小型船舶綠色動力電池推進(jìn)系統(tǒng)研究設(shè)計

丁晨雷，康 偉，褚建新

（上海海事大學(xué)，上海 200135）

0 引 言

在船舶制造和研究的領(lǐng)域，隨著全世界對綠色環(huán)保型純電能動力船艇的研究力度加大，進(jìn)展日漸引人矚目。世界上第一艘燃料電池和柴電動力系統(tǒng)構(gòu)成的混合動力裝置的潛艇已于2003年4月在德國基爾港下水，第一批燃料電池潛艇也正在陸續(xù)建造之中[1]。2010年2月，瑞士建成了世界上最大的太陽能動力船“星球陽光”，預(yù)計2011年4月開始首次環(huán)球之旅。這艘雙體船采用世界上最大的活動式鋰離子蓄電池組。國內(nèi)第一艘燃料電池船，在2005年由上海海事大學(xué)研制成功。該船的電池功率為2000W，推進(jìn)器功率1470W，可以在14km/h的時速下連續(xù)航行5h，航程達(dá)70km[1]。

本文研究和設(shè)計了一種基于鋰離子動力電池的小型船舶綠色動力電池推進(jìn)系統(tǒng)。

1 動力源比較分析

目前常用來作為電力推進(jìn)系統(tǒng)的電池主要有燃料電池、超級電容器和動力電池等，它們的特性不同，適宜應(yīng)用的場合也存在較大差異。

燃料電池的優(yōu)點是：能量轉(zhuǎn)化效率高，可達(dá)60%～80%。不污染環(huán)境，燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，壽命長。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，具有低溫快速啟動、比功率能量大、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，是載運工具的首選電源。但是，受技術(shù)條件限制，燃料電池的單體功率比較小，造價昂貴，并且制氫和氫的運輸及儲存等配套技術(shù)尚未成熟，其應(yīng)用以軍事艦艇為主，民用船舶尚停留在嘗試階段，難以推廣應(yīng)用。

超級電容器也是目前應(yīng)用和研究較多的一種新型綠色動力源，日本、俄羅斯、美國、法國、澳大利亞、韓國等國家都先后將超級電容器應(yīng)用于電動汽車[2]。在我國，超級電容器的研究和應(yīng)用也有了一定的發(fā)展。2010年上海世博會園區(qū)內(nèi)用于游客短駁的“世博大道”線上就有36輛超級電容公交車，通過實踐的檢驗，其運載能力和穩(wěn)定性值得肯定。盡管以超級電容器作為載運工具動力源有充電時間短（每次充電只需12～15min）、循環(huán)使用壽命長（充電循環(huán)次數(shù)約可達(dá)50萬次）、使用溫度范圍大、能量回收效率高等特點[2]，但由于其本身比能量低的特性，極大地制約了其續(xù)航能力的提高。對于公交車來說可以采用在線路的?？空军c建立充電站的方法來補救，但對于在海面上航行的船艇來說，暫時沒有很有效的解決方案，因而應(yīng)用超級電容器作為綠色純電動艇的動力源并不合適。

動力電池技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)歷了三代：第一代為閥控鉛酸蓄電池；第二代為堿性蓄電池；第三代為鋰離子電池。閥控鉛酸蓄電池存在充電時間長、使用壽命短、質(zhì)量能量比低，原材料鉛污染等缺點，主要應(yīng)用于電動自行車與電動摩托車，不適宜用作船舶動力能源；堿性蓄電池由于存在二次污染和價格問題已淡出市場；鋰離子電池能量密度高于閥控鉛酸蓄電池和堿性蓄電池，質(zhì)量能量比高達(dá)190Wh/kg，單體電池的電壓高達(dá) 3.6V，在國家“863”項目和北京奧運電動汽車示范運行的應(yīng)用中驗證了鋰離子電池安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，是小型純電能動力船舶合適的動力源。

2 總體方案設(shè)計

本文研究設(shè)計的小型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)采用動力電池，摒棄了柴油機動力，從根本上消除了燃油和廢氣排放污染。電力能源是靜止設(shè)備，沒有噪聲污染，完全滿足環(huán)保要求，對環(huán)境無不良影響；全船電力能源統(tǒng)一分配管理，充分利用推進(jìn)器的制動回饋能量，提高電能利用率，符合節(jié)能要求。綠色純電動艇整個推進(jìn)動力裝置由電池系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)兩部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。電源系統(tǒng)由電池管理系統(tǒng)BMS、充電單元以及動力電池組成。推進(jìn)系統(tǒng)則由推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)PCS、電能變換裝置和推進(jìn)電機組成。

圖1 總體設(shè)計

3 電源系統(tǒng)

3.1 動力電池

目前常用的動力電池有鎳鎘、鎳氫、密封鉛酸、鋰離子等，它們的技術(shù)指標(biāo)存在較大差異，表1是4種常見動力電池的主要技術(shù)指標(biāo)比較[3,4]。

為確保安全航行的要求，船舶在每次開航之前必須存儲足夠的動力能源，滿足續(xù)航要求。但由于每次返航后純電動艇無法將電池存儲的所有電能全部用盡，故選擇的動力電池必須沒有記憶效應(yīng)才能滿足設(shè)計要求。除此以外，相比其他幾種動力電池，鋰離子動力電池除了耐過充特性很低之外，其總體性能指標(biāo)都較好，特別是比能量和標(biāo)稱電壓最為突出，且其自放電速度很小。在實際應(yīng)用時，可通過為鋰離子電池的充電電路設(shè)計一個防止過充的安全電路，就能夠忽略其耐過充特性差的缺點。

雖然目前鋰離子動力電池價格較貴，但隨著制造技術(shù)的提高和應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，其應(yīng)用成本將會快速下降。綜上所述，本推進(jìn)系統(tǒng)使用鋰離子動力電池作為動力源。在電池的實際選型過程中，遵循以下公式：

式中：AH——電源系統(tǒng)總?cè)萘浚籛——負(fù)載功率；t——續(xù)航時間，ρ——電池能量轉(zhuǎn)換效率；f——電池放電率。

推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)載功率為30kW（2臺15kW推進(jìn)電機），全功率續(xù)航時間為8h，經(jīng)濟(jì)航速續(xù)航時間為10～12h。一般情況下，單組鋰電池很難達(dá)到如此大的容量，所以根據(jù)需要，采用堆棧式電池組聯(lián)合運行的方式。如式（2）所示：

表1 4種常見動力電池的主要技術(shù)指標(biāo)比較

式中，0AH ——單組封裝的動力鋰電池容量；n——理論上所需要組合入堆棧式電池組的片數(shù)。根據(jù)一般經(jīng)驗，實際選用的片數(shù)應(yīng)比n略大一些。經(jīng)計算，該艇推進(jìn)裝置采用100組容量為3AH 224V（70片3AH 3.2V電池串聯(lián)封裝）的動力電池聯(lián)合運行，符合推進(jìn)要求。

3.2 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng) BMS（Battery Management System）包含充電單元，主要是對電池進(jìn)行合理有效的管理和控制，維持電池良好的運行性能，延長電池使用壽命；實現(xiàn)無損電池的充電，監(jiān)控電池的放電狀態(tài)，同時對電池進(jìn)行實時或定期自動檢測、診斷和維護(hù)，最大限度地保證電池的可靠運行。電池管理系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)采集、荷電狀態(tài)的估算、電氣控制、溫度管理、安全管理、數(shù)據(jù)通信等功能。圖2為電池管理系統(tǒng)的硬件整體示意框圖。

圖2 BMS硬件整體

在軟件上，BMS系統(tǒng)的主要功能有：

1) 數(shù)據(jù)采集功能（電池組單體電壓巡回檢測、工作電流、電池組溫度、環(huán)境溫度檢測）；

2) 由電池的基本信息可確定電池的剩余電量(SOC)；

3) 能夠?qū)崿F(xiàn)在電池充放電兩種狀態(tài)下的實時監(jiān)控，判斷故障原因；

4) 實現(xiàn)總線通信，將電池的采集、計算、故障信息傳輸?shù)揭壕э@示單元進(jìn)行顯示[5]。

4 推進(jìn)系統(tǒng)

4.1 推進(jìn)電機

推進(jìn)電機直接驅(qū)動螺旋槳產(chǎn)生推力，并作用于船體，使船舶發(fā)生運動[6]。船舶在靜水中無外力約束自由航行達(dá)穩(wěn)態(tài)時，螺旋槳轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)速的關(guān)系近似為一條二次曲線，其表達(dá)式為：

式中：pyM ——船舶穩(wěn)定航行時螺旋槳轉(zhuǎn)矩，N·m；ρ——海水密度，kg/m3，通常取 1025kg/m3；D——螺旋槳直徑，m；n——螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/s；pyK——轉(zhuǎn)矩系數(shù)；MK ——無因次扭矩系數(shù)。

電動機類型的選擇對動力系統(tǒng)以及航行器整體性能有較大影響，所以根據(jù)上述性能要求對推進(jìn)電機的類型進(jìn)行分析和選擇。表2對無刷直流電動機、永磁有刷直流電動機、開關(guān)磁阻電動機和變頻調(diào)速異步電動機在某些技術(shù)指標(biāo)上作了定性分析[7]。

表2 4種電動機的比較

由表2可見，無刷直流電動機既具備交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、維護(hù)方便、壽命長等優(yōu)點，也具備普通直流電動機運行效率高、轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速方便、動態(tài)性能好等優(yōu)點，同時克服了普通直流電動機機械換向所引起的電火花干擾，維護(hù)難等諸多缺點。該推進(jìn)系統(tǒng)中，推進(jìn)電機選用 2臺功率為15kW的無刷直流電機。

電能變換單元采用電流型逆變器，其主要功能是將動力電池的直流電能變換成推進(jìn)電機所需的電能，實現(xiàn)推進(jìn)電機的起動、調(diào)速、制動控制，完成推進(jìn)電機電氣制動電能回饋，降低能耗。同時，提供推進(jìn)電機的各種繼電保護(hù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

4.2 推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)

推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)主要完成船舶推進(jìn)與操縱控制、電能綜合管理、運行狀態(tài)實時監(jiān)測功能，實現(xiàn)電力推進(jìn)系統(tǒng)高可靠性和高安全性的自動化、智能化控制。在這里，使用工業(yè)控制計算機作為系統(tǒng)上位機，PLC作為系統(tǒng)下位機，兩者之間通過以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)交換。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)對推進(jìn)電機的操縱主要由電能變換單元來實現(xiàn)，它將PLC發(fā)出的電機控制信號進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換，來實現(xiàn)直流無刷電機正常的啟動、正轉(zhuǎn)、倒轉(zhuǎn)和調(diào)速。

系統(tǒng)對電機運行參數(shù)的監(jiān)測主要通過傳感器組實現(xiàn)，它們將推進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速、電壓、電流、溫度、功率、轉(zhuǎn)子位置等運行參數(shù)通過傳感器組讀出，送至PLC內(nèi)部進(jìn)行處理。

PLC將處理完的數(shù)據(jù)打包送至上位機，由上位機對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和過濾，并與初始設(shè)定值比較，如出現(xiàn)異常則發(fā)出報警信號，以保護(hù)系統(tǒng)安全。推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的主要報警信號有：電機高溫、絕緣故障、電機超速等，同時在軟件設(shè)計中也考慮部分故障情況下的越控操作。

5 結(jié) 語

該小型船舶綠色動力電池推進(jìn)系統(tǒng)以動力電池為動力源，無刷直流電動機為推進(jìn)器，通過BMS和PLC協(xié)調(diào)控制，摒棄了柴油機動力，從根本上消除了燃油和廢氣排放污染，完全滿足環(huán)保要求。該推進(jìn)系統(tǒng)已通過了技術(shù)論證，現(xiàn)已進(jìn)入器件選型和實體制作的階段。

圖3 推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

[1] 郭自強. 德國的潛艇燃料電池[J]. 船電技術(shù)，1997,(5):5-12.

[2] 崔淑梅，段甫毅. 超級電容電動汽車的研究進(jìn)展與趨勢[J]. 汽車研究與開發(fā)，2005,(6): 31-36.

[3] Crowell, J. Battery arrays, rechargeable Li-ion battery power sources for marine applications[C]. OCEANS,Proceedings of MTS/IEEE, 2005,1: 46-51.

[4] 桂長清. 動力電池[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[5] 金 曉. 永磁無刷直流電動機的無位置傳感器控制[D].浙江：浙江大學(xué)，2005.

[6] 沈愛弟，黃學(xué)武. 半實物吊艙式電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 揚州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005, 8(1): 75-78.

[7] 張 巍. 純電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2008.