中小型玻璃鋼休閑漁船電力推進(jìn)系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

張 昊，侍中南，黃一峰，劉全良，賀 波

(1 浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)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(guó)是漁業(yè)大國(guó)，但漁船及其裝備發(fā)展相對(duì)落后。玻璃鋼作為漁船新型材料，具有質(zhì)量輕、航行速度快、節(jié)能環(huán)保和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被漁業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛使用[1]。另外，中國(guó)傳統(tǒng)漁船多為柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(lái)的重要發(fā)展方向[3]。

20世紀(jì)中后期，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始對(duì)電動(dòng)漁船進(jìn)行研究并致力于產(chǎn)業(yè)化[4-9]，并且把研究方向放在智能船舶上[10-11]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者也對(duì)電動(dòng)漁船進(jìn)行了一系列的研究，如鄭暉等[12]提出一種遠(yuǎn)洋漁船電力推進(jìn)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(duì)漁船電力推進(jìn)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)電流控制方法進(jìn)行了分析；吳小洲等[14]對(duì)漁船動(dòng)力及轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，利用PLC對(duì)航線進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定速航行功能；上海海洋大學(xué)田晨曦[15]對(duì)漁船的油電混合動(dòng)力系統(tǒng)展開(kāi)研究，采用模糊控制策略，設(shè)計(jì)出混合動(dòng)力系統(tǒng)；王永鼎等[16]設(shè)計(jì)出一種油電混合動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)北斗衛(wèi)星定位的漁場(chǎng)位置選擇不同動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)。國(guó)內(nèi)對(duì)清潔電力、風(fēng)能、太陽(yáng)能、氫能以及混合能源應(yīng)用在漁船上的技術(shù)起步較晚，對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的控制策略研究相比發(fā)達(dá)國(guó)家仍較落后[17]?，F(xiàn)階段，中國(guó)出臺(tái)了一系列電動(dòng)船舶規(guī)范，促進(jìn)了電動(dòng)漁船的發(fā)展[18-22]；與此同時(shí)，一些高校相繼成立實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行理論研究推動(dòng)電動(dòng)漁船發(fā)展[23-25]；一些公司也致力于電動(dòng)漁船的發(fā)展推進(jìn)[26-30]。

以目前正在實(shí)施推進(jìn)的中小型玻璃鋼休閑漁船作為研究對(duì)象，研究其動(dòng)力電池及其電力推進(jìn)系統(tǒng)，探索解決新能源電動(dòng)玻璃鋼漁船的試驗(yàn)推進(jìn)工作。

1 電池管理及控制系統(tǒng)

1.1 動(dòng)力電池選擇

休閑漁船在行駛過(guò)程中容易受到作業(yè)和環(huán)境的影響，負(fù)載易產(chǎn)生波動(dòng)，因單一動(dòng)力源系統(tǒng)響應(yīng)慢，因此需要通過(guò)電池管理系統(tǒng)對(duì)休閑漁船上的動(dòng)力源進(jìn)行有效管理，使其具有良好的機(jī)械和電性能，以實(shí)現(xiàn)適應(yīng)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(shí)間、航行時(shí)輸出穩(wěn)定、在不同環(huán)境下能夠運(yùn)行等要求，同時(shí)不遜于傳統(tǒng)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)性能，動(dòng)力電池的選擇至關(guān)重要。根據(jù)工作條件，動(dòng)力電池一般要求能夠存儲(chǔ)足夠能量，能夠承擔(dān)瞬時(shí)大電流，輸出電壓高，充放電時(shí)間短，以滿足漁船的正常航行。結(jié)合以上要求，對(duì)不同種類動(dòng)力電池進(jìn)行匯總比較，主要種類及參數(shù)見(jiàn)表1、電池特點(diǎn)見(jiàn)表2[31-33]。

表1 電池主要種類及參數(shù)

表2 電池特點(diǎn)

由表1和表2可知，鋰離子電池的比能量和能量密度相對(duì)較高，壽命相對(duì)較長(zhǎng)，無(wú)污染，對(duì)工作環(huán)境要求低，但成本相對(duì)較高；鉛酸電池和鎳鎘電池環(huán)境污染嚴(yán)重；鎳氫電池和鈉硫電池對(duì)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(wèn)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(dòng)力源。

鋰離子電池根據(jù)電解質(zhì)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(yīng)用充分，利用率高，能夠做儲(chǔ)能量大的單體電芯；因此，選用磷酸鐵鋰電池用作漁船動(dòng)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(tái)電壓較高，在對(duì)電池進(jìn)行充放電時(shí)，過(guò)充或過(guò)放都會(huì)造成電池的損傷，為了防止電池在進(jìn)行充放電時(shí)損壞，需要對(duì)電池進(jìn)行有效管理。電池的有效管理通常涉及對(duì)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(shí)的保護(hù)。根據(jù)漁船結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和磷酸鐵鋰電池特性，由電池構(gòu)成的電池組一般放置在漁船底倉(cāng)，為了使?jié)O船壓載均衡，單一電池的損壞不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)，宜采用集中-分布式結(jié)構(gòu)對(duì)電池組進(jìn)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(cè)采集；2)對(duì)電池狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與反饋；3)控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN總線實(shí)時(shí)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(jī)作為主控芯片，S32K144是高性能單片機(jī)，不僅能夠滿足正常工作的需要，而且為以后設(shè)備的擴(kuò)展留有一定空間。主控模塊的功能是對(duì)監(jiān)控模塊反饋的電池信息進(jìn)行檢測(cè)并作出處理，并與漁船控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，對(duì)磷酸鐵鋰電池輸出進(jìn)行管理，同時(shí)將采集的信息上報(bào)。

監(jiān)控模塊將MC9S08DZ48單片機(jī)用作處理器，對(duì)來(lái)自從控模塊的電池電流、電壓及環(huán)境溫度進(jìn)行采集及處理，以達(dá)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(jī)以及CAN模塊組成，印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)內(nèi)部通過(guò)串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)通訊，結(jié)構(gòu)如圖2所示。從控模塊主要負(fù)責(zé)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(hù)設(shè)置可根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)置，將實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)反饋至監(jiān)控模塊。LECU可通過(guò)OZ8920所得數(shù)據(jù)以及監(jiān)控模塊反饋信息進(jìn)行電池組內(nèi)部電壓均衡。

圖2 LECU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采用CAN總線的連接方式可以實(shí)現(xiàn)電壓控制、電流均衡、系統(tǒng)自檢等功能，提高BMS在應(yīng)用過(guò)程中的可靠性。通過(guò)設(shè)置電池的電荷狀態(tài)(State of Charge，SOC)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)磷酸鐵鋰電池的安全保護(hù)(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(shè)置一定的范圍(設(shè)定區(qū)間為20%～95%，參考電壓值設(shè)定為500 V)，以防止磷酸鐵鋰電池的過(guò)放過(guò)沖帶來(lái)的系統(tǒng)不穩(wěn)定和電池的損壞，從而保護(hù)電池和電池系統(tǒng)，使得休閑漁船航行更久、更遠(yuǎn)。

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(gè)可視化環(huán)境被廣泛用作工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)字信號(hào)處理和控制理論等方面的仿真，功能十分完善；同時(shí)在其基礎(chǔ)上增加模塊工具箱(Sim Power System，SPS)，通過(guò)SPS對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其可行性。

電池控制系統(tǒng)由控制器和磷酸鐵鋰電池構(gòu)成(圖4)。將磷酸鐵鋰電池用作休閑漁船的儲(chǔ)存能量單元，當(dāng)把鋰離子電池與母線直接相連時(shí)，電池輸出的不穩(wěn)定可能會(huì)引起電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定。為了避免這種情況，需要對(duì)磷酸鐵鋰離電池的充放電進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。選用DC/DC控制器作為動(dòng)力電池系統(tǒng)的控制單元對(duì)電池充放電進(jìn)行控制，可解決此問(wèn)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(jìn)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)電池管理系統(tǒng)和漁船工作要求，電力推進(jìn)系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 電力推進(jìn)系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

本電網(wǎng)由磷酸鐵鋰電池組作為動(dòng)力源，為漁船的運(yùn)行提供動(dòng)力。鋰電子電池供電可減少漁船上的復(fù)雜機(jī)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(guò)控制器對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行控制，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)會(huì)作出反應(yīng)，并恢復(fù)穩(wěn)定；當(dāng)負(fù)載變化超過(guò)限值時(shí)，電力推進(jìn)系統(tǒng)的電網(wǎng)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，保護(hù)漁船和系統(tǒng)的安全。

2.2 電力推進(jìn)控制系統(tǒng)

采用近年來(lái)發(fā)展的新型脈寬調(diào)制技術(shù)空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)為控制策略，其特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)耗能少、計(jì)算簡(jiǎn)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(chǎn)生的正弦波能夠使電機(jī)獲得平滑的圓形磁場(chǎng)，便于實(shí)際觀察。

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠提高電力推進(jìn)系統(tǒng)的抗干擾能力，當(dāng)航行時(shí)，電力推進(jìn)系統(tǒng)受到影響出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)恢復(fù)。控制系統(tǒng)利用空間矢量逆變器，通過(guò)建立兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并采用電流電壓雙環(huán)對(duì)輸出進(jìn)行有效控制。通過(guò)對(duì)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和輸出電流的控制，改善電力推進(jìn)系統(tǒng)的抗干擾能力，對(duì)輸出濾波電容電流進(jìn)行解耦來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的控制，對(duì)輸出濾波電感電壓進(jìn)行解耦來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)的坐標(biāo)，給模型增加一個(gè)dq變換模型，將解耦后的模型封裝起來(lái)，并與變換模型結(jié)合，形成一個(gè)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(jìn)系統(tǒng)建模

將電池管理及控制系統(tǒng)和動(dòng)力推進(jìn)控制系統(tǒng)連接，構(gòu)成本研究的電力推進(jìn)系統(tǒng)。通過(guò)影響系統(tǒng)輸入負(fù)載的大小，來(lái)模擬設(shè)計(jì)的電力推進(jìn)系統(tǒng)輸出電壓與電流引起的變化。將各個(gè)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(jìn)系統(tǒng)圖

3 系統(tǒng)仿真

根據(jù)電力推進(jìn)系統(tǒng)模型，利用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型。根據(jù)漁船的工作特點(diǎn)，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(jié)果如圖8(a)、(b)所示。

在本電力推進(jìn)系統(tǒng)中，以純電動(dòng)漁船為研究對(duì)象，與趙福海等[35]采用混合動(dòng)力漁船有著很大區(qū)別；同時(shí)設(shè)計(jì)采用電池管理系統(tǒng)對(duì)鋰離子電池組進(jìn)行管理，控制整個(gè)漁船的動(dòng)力，與閆飛飛等[36]對(duì)漁船舵機(jī)控制系統(tǒng)相比，功能要變得復(fù)雜。

仿真試驗(yàn)通過(guò)計(jì)量模塊對(duì)三相電壓和電流進(jìn)行計(jì)量，并通過(guò)示波器顯示波形。系統(tǒng)中接入給定的負(fù)載模塊模擬漁船正常工作的情況。由圖8a得知，輸入負(fù)載不發(fā)生變化，三相負(fù)載電流和輸出電壓也都沒(méi)變化。通過(guò)給電網(wǎng)增加負(fù)載模塊，并調(diào)整增加的負(fù)載在0.25 s時(shí)連接電網(wǎng)，模擬漁船負(fù)載突然發(fā)生變化時(shí)電網(wǎng)的變化情況。由圖8b得知，在0.25 s電網(wǎng)引起輸入負(fù)載突然變大，輸出電壓也隨之發(fā)生細(xì)小變化，并且在較短的時(shí)間內(nèi)能夠恢復(fù)穩(wěn)定；負(fù)載電流此時(shí)也發(fā)生了變化，同時(shí)也能夠在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定。由此可得，電力推進(jìn)系統(tǒng)在負(fù)載穩(wěn)定時(shí)，能夠穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，能夠迅速作出反應(yīng)，并恢復(fù)穩(wěn)定。

圖8 三相輸出電壓電流波形圖

設(shè)計(jì)研究的電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于長(zhǎng)16～18 m，寬4.4 m的電動(dòng)玻璃鋼休閑漁船上，經(jīng)實(shí)船應(yīng)用，可以得到穩(wěn)定輸出，給予休閑漁船穩(wěn)定的航行動(dòng)力。

4 結(jié)論

對(duì)中小型玻璃鋼純電動(dòng)休閑漁船的電池選擇、電池管理及電力推進(jìn)系統(tǒng)等進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。根據(jù)漁船特性，選用磷酸鐵鋰電池用作漁船動(dòng)力源，采用電池管理系統(tǒng)對(duì)電池組充放電進(jìn)行管理，搭建電力推進(jìn)系統(tǒng)模型，提供整個(gè)漁船的動(dòng)力輸出，并通過(guò)改變負(fù)載模擬系統(tǒng)發(fā)生突變時(shí)作出的反應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，該漁船電力推進(jìn)系統(tǒng)模型是可行的，能夠滿足休閑漁船的動(dòng)力需求。在實(shí)際應(yīng)用中，漁船可能因?yàn)殡姵乩吓f等客觀原因?qū)е码妷旱葏?shù)發(fā)生變化，給系統(tǒng)造成影響，需要進(jìn)一步研究。

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