大容量鋰電池船舶動力系統設計

陳 卓，楊雅薇

大容量鋰電池船舶動力系統設計

陳 卓1，楊雅薇2

（1.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

本文在當前已成熟應用鋰電池船舶動力系統基礎上，結合船舶規范要求以及對鋰電池系統安全性考慮，針對大容量鋰電池在船舶動力系統的應用進行設計，重點介紹了大容量鋰電池組的并聯充放電控制、整船動力系統拓撲結構以及直流配電保護策略，對大容量鋰電池在船舶動力系統上的應用具有一定借鑒意義。

新能源 鋰電池 船舶電力推進

0 引言

目前大多數鋰電池動力船舶裝機容量主要集中在幾十千瓦時到幾百千瓦時，僅有少量船只電池裝機容量達到兆瓦時以上[1]。考慮到船舶的特殊應用環境，大容量船舶動力鋰電池系統與陸用大容量鋰電池儲能系統以及車用小容量動力電池系統有著顯著的區別。本文結合中國船級社2019年發布的純電池動力船舶檢驗指南，針對大容量鋰電池在船舶動力系統上的應用設計，主要包括大容量鋰電池動力系統拓撲、鋰電池系統充放電控制以及整船能量管理系統[2]。

1 大容量鋰電池船舶動力系統拓撲

鋰電池作為純電動船動力的唯一來源，需要提供全船的日用用電，同時還需要滿足船舶設計任意工況下的動力需求。因此電池系統不僅需要滿足船舶設計的能量需求，還需要保證任何時刻下的功率需求。

1.1 大容量鋰電池系統的分組及并聯

圖1 電池組通過DC/DC直流變換裝置并聯

常規小容量電池系統，由于電池電量較小，通常電池組直接并聯后對外供電。當電池系統容量較大時，考慮電池系統的一致性以及環流等影響，不允許過多的電池組直接并聯工作。

通過DC/DC直流變換器后在直流母線側供電，可以有效的降低電池組一致性不同造成的環流等問題而導致電池系統安全性及使用壽命降低。與此同時，采用該方式并聯還可以做到不同批次、不同容量、不同電壓甚至不同品牌的電池系統同時給船上供電。

在系統處于放電模式時，鋰電池DC/DC處于電壓模式。如未采取均流措施，電池簇之間通過DCDC下垂特性進行被動調節，長時間工作可能會導致電池組間放電不一致。通過EMS（能量管理系統）增加主動均流功能可實現電池組之間放電更加均衡，有利于提高電池使用壽命。

電流均衡控制方式如下：

式中，ref為每簇電池均流給定，p為日用負荷功率，t為推進負荷功率，DC為直流母線電壓，n為在網電池簇數量。

1.2 動力系統拓撲

與常規柴油發電機組不同，鋰電池輸出為直流電源，而船上主要用電負載均為交流電，需要通過電力變換設備將直流電變換為相應的電源提供設備用電。

圖2 大容量純電池動力系統拓撲

鋰電池組由DC/DC變換器通過直流母排并聯，通過直流組網方式提供全船電力；推進逆變器采用變壓變頻方式控制推進電機驅動螺旋槳，推進負荷的加載性能需要與電池系統的動態響應時間和加載能力相匹配；逆變電源將直流電源逆變為恒壓恒頻的三相交流電源供船上交流負載供電，如風機、水泵、空調及照明等，逆變電源具有過壓、過流、欠壓、過負載，過溫、三相輸出不平衡、自檢、絕緣監測等保護。

2 直流配電及保護設計

按照規范的要求電氣裝置中應設有合適的保護電器，以能在發生包括短路在內的過電流和其他電氣故障時對其進行保護。各保護電器的性能及其布置應能提供完善協調的自動保護，以保證在某處發生故障的情況下，通過保護電器的選擇性作用確保無故障重要設備電路的供電連續性，消除故障的影響，從而減少對系統的損害和發生火災的危險[3]。

直流配電系統是電動船動力系統核心，是全船供電及驅動控制的載體，集成了直流配電、直流保護、變頻驅動及逆變電源（日用負荷逆變供電）等功能，對安全性、可靠性要求高。

在直流網的直流母線系統中，當某設備發生短路故障時，會在直流母線、變頻器或者交流輸出端出現明顯的過電流，選擇性保護應避免出現以下狀況：

a)船舶全船失電；b)船舶喪失了操控性，即喪失推進的能力；c)上述原因導致的其它嚴重后果，例如船舶碰撞或者船舶失火等。

圖3 保護方案及故障點分析示意圖

直流配電系統主要保護器件為直流快速熔斷器，通過鋰電池和直流電路中的電容放電產生短路電流，將故障支路熔斷器熔斷[3]。

通過分析各支路的短路電流，結合熔斷的弧前/熔斷I2t值，實現直流配電系統的上下級保護，提高系統安全性，避免故障擴大化和全船失電的風險。

圖4 某支路短路模型（上）短路電流曲線（下）

圖5 某船短路選擇性圖表

3 船舶充電系統設計

鋰電池充電通常采用恒流充電方式，由充電樁/充電設施提供充電電源。常規小容量的電池系統充電方式由充電樁直接與鋰電池管理系統（BMS通信），BMS發送請求充電電流進行充電。大容量鋰電池系統由于通過DC/DC并聯，鋰電池系統的充放電控制均由DC/DC來實現，因此充電設備不直接與BMS通信，需要經過船上能量管理系統（EMS）來實現充電控制，EMS根據電池SOC、允許的最大充電電流、充電設備可用充電功率以及DC/DC功率，綜合判斷可用充電功率。

根據碼頭充電設施配置情況，通常有2種充電方式：交流電源充電和直流電源充電。

圖6 直流充電（上）交流充電（下）示意圖

整個充電過程包括六個階段：物理連接完成、低壓輔助上電、充電握手階段、充電參數配置階段、充電階段和充電線束階段。

圖7 充電流程

根據上述充電形式，充電過程保護主要有3個層級：碼頭充電設備、直流配電EMS和鋰電池BMS，比常規充電方式安全性更高。

4 小結

本文介紹了一種大容量鋰電池船舶動力系統的典型拓撲，重點對大容量鋰電池組的并聯方案和直流配電系統保護設計進行分析，確保動力系統的安全可靠，同時對船舶交直流充電系統方案進行設計，對大容量鋰電池在船舶動力系統上的應用具有一定借鑒意義

[1] 周鎮海. 淺析純電動船的應用前景[J]. 中國水運, 2020(11): 109-110.

[2] 李強, 李天煜, 劉偉. 電動船舶標準現狀及發展思路研究[J]. 中國標準化, 2019(21): 125-130.

[3] 耿鵬, 賈顏培, 李荻薇, 等. “君旅號” 電動船直流母排系統選擇性保護仿真與試驗研究[J]. 船電技術, 2022, 42(1): 32-35, 40.

Design on large-capacity lithium battery in marine power system

Chen Zhuo1, YangYawei2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. China Ship Research and Design Center, Wuhan 430074, China)

U674.92

A

1003-4862（2023）11-0033-03

2022-10-08

陳卓（1989-），男，高級工程師，研究方向：新能源船舶電力推進。E-mail: 15717101827@139.com