大容量鋰電池船舶動力系統(tǒng)設(shè)計

陳 卓，楊雅薇

大容量鋰電池船舶動力系統(tǒng)設(shè)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(shè)計中心，武漢 430064）

本文在當(dāng)前已成熟應(yīng)用鋰電池船舶動力系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合船舶規(guī)范要求以及對鋰電池系統(tǒng)安全性考慮，針對大容量鋰電池在船舶動力系統(tǒng)的應(yīng)用進行設(shè)計，重點介紹了大容量鋰電池組的并聯(lián)充放電控制、整船動力系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)以及直流配電保護策略，對大容量鋰電池在船舶動力系統(tǒng)上的應(yīng)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(shù)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(yīng)用環(huán)境，大容量船舶動力鋰電池系統(tǒng)與陸用大容量鋰電池儲能系統(tǒng)以及車用小容量動力電池系統(tǒng)有著顯著的區(qū)別。本文結(jié)合中國船級社2019年發(fā)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(tǒng)上的應(yīng)用設(shè)計，主要包括大容量鋰電池動力系統(tǒng)拓撲、鋰電池系統(tǒng)充放電控制以及整船能量管理系統(tǒng)[2]。

1 大容量鋰電池船舶動力系統(tǒng)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(shè)計任意工況下的動力需求。因此電池系統(tǒng)不僅需要滿足船舶設(shè)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(tǒng)的分組及并聯(lián)

圖1 電池組通過DC/DC直流變換裝置并聯(lián)

常規(guī)小容量電池系統(tǒng)，由于電池電量較小，通常電池組直接并聯(lián)后對外供電。當(dāng)電池系統(tǒng)容量較大時，考慮電池系統(tǒng)的一致性以及環(huán)流等影響，不允許過多的電池組直接并聯(lián)工作。

通過DC/DC直流變換器后在直流母線側(cè)供電，可以有效的降低電池組一致性不同造成的環(huán)流等問題而導(dǎo)致電池系統(tǒng)安全性及使用壽命降低。與此同時，采用該方式并聯(lián)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(tǒng)同時給船上供電。

在系統(tǒng)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(diào)節(jié)，長時間工作可能會導(dǎo)致電池組間放電不一致。通過EMS（能量管理系統(tǒng)）增加主動均流功能可實現(xiàn)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(wǎng)電池簇數(shù)量。

1.2 動力系統(tǒng)拓撲

與常規(guī)柴油發(fā)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(shè)備將直流電變換為相應(yīng)的電源提供設(shè)備用電。

圖2 大容量純電池動力系統(tǒng)拓撲

鋰電池組由DC/DC變換器通過直流母排并聯(lián)，通過直流組網(wǎng)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(qū)動螺旋槳，推進負荷的加載性能需要與電池系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間和加載能力相匹配；逆變電源將直流電源逆變?yōu)楹銐汉泐l的三相交流電源供船上交流負載供電，如風(fēng)機、水泵、空調(diào)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(jiān)測等保護。

2 直流配電及保護設(shè)計

按照規(guī)范的要求電氣裝置中應(yīng)設(shè)有合適的保護電器，以能在發(fā)生包括短路在內(nèi)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(yīng)能提供完善協(xié)調(diào)的自動保護，以保證在某處發(fā)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(shè)備電路的供電連續(xù)性，消除故障的影響，從而減少對系統(tǒng)的損害和發(fā)生火災(zāi)的危險[3]。

直流配電系統(tǒng)是電動船動力系統(tǒng)核心，是全船供電及驅(qū)動控制的載體，集成了直流配電、直流保護、變頻驅(qū)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(wǎng)的直流母線系統(tǒng)中，當(dāng)某設(shè)備發(fā)生短路故障時，會在直流母線、變頻器或者交流輸出端出現(xiàn)明顯的過電流，選擇性保護應(yīng)避免出現(xiàn)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?qū)е碌钠渌鼑?yán)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(tǒng)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(chǎn)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(jié)合熔斷的弧前/熔斷I2t值，實現(xiàn)直流配電系統(tǒng)的上下級保護，提高系統(tǒng)安全性，避免故障擴大化和全船失電的風(fēng)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(tǒng)設(shè)計

鋰電池充電通常采用恒流充電方式，由充電樁/充電設(shè)施提供充電電源。常規(guī)小容量的電池系統(tǒng)充電方式由充電樁直接與鋰電池管理系統(tǒng)（BMS通信），BMS發(fā)送請求充電電流進行充電。大容量鋰電池系統(tǒng)由于通過DC/DC并聯(lián)，鋰電池系統(tǒng)的充放電控制均由DC/DC來實現(xiàn)，因此充電設(shè)備不直接與BMS通信，需要經(jīng)過船上能量管理系統(tǒng)（EMS）來實現(xiàn)充電控制，EMS根據(jù)電池SOC、允許的最大充電電流、充電設(shè)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(jù)碼頭充電設(shè)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(shù)配置階段、充電階段和充電線束階段。

圖7 充電流程

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

4 小結(jié)

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

[1] 周鎮(zhèn)海. 淺析純電動船的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及發(fā)展思路研究[J]. 中國標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)選擇性保護仿真與試驗研究[J]. 船電技術(shù), 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