中小型玻璃鋼休閑漁船電力推進系統(tǒng)的仿真設計

張 昊，侍中南，黃一峰，劉全良，賀 波

(1 浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江 舟山 316022；2 中創(chuàng)海洋科技股份有限公司，浙江 舟山 316000)

中國是漁業(yè)大國，但漁船及其裝備發(fā)展相對落后。玻璃鋼作為漁船新型材料，具有質量輕、航行速度快、節(jié)能環(huán)保和壽命長等優(yōu)點，已經被漁業(yè)發(fā)達國家廣泛使用[1]。另外，中國傳統(tǒng)漁船多為柴油機驅動，效率低、環(huán)境污染大[2]，新材料、新能源船舶將成為漁船未來的重要發(fā)展方向[3]。

20世紀中后期，國外一些發(fā)達國家開始對電動漁船進行研究并致力于產業(yè)化[4-9]，并且把研究方向放在智能船舶上[10-11]。近年來，國內一些學者也對電動漁船進行了一系列的研究，如鄭暉等[12]提出一種遠洋漁船電力推進系統(tǒng)，采用單、雙電樞工作下的控制策略，提升漁船綜合能效；劉勇等[13]利用PWM 整流器對漁船電力推進系統(tǒng)的預測電流控制方法進行了分析；吳小洲等[14]對漁船動力及轉向控制系統(tǒng)進行了研究，利用PLC對航線進行控制，實現(xiàn)自動定速航行功能；上海海洋大學田晨曦[15]對漁船的油電混合動力系統(tǒng)展開研究，采用模糊控制策略，設計出混合動力系統(tǒng)；王永鼎等[16]設計出一種油電混合動力系統(tǒng)，通過北斗衛(wèi)星定位的漁場位置選擇不同動力源驅動。國內對清潔電力、風能、太陽能、氫能以及混合能源應用在漁船上的技術起步較晚，對電力推進系統(tǒng)的控制策略研究相比發(fā)達國家仍較落后[17]。現(xiàn)階段，中國出臺了一系列電動船舶規(guī)范，促進了電動漁船的發(fā)展[18-22]；與此同時，一些高校相繼成立實驗室進行理論研究推動電動漁船發(fā)展[23-25]；一些公司也致力于電動漁船的發(fā)展推進[26-30]。

以目前正在實施推進的中小型玻璃鋼休閑漁船作為研究對象，研究其動力電池及其電力推進系統(tǒng)，探索解決新能源電動玻璃鋼漁船的試驗推進工作。

1 電池管理及控制系統(tǒng)

1.1 動力電池選擇

休閑漁船在行駛過程中容易受到作業(yè)和環(huán)境的影響，負載易產生波動，因單一動力源系統(tǒng)響應慢，因此需要通過電池管理系統(tǒng)對休閑漁船上的動力源進行有效管理，使其具有良好的機械和電性能，以實現(xiàn)適應環(huán)境性和功能安全。

為了滿足中小型玻璃鋼休閑漁船航行時間、航行時輸出穩(wěn)定、在不同環(huán)境下能夠運行等要求，同時不遜于傳統(tǒng)柴油機驅動性能，動力電池的選擇至關重要。根據(jù)工作條件，動力電池一般要求能夠存儲足夠能量，能夠承擔瞬時大電流，輸出電壓高，充放電時間短，以滿足漁船的正常航行。結合以上要求，對不同種類動力電池進行匯總比較，主要種類及參數(shù)見表1、電池特點見表2[31-33]。

表1 電池主要種類及參數(shù)

表2 電池特點

由表1和表2可知，鋰離子電池的比能量和能量密度相對較高，壽命相對較長，無污染，對工作環(huán)境要求低，但成本相對較高；鉛酸電池和鎳鎘電池環(huán)境污染嚴重；鎳氫電池和鈉硫電池對溫度要求較高；鋅-空氣電池壽命短且充電困難。隨著科技發(fā)展，鋰離子電池成本高這一問題正漸漸被解決。綜合考慮各種因素，鋰離子電池較適合作為中小型玻璃鋼休閑漁船的動力源。

鋰離子電池根據(jù)電解質材料的不同，又可以分為表3中的多種類型[34]。

表3 鋰離子電池特性

由表3可知，錳酸錳鐵鋰電池和錳酸鋰電池功率密度低，鎳鈷錳混合電池安全性不高，而磷酸鐵鋰電池的安全性高、功率密度較高、成本低，而且能量應用充分，利用率高，能夠做儲能量大的單體電芯；因此，選用磷酸鐵鋰電池用作漁船動力源是目前的最佳選擇。

1.2 電池管理系統(tǒng)

磷酸鐵鋰電池的平臺電壓較高，在對電池進行充放電時，過充或過放都會造成電池的損傷，為了防止電池在進行充放電時損壞，需要對電池進行有效管理。電池的有效管理通常涉及對電池的狀態(tài)管理、電池的均衡管理、電池的信息采集以及電池充放電時的保護。根據(jù)漁船結構特點和磷酸鐵鋰電池特性，由電池構成的電池組一般放置在漁船底倉，為了使?jié)O船壓載均衡，單一電池的損壞不會影響整個系統(tǒng)，宜采用集中-分布式結構對電池組進行管理。

電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)主要有以下功能：1)電池電壓、電流以及溫度的監(jiān)測采集；2)對電池狀態(tài)的監(jiān)測與反饋；3)控制器局域網絡CAN總線實時通訊。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 集中-分布式電池管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)主控模塊選用S32K144單片機作為主控芯片，S32K144是高性能單片機，不僅能夠滿足正常工作的需要，而且為以后設備的擴展留有一定空間。主控模塊的功能是對監(jiān)控模塊反饋的電池信息進行檢測并作出處理，并與漁船控制系統(tǒng)進行通訊，對磷酸鐵鋰電池輸出進行管理，同時將采集的信息上報。

監(jiān)控模塊將MC9S08DZ48單片機用作處理器，對來自從控模塊的電池電流、電壓及環(huán)境溫度進行采集及處理，以達到監(jiān)控電池的目的，將串行通訊接口(Serial Communication Interface，SCI)總線作為監(jiān)控模塊與主控模塊之間的通訊使用。從控模塊采用單體電池控制器(Local Electrical Control Unit，LECU)管理，LECU主要由OZ8920單電池電壓巡檢芯片、數(shù)字式隔離芯片、單片機以及CAN模塊組成，印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)內部通過串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI)通訊，結構如圖2所示。從控模塊主要負責單體電池及電池組的電壓、電流及溫度的采樣，電壓和溫度值以及保護設置可根據(jù)實際工作環(huán)境進行調節(jié)設置，將實時采樣數(shù)據(jù)反饋至監(jiān)控模塊。LECU可通過OZ8920所得數(shù)據(jù)以及監(jiān)控模塊反饋信息進行電池組內部電壓均衡。

圖2 LECU系統(tǒng)結構圖

采用CAN總線的連接方式可以實現(xiàn)電壓控制、電流均衡、系統(tǒng)自檢等功能，提高BMS在應用過程中的可靠性。通過設置電池的電荷狀態(tài)(State of Charge，SOC)值，實現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池的安全保護(圖3)。根據(jù)電池管理系統(tǒng)模型的特性，搭建出電池的SOC系統(tǒng)，并給SOC值設置一定的范圍(設定區(qū)間為20%～95%，參考電壓值設定為500 V)，以防止磷酸鐵鋰電池的過放過沖帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定和電池的損壞，從而保護電池和電池系統(tǒng)，使得休閑漁船航行更久、更遠。

圖3 SOC電池管理

1.3 電池控制系統(tǒng)

Simulink是Matlab軟件中的一款仿真插件，作為一個可視化環(huán)境被廣泛用作工業(yè)自動化、數(shù)字信號處理和控制理論等方面的仿真，功能十分完善；同時在其基礎上增加模塊工具箱(Sim Power System，SPS)，通過SPS對系統(tǒng)進行建模與仿真實驗，驗證其可行性。

電池控制系統(tǒng)由控制器和磷酸鐵鋰電池構成(圖4)。將磷酸鐵鋰電池用作休閑漁船的儲存能量單元，當把鋰離子電池與母線直接相連時，電池輸出的不穩(wěn)定可能會引起電網電壓的不穩(wěn)定。為了避免這種情況，需要對磷酸鐵鋰離電池的充放電進行控制，以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。選用DC/DC控制器作為動力電池系統(tǒng)的控制單元對電池充放電進行控制，可解決此問題。采用的是SPS中的Shepherd曲線擬合的電池模型。

圖4 電池控制系統(tǒng)圖

2 電力推進系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)電網結構

根據(jù)電池管理系統(tǒng)和漁船工作要求，電力推進系統(tǒng)電網結構設計如圖5所示。

圖5 電力推進系統(tǒng)電網結構圖

本電網由磷酸鐵鋰電池組作為動力源，為漁船的運行提供動力。鋰電子電池供電可減少漁船上的復雜機械連接、提高漁船的布局靈活性、降低漁船成本。本系統(tǒng)通過控制器對電網進行控制，當負載發(fā)生突變時會作出反應，并恢復穩(wěn)定；當負載變化超過限值時，電力推進系統(tǒng)的電網會自動斷開，保護漁船和系統(tǒng)的安全。

2.2 電力推進控制系統(tǒng)

采用近年來發(fā)展的新型脈寬調制技術空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)為控制策略，其特點是開關耗能少、計算簡單、輸出電壓較高，適合于作為中小型玻璃鋼休閑的控制策略。SVPWM所產生的正弦波能夠使電機獲得平滑的圓形磁場，便于實際觀察。

設計的控制系統(tǒng)能夠提高電力推進系統(tǒng)的抗干擾能力，當航行時，電力推進系統(tǒng)受到影響出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，通過控制系統(tǒng)對電力推進系統(tǒng)的響應來實現(xiàn)恢復。控制系統(tǒng)利用空間矢量逆變器，通過建立兩相同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型，并采用電流電壓雙環(huán)對輸出進行有效控制。通過對電壓外環(huán)和電流內環(huán)控制來實現(xiàn)對輸出電壓和輸出電流的控制，改善電力推進系統(tǒng)的抗干擾能力，對輸出濾波電容電流進行解耦來實現(xiàn)對輸出電流的控制，對輸出濾波電感電壓進行解耦來實現(xiàn)對輸出電壓的控制。為了更好地表示控制系統(tǒng)模型，需要變換電機的坐標，給模型增加一個dq變換模型，將解耦后的模型封裝起來，并與變換模型結合，形成一個變換控制系統(tǒng)(圖6)。

圖6 電壓電流控制系統(tǒng)圖

2.3 電力推進系統(tǒng)建模

將電池管理及控制系統(tǒng)和動力推進控制系統(tǒng)連接，構成本研究的電力推進系統(tǒng)。通過影響系統(tǒng)輸入負載的大小，來模擬設計的電力推進系統(tǒng)輸出電壓與電流引起的變化。將各個子系統(tǒng)模型封裝連接，建立系統(tǒng)模型(圖7)。

圖7 電力推進系統(tǒng)圖

3 系統(tǒng)仿真

根據(jù)電力推進系統(tǒng)模型，利用Simulink對系統(tǒng)進行仿真與分析，檢驗設計的系統(tǒng)模型。根據(jù)漁船的工作特點，選擇參數(shù)：電壓Udc=500 V,載波頻率為15 kHz，濾波電感L=2 mH，電容為30 μF，電壓環(huán)和電流環(huán)的采樣周期分別為5 μs和 3 μs。仿真結果如圖8(a)、(b)所示。

在本電力推進系統(tǒng)中，以純電動漁船為研究對象，與趙福海等[35]采用混合動力漁船有著很大區(qū)別；同時設計采用電池管理系統(tǒng)對鋰離子電池組進行管理，控制整個漁船的動力，與閆飛飛等[36]對漁船舵機控制系統(tǒng)相比，功能要變得復雜。

仿真試驗通過計量模塊對三相電壓和電流進行計量，并通過示波器顯示波形。系統(tǒng)中接入給定的負載模塊模擬漁船正常工作的情況。由圖8a得知，輸入負載不發(fā)生變化，三相負載電流和輸出電壓也都沒變化。通過給電網增加負載模塊，并調整增加的負載在0.25 s時連接電網，模擬漁船負載突然發(fā)生變化時電網的變化情況。由圖8b得知，在0.25 s電網引起輸入負載突然變大，輸出電壓也隨之發(fā)生細小變化，并且在較短的時間內能夠恢復穩(wěn)定；負載電流此時也發(fā)生了變化，同時也能夠在較短的時間內恢復穩(wěn)定。由此可得，電力推進系統(tǒng)在負載穩(wěn)定時，能夠穩(wěn)定運行；當負載發(fā)生突變時，能夠迅速作出反應，并恢復穩(wěn)定。

圖8 三相輸出電壓電流波形圖

設計研究的電力推進系統(tǒng)已經應用于長16～18 m，寬4.4 m的電動玻璃鋼休閑漁船上，經實船應用，可以得到穩(wěn)定輸出，給予休閑漁船穩(wěn)定的航行動力。

4 結論

對中小型玻璃鋼純電動休閑漁船的電池選擇、電池管理及電力推進系統(tǒng)等進行了仿真試驗。根據(jù)漁船特性，選用磷酸鐵鋰電池用作漁船動力源，采用電池管理系統(tǒng)對電池組充放電進行管理，搭建電力推進系統(tǒng)模型，提供整個漁船的動力輸出，并通過改變負載模擬系統(tǒng)發(fā)生突變時作出的反應，對系統(tǒng)進行仿真分析。仿真試驗結果表明，該漁船電力推進系統(tǒng)模型是可行的，能夠滿足休閑漁船的動力需求。在實際應用中，漁船可能因為電池老舊等客觀原因導致電壓等參數(shù)發(fā)生變化，給系統(tǒng)造成影響，需要進一步研究。

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