)斷電及可能的安全隱患。一般需要電站管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組的最低電量值，當(dāng)?shù)陀诖碎撝禃r(shí)，投入另一電池組，接替原電池組供電。其判定方法為：

3）最低返程能量預(yù)警

船舶航行過(guò)程中，為避免剩余能量不足，導(dǎo)致航次中斷，在剩余總電量?jī)H能支撐單次返回航程時(shí)，需要發(fā)出報(bào)警提醒，以通知操船人員可采取合理后續(xù)措施。其判定方法為：

4）航速建議

以20 m渡船為例，船舶的加速和減速時(shí)間都很短，在整個(gè)航程內(nèi)，基本以額定航速航行工況航行。在通航條件一致、船舶壓載量一致的情況下，船舶航速與螺旋槳的轉(zhuǎn)速成正比，而螺旋槳轉(zhuǎn)速的立方與螺旋槳推進(jìn)功率成正比，因此螺旋槳的軸功率為：

out=shaft=p33(7)

則在剩余電量不足以返港時(shí)，需要降低航速，以一個(gè)優(yōu)化的航速航行，在最短的時(shí)間內(nèi)安全返港，其計(jì)算公式為：

由(10)式帶入(9)式，并與(8)式左右相除，可得出建議航速為：

min=min{1,2… D,|?[0,1000]} (13)

3 結(jié)論

鋰電池相對(duì)于傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組在過(guò)載能力上性能優(yōu)越，但也存在續(xù)航能力不足的問(wèn)題，本文針對(duì)其特點(diǎn)設(shè)計(jì)的控制策略在20 m渡船上進(jìn)行了測(cè)試和應(yīng)用，較為全面的驗(yàn)證了鋰電推進(jìn)船舶電站管理系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，取得了較好的控制效果，可為其他類似內(nèi)河鋰電推進(jìn)船舶的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

[1] 中國(guó)船級(jí)社. 內(nèi)河船舶入級(jí)規(guī)范. 中國(guó)交通出版社, 2008.

[2] 張慶, 李革臣. 鋰離子電池充放電特性的研究[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2008, 27(12), 107-109 .

[3] 柯常國(guó), 王勁, 楊俊飛. 電力推進(jìn)船舶功率管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究[J]. 船電技術(shù), 2013, 33(9): 17-21.

Control Strategy of Inland Lithium Electric Propulsion Ship Power Management System

Zou Minglei, He Jiping, Yin Kai, Huang Youqiao

(Wuhan Nanhua Industrial Engineering Co., Ltd, Wuhan 430223, China)

U663.12

A

1003-4862（2019）08-0051-04

2019-2-20

鄒明雷（1978-），工程師。研究方向：船舶電站及自動(dòng)化。E-mail：zouml@whnhi.com