內河鋰電推進船舶電站管理系統(tǒng)控制策略

鄒明雷，何季平，尹 凱，黃友橋

內河鋰電推進船舶電站管理系統(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，通過對比分析鋰電池和柴油發(fā)機組的特性和差異，在成熟的柴油發(fā)機組電站管理系統(tǒng)基礎上，提出了基于鋰電池剩余電量的評估、預警及航速建議等控制策略。并通過實船測試，提高了船舶運行的可靠性和安全性。

鋰電推進 電站管理 綠色船舶

0 引言

傳統(tǒng)柴油機船舶在行駛過程中造成的大氣污染及水污染都十分嚴重，環(huán)保的磷酸鐵鋰電池（簡稱鋰電池）推進型船舶在我國內河領域正迎來新的發(fā)展。目前，鋰電池、電池管理系統(tǒng)BMS、電力推進技術都已相對成熟，但在鋰電推進船舶的電站管理方面還沒有形成一個統(tǒng)一的設計標準。相對于柴油發(fā)機組，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、可靠性不強等問題。本文分析了鋰電池與柴油發(fā)機組的性能特點和差異，并結合20 m渡船設計，提出了內河鋰電推進船舶電站管理系統(tǒng)的控制策略。

1 鋰電推進船舶電站管理系統(tǒng)介紹

1.1 鋰電推進電力系統(tǒng)架構

以20 m渡船為例，鋰電推進電力系統(tǒng)架構如圖1所示，不同于柴電推進系統(tǒng)，其采用雙套鋰電池、雙套推進系統(tǒng)設計。大型的鋰電推進船舶，多采用DC/DC進行電源輸出控制，小型的內河船舶，從成本方面考慮，多會省掉DC/DC模塊，但需要考慮鋰電單元的串聯(lián)級數(shù)，使鋰電池工作在最低放電電壓（單體2.8 V）時，經(jīng)逆變后的交流輸出電壓至少達到380 V，以保證交流推進輸出電壓的穩(wěn)定。每套鋰電池需各配置一套電池管理系統(tǒng)BMS，對電池組的充放電進行監(jiān)測、保護和投切控制，其功能類似于柴電推進系統(tǒng)的發(fā)電機組機旁控制設備。

鋰電推進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、推進逆變器等設備的相關數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理、運算，實現(xiàn)電池組管理和部分推進控制功能。觸摸屏為電站管理系統(tǒng)人機接口，完成調試、監(jiān)測和報警功能。

圖1 20 m渡船電力系統(tǒng)架構圖

1.2 鋰電船舶電站管理系統(tǒng)分析

磷酸鐵鋰動力電池因其性能穩(wěn)定、能量密度大、循環(huán)壽命長，被廣泛應用于船舶領域。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。這一階段輸出電壓與電池容量SOC成線性關系，在放電末期，曲線呈直線下降趨勢。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)機組是把化石燃料的內能轉化為機械能而后再轉化為電能的過程，其發(fā)電原理為導體切割磁力線，產生感應電動勢。在能量轉化的過程中，需要對輸出的電壓、頻率、功率進行閉環(huán)控制，以維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。而對于鋰電池，其能量的轉化皆在自身內部完成，無需外部控制，對外特性展現(xiàn)一種自適應的電壓/容量的DROOP下垂模式。具體差異見表1所示。

表1 柴油發(fā)機組與鋰電池特性對比

電站管理系統(tǒng)是保證船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定的核心，通過對各電力源的調度管理，實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定運行、并網(wǎng)控制、負荷共享及負荷轉移等功能。對于鋰電池，如圖2所示，其輸出電壓在2.8~3.6 V之間時，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，當負荷產生波動時，其輸出將切換至另一個平行曲線上，建立一個新的平衡，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)可通過電力電子控制來主動實現(xiàn)，未配置的系統(tǒng)需要先期檢測鋰電池組間的輸出電壓偏差，后通過鋰電池的自適應被動實現(xiàn)。鋰電池廠家試驗結果顯示，對于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)所產生的環(huán)流沖擊。同時，亦可通過二極管和接觸器的組合設計來控制電池并網(wǎng)的接入方式，增強控制的靈活性。

鋰電池自適應的固定斜率下垂特性，類似于柴油發(fā)電機組的DROOP控制模式。當鋰電池間剩余電量SOC不同時，其呈現(xiàn)的輸出電壓是線性對應關系，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更多的負荷，直至兩組電池組電壓趨于一致，實現(xiàn)負荷共享功能。

鋰電池組對于突加負荷的承受能力很強。不同于柴油發(fā)機組特性，其電化學反應原理使其在突加負荷時呈現(xiàn)為一條快速上升且無周期震蕩的響應曲線；其100%突加負荷響應時間一般在20 ms內，電網(wǎng)電壓跌落幅值小于20%，滿足船級社規(guī)范要求，可以保持電網(wǎng)的持續(xù)性。

2 鋰電推進電站管理系統(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)放電電流見表2所示，對應的極限放電曲線如圖3所示。環(huán)境溫度在25℃時放電能力最大，在50%~100%SOC下均可達到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

內河鋰電推進船舶的鋰電池容量一般需要持續(xù)供電數(shù)小時。以20 m渡船為例，白天工作8小時，去除靠泊時間，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倍的過載能力，其電站管理理論上可不必過多考慮電池組的過負荷控制功能。但在實船設計上，由于艙內環(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

鋰電推進與柴電推進在電站管理控制上既存在差異點，又存在相通點。鋰電池額定放電能力類比于柴油發(fā)機組的額定輸出電流（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)、重載啟動備機、電源斷路器故障脫扣啟動備機、BMS報警切換電源組及大馬達起動問詢等功能皆可借鑒實現(xiàn)。而對于鋰電池推進系統(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，設計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行的主要特點，其剩余電量的監(jiān)測和對航行計劃的影響需要實時評估，并控制在可接受的范圍內。概括其控制為：首次啟動電量評估、電量不足電池組自動切換、最低返程能量預警及航速建議等功能。

1）首次啟動電量評估

以20 m渡船為例，其一天內需要按固定航線往返多次，充電樁設置在出發(fā)側碼頭。為提高航運管理的可靠性，在首次啟動時，一般需要評估當下電量是否足夠一個周期航次的電量需求。其評估方法為：

2）電量不足電池組自動切換

單電池組工作時，為避免電池組電量耗盡，BMS設置的內部保護可能會直接切斷電力輸出，導致船舶電力系統(tǒng)斷電及可能的安全隱患。一般需要電站管理系統(tǒng)實時監(jiān)測電池組的最低電量值，當?shù)陀诖碎撝禃r，投入另一電池組，接替原電池組供電。其判定方法為：

3）最低返程能量預警

船舶航行過程中，為避免剩余能量不足，導致航次中斷，在剩余總電量僅能支撐單次返回航程時，需要發(fā)出報警提醒，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間都很短，在整個航程內，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速成正比，而螺旋槳轉速的立方與螺旋槳推進功率成正比，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，需要降低航速，以一個優(yōu)化的航速航行，在最短的時間內安全返港，其計算公式為：

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 結論

鋰電池相對于傳統(tǒng)柴油發(fā)電機組在過載能力上性能優(yōu)越，但也存在續(xù)航能力不足的問題，本文針對其特點設計的控制策略在20 m渡船上進行了測試和應用，較為全面的驗證了鋰電推進船舶電站管理系統(tǒng)的各項功能，取得了較好的控制效果，可為其他類似內河鋰電推進船舶的設計提供一定的參考。

[1] 中國船級社. 內河船舶入級規(guī)范. 中國交通出版社, 2008.

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

[3] 柯常國, 王勁, 楊俊飛. 電力推進船舶功率管理系統(tǒng)設計和研究[J]. 船電技術, 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：船舶電站及自動化。E-mail：zouml@whnhi.com