基于船用異步軸帶電機的鋰電池充電技術研究

2022-07-04 11:53:42張鵬

船電技術 2022年6期

關鍵詞：船舶

張鵬

張鵬

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

為降低船舶污染物排放量，實現“綠色船舶”，使用動力電池和推進電機為船舶提供動力。本文分析了船用異步軸帶電機的使用原理，研究了使用軸帶電機給鋰電池充電的控制技術。提出了一種分段式鋰電池穩定充電策略。最后使用仿真和試驗的手段，從多個角度驗證了該充電技術的有效性和穩定性。

軸帶電機鋰電池充電策略綠色船舶

0 引言

為實現“碳達峰碳中和”的發展目標，交通運輸部頒布了“船舶大氣污染物排放控制區實施方案”，對船舶的綠色化提出了更高的要求[1]。

以機械推進為動力方式的傳統船舶，采用燃氣輪機或柴油機為推進主機，污染物排放量高，且推進效率較低，顯然不符合“綠色船舶”的發展需求。以電力推進為動力方式的新型船舶，使用動力電池和推進電機為船舶提供動力[2]，靈活性好，控制簡便，能有效提高運行效率和能源利用率，更能實現航段內的“0排放”。

但由于動力電源的容量限制，純電池動力船的航程較短，使用“柴-電”混合動力的方式，既能保證船舶較長的運行航程，又能滿足降低排放量的要求。軸帶電機能很好的將柴油動力和電池動力相結合[3]，在使用柴油機提供全船動力時，利用預留的富裕功率，為動力電池充電。

本文分析了船用異步軸帶電機在發電工況下為鋰電池充電的控制技術，提出一種使用穩定且容易工程實現的鋰電池充電策略。仿真和試驗從不同轉速、動態調速等多種工況驗證了該策略的穩定性。

1 船用軸帶電機

使用軸帶電機連接的“柴-電”混合船舶動力系統如圖1所示，其中包括柴油機、軸帶異步電機、動力鋰電池、齒輪箱、螺旋槳、變流器、直流母線、逆變電源等。

混合動力系統中的螺旋槳、柴油機和軸帶異步電機通過齒輪箱連接。當航速較低時，柴油機的運行效率低，還會排放大量氮氧化合物，因此切換至純電力推進模式，動力鋰電池通過直流母線和變流器向軸帶異步電機供電，軸帶異步電機電動運行，為螺旋槳提供動力。全速運行時，使用柴油機直接為螺旋槳提供充足強勁的動力，同時控制軸帶異步電機運行于發電工況，利用柴油機的富裕功率給動力鋰電池充電。

圖1 “柴-電”混合船舶動力系統

此外，由于直流母線還需要通過逆變電源給船舶用電負荷供電，軸帶異步電機在為電池充電的同時，還需要維持直流母線電壓穩定。

這種交替混合的動力系統，讓柴油動力和電池動力相互協調匹配，實現能量優化，有效提升船舶的經濟效益與環保效益。

2 鋰電池充電策略

鋰電池動力系統在計算電池電量時，常用電流積分法。電流積分法[4]又稱安時計量法，是一種通過計算充放電量來估算電池電量的方法。該方法簡單可靠，且能對電池電量進行動態觀測。工程應用時，電流傳感器測量快速變化的電流時，會產生較大誤差。時變的充電電流經過積分，誤差也會因為積分而快速增大，這會導致電池電量計算不準。電池電量在鋰電池動力控制與能量管理系統中是關鍵特征量，電池電量的誤差過大可能會導致能量管理策略失效，甚至會導致電池過充而產生電池極化、內部結構損壞等危害。同樣的，電流的紋波過大也會導致電池電量計算誤差增大，從而導致系統安全性降低。為了保證船舶動力推進系統的安全性與穩定性，充電電流不宜經常變換，應盡量保持恒定，且保持較小的紋波。

然而鋰電池的抗過充能力差[5,6]，電池電壓不能超過設計電壓峰值的1%。因此在電池電量快要充滿時，應降低充電電流，減緩充電速度。在電池充滿后，切換至浮充狀態，在維持電量的同時，保證電池組的健康狀態，延長電池的使用壽命。軸帶電機給鋰電池充電的流程圖如圖2所示。

圖2 軸帶電機給鋰電池充電流程圖

在使用柴油動力航行時，首先判斷軸帶電機是否運行于發電工況。當柴油機的轉速足夠大時，軸帶電機才開始發電，也才具備給電池充電的條件。當電池電量較低時，采用大電流恒流充電方式，快速給電池充電。當電量大于80%時，采用小電流恒流充電方式，減緩充電速度，防止快速過充。當電池充滿后，采用恒壓涓流充電，維持電池滿電狀態。三種充電方式可以在同一套控制系統中實現，不用切換控制方式，實現簡單，具體流程圖如圖3所示。