船用鋰電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

駱海民

摘 要：新能源船舶的應(yīng)用是解決船舶污染的重要方法之一。船用鋰電池充電技術(shù)是制約新能源船舶發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸之一。通過(guò)對(duì)目前鋰電池充電技術(shù)的分析，結(jié)合船舶運(yùn)行維護(hù)的特點(diǎn)，對(duì)適合船舶行業(yè)鋰電池充電技術(shù)開(kāi)展了分析與總結(jié)，提出了船載交流充電機(jī)方案，并對(duì)船載交流充電機(jī)方案的具體實(shí)施開(kāi)展研究。研究結(jié)果表明，研發(fā)的船用鋰電池充電系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足新能源船舶在現(xiàn)有碼頭及船舶系泊狀態(tài)下的使用，方案可靠實(shí)用。

關(guān)鍵詞：船舶污染；鋰電池；充電系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672.3198.2018.32.101

0 引言

船舶污染是環(huán)境污染的重要污染源之一。船舶在航行、港口停泊、貨物裝載、航海事故中都會(huì)產(chǎn)生污染物或者廢棄物對(duì)周?chē)h(huán)境和大氣環(huán)境產(chǎn)生污染。船舶污染具有多樣性、流動(dòng)性、侵權(quán)性和危害性的特征。近年來(lái)，綠色新能源技術(shù)引入到船舶的能源應(yīng)用與管理中，以鋰電池技術(shù)為代表的新能源技術(shù)應(yīng)用，一方面可以提升能源的利用效率，另一方面能夠極大的降低環(huán)境的污染。船舶行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是我們共同追求的目標(biāo)，船舶能源的綠色化才能帶來(lái)綠水青山和金山銀山。

船舶鋰電池組的充電技術(shù)是制約鋰電池為動(dòng)力的新能源船舶發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。船用鋰電池充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究涉及電力電子變流技術(shù)智能監(jiān)控技術(shù)、無(wú)線射頻技術(shù)以及CAN總線技術(shù)的應(yīng)用。船舶充電技術(shù)的規(guī)劃與應(yīng)用因港口限制與岸電的功率問(wèn)題，有別于車(chē)用充電樁的規(guī)劃于應(yīng)用。

利用鋰電池組作為船舶的動(dòng)力源，當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)就必須進(jìn)行電能的補(bǔ)充，否則鋰電池組的性能和壽命將會(huì)受到較大的影響，并且造成不可逆的損害。本文結(jié)合汽車(chē)工程應(yīng)用的充電樁技術(shù)及船舶電氣的技術(shù)要求應(yīng)用到船用鋰電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究中。

1 鋰電池充電系統(tǒng)充電方法概述

結(jié)合目前汽車(chē)工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的鋰電池充電系統(tǒng)的充電方法，船用鋰電池充電方法主要有以下類(lèi)型：

（1）交流充電。由電網(wǎng)提供220V或者380V交流電源，經(jīng)過(guò)船載充電裝置的濾波、整流和保護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的充電過(guò)程。這種充電方法充電時(shí)間較長(zhǎng)，充電功率較小，適合小型鋰電池船舶。

（2）直流充電。這種充電方式是由地面提供直流電源，直接為船用鋰電池充電，省去了船載充電裝置，有利于船體自重的減輕。地面充電機(jī)一般功率較大，而且充電過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱，需要快速冷卻，直流充電效率較高，能實(shí)現(xiàn)快速充電，適合中型船舶。

（3）更換電池組。這種充電方法為每條船舶準(zhǔn)備多組鋰電池，一組為船舶提供動(dòng)力電源的同時(shí)，另一組處于地面充電狀態(tài)，當(dāng)鋰電池組電量不足的時(shí)候，可以及時(shí)地拆下并更換已經(jīng)充足電量的鋰電池組。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)最短時(shí)間的充電過(guò)程。但是需要建設(shè)大量的電池更換站，需要大量人員進(jìn)行維護(hù)。投資成本大，智能化程度低。

2 船用鋰電池充電系統(tǒng)充電方案可行性分析

結(jié)合船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)的情況，選擇合理可行的方案才能適應(yīng)船舶鋰電池的應(yīng)用。充電系統(tǒng)一旦建設(shè)投入運(yùn)行，滿(mǎn)足不了船舶充電的實(shí)際需求，則會(huì)造成較大的浪費(fèi)。充電系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行往往對(duì)岸電或者碼頭的電網(wǎng)沖擊較大，一方面需要合理規(guī)劃增大電網(wǎng)功率的，另一方面需要對(duì)充電的時(shí)間進(jìn)行合理的規(guī)劃與安排，這樣才能更好滿(mǎn)足船舶充電與岸電使用的需求。

由此，船用電池充電系統(tǒng)可行性分析得出如下結(jié)論：

（1）船用交流充電樁。在船舶上使用交流充電機(jī)或者在岸電碼頭安裝交流充電樁，采用220V或者380V交流電壓，這兩種電壓等級(jí)容易獲得。經(jīng)過(guò)充電樁，可以為新能源船舶充電，這種交流充電樁的最大優(yōu)勢(shì)就是可以岸電利用船舶停泊時(shí)間進(jìn)行充電。

（2）船用直流充電樁。在船舶系泊的碼頭建設(shè)直流充電樁，可以快速地完成船舶鋰電池充電過(guò)程。這種充電樁的功率較大，對(duì)電網(wǎng)會(huì)進(jìn)行一定的沖擊，所以在建設(shè)的時(shí)候需要考慮對(duì)電網(wǎng)的保護(hù)措施。

綜上所述，對(duì)于新能源船舶系泊碼頭較為固定的情況，可以設(shè)置專(zhuān)用的直流充電碼頭，提供直流為船舶充電，對(duì)于系泊碼頭不固定的情況，可以采用交流充電機(jī)布置在碼頭或者船舶上，使用岸電的220V或者380V供電。

3 船用鋰電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前由于充電系統(tǒng)的限制，新能源船舶使用的水域以?xún)?nèi)河航線為主，且為短距離的運(yùn)輸為主。比如湖泊的游覽船舶的固定航線和內(nèi)河散貨船的固定航線，且具備固定系泊碼頭的條件下較適合使用新能源船舶。

船載交流充電系統(tǒng)更適合目前初步發(fā)展的新能源船舶的應(yīng)用。由此提出380V船載交流充電系統(tǒng)。

表1為船用鋰電池充電系統(tǒng)端子接口定義。

船用鋰電池充電系統(tǒng)充電步驟：

（1）按照?qǐng)D1原理圖接線。

（2）船用鋰電池充電系統(tǒng)充電機(jī)啟動(dòng)充電指令（按鈕開(kāi)關(guān)或刷卡）。

（3）啟動(dòng)電源喚醒電源開(kāi)關(guān)K3，K4 ，給BMS 供電。

（4）延時(shí)5 s后，船用鋰電池充電系統(tǒng)通過(guò) CAN 給 BMS 發(fā)送充電指令 ，同時(shí)吸合充電開(kāi)關(guān)。

（5）BMS 控制上電后自檢， 通過(guò) CAN 給 接收充電機(jī)發(fā)送的充電指令。

（6）BMS 收到充電機(jī)發(fā)送的充電指令后， 檢查充電開(kāi)關(guān)是否吸合 ，如吸合，則返回充電準(zhǔn)備好指令，準(zhǔn)備充電，K5，K6吸合。

（7）充電機(jī)收到BMS準(zhǔn)備好充電指令后，吸合K1，K2 開(kāi)關(guān)，然后按照BMS 的充電協(xié)議開(kāi)始充電，直至充電結(jié)束。

4 船用鋰電池充電系統(tǒng)性能測(cè)試

按照中國(guó)船級(jí)社《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》2015版（第4分冊(cè)）和《電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可試驗(yàn)指南》2015版的要求，開(kāi)展充電、干擾等性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明該船用鋰電池充電系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足船用電池組充電的需求。充電工況下，充電性能平穩(wěn)，充滿(mǎn)后自動(dòng)斷電，并且能夠按照中國(guó)船級(jí)社的要求在故障狀態(tài)下發(fā)出聲光電報(bào)警。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)目前鋰電池充電技術(shù)的分析，本文對(duì)適合船舶行業(yè)鋰電池充電技術(shù)開(kāi)展了分析與總結(jié)，并提出了船載交流充電機(jī)方案。在船用鋰電池交流充電系統(tǒng)方案方面，提出了從岸電或者碼頭引入380V交流電為船用鋰電池充電的全面解決方案，并且通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該船用鋰電池充電系統(tǒng)符合相關(guān)規(guī)范和指南的要求，滿(mǎn)足現(xiàn)階段新能源船舶充電的需求。

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