船舶混合鋰離子電池儲能系統(tǒng)功率分配研究

雷克兵，湯旭晶，周詩堯，陳自強

（1.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240，2. 武漢理工大學(xué)，武漢 430063）

隨著全球節(jié)能減排規(guī)范日益嚴格，能源供應(yīng)日趨緊張，船舶電動化逐漸成為航運業(yè)新的發(fā)展方向，不僅可以發(fā)揮零污染、零排放巨大優(yōu)勢，同時具備能耗低、工作過程安靜低噪等特點。極端海洋環(huán)境復(fù)雜多變，脈沖負載擾動頻繁，動力裝置輸出功率波動較大，油耗和排放污染增加，且船舶電網(wǎng)受到頻繁擾動沖擊，母線電壓變化劇烈。由于單一動力源不能兼顧系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行以及提供瞬時大功率需求，船舶混合動力能將功率型和能量型儲能系統(tǒng)統(tǒng)一，平抑船舶電網(wǎng)波動的同時，可實現(xiàn)節(jié)能減排要求，從而能提高船舶的動力性和適航性[1]。

2000年，澳大利亞發(fā)明家Robert Dane研發(fā)了一艘混合動力商用客船“Solar Sailor”號太陽能渡船[2]。2007年12月15日，全球第一艘用風箏拉動的貨輪“白鯨天帆號”由德國漢堡市起航。2015年8月，荷蘭輪船制造商推出 Savannah號游艇，作為全球第一艘油電混合動力超級游艇[3]。2010年，通過中國船舶重工集團702及712研究所聯(lián)合設(shè)計，“尚德國盛”號混合動力游船在上海世博會首次亮相[4]。2017年11月，廣船國際建造一艘以“鋰離子電池+超級電容”為混合儲能純電推進船舶[5]。隨著混合儲能技術(shù)的發(fā)展，利用燃料電池、超級電容及蓄電池等作為船舶電力推進動力，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率高，不產(chǎn)生污染環(huán)境的排放氣體，但目前氫的制備、運輸和存儲技術(shù)達不到標準，且單體功率較低、成本高、推廣受到限制[6]。超級電容具有很高的功率密度，循環(huán)使用壽命長，但其能量密度極低，約為鋰離子電池能量密度的 1/10，導(dǎo)致其續(xù)航能力嚴重受到制約。隨著動力電池技術(shù)的日益發(fā)展，鋰離子動力電池表現(xiàn)了強大的發(fā)展?jié)摿?，其具有無記憶效應(yīng)、平臺電壓高、能量密度大、自放電率低和安全性高等眾多優(yōu)點，能很好地滿足內(nèi)河小型混合動力推進船舶的儲能需求[7]。

文中將重點研究船舶混合鋰離子電池儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計，搭建鋰離子電池等效電路和雙向DC/DC變換器仿真模型，提出基于模糊控制功率分配策略，利用 PI控制技術(shù)控制直流母線電流，完成仿真驗證。

1 船用混合儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

由于船舶特殊工作環(huán)境的要求，選擇合適的儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)對于減少儲能系統(tǒng)的設(shè)計冗余，延長鋰離子電池組使用壽命具有十分重要的意義。準確的鋰離子電池等效電路模型與雙向DC/DC數(shù)學(xué)模型直接關(guān)系到混合鋰離子電池儲能系統(tǒng)的控制效果。

1.1 混合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

混合儲能系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)主要有三種：主動式、被動式及半主動式。主動式將鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和總線全部解耦，使兩種電池的功率以及總線電壓均可控，系統(tǒng)成本比較高，控制算法復(fù)雜，系統(tǒng)工作效率比較低；被動式將鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池及總線直接并聯(lián)，系統(tǒng)成本較低，無需能量管理算法，但鈷酸鋰電池良好的功率特性會被磷酸鐵鋰電池所鉗制，限制其功率補償能力，綜合性能較差；半主動式構(gòu)型性能介于以上主動式與被動式系統(tǒng)之間，實際中應(yīng)用廣泛[8]。

根據(jù)混合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點分析，文中擬用半主動式拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。鈷酸鋰電池通過雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器與直流母線相連，磷酸鐵鋰電池直接與直流母線耦合，該構(gòu)型具有以下優(yōu)點：

1）直流母線電壓由能量型磷酸鐵鋰電池決定，其電壓特性較“硬”，即變化平緩，從而使母線電壓波動較小，能量轉(zhuǎn)換效率較高。

2）功率型鈷酸鋰電池與雙向 DC/DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián)，可通過雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器控制直流母線電壓，合適的控制策略可減少磷酸鐵鋰電池 SOC波動，從而保證了其放電深度在指定的范圍內(nèi)。

1.2 鋰離子電池等效電路模型

鋰離子電池等效電路模型主要包括Rint模型、RC模型、Thevenin模型、PNGV模型和GNL模型。由于 Thevenin模型考慮了鋰離子電池具有阻容特性、極化現(xiàn)象以及電動勢與SOC的關(guān)系，比較精確地反映了實際工作過程特點，且計算量較小，因此在鋰離子電池建模中應(yīng)用普遍[9]。Thevenin模型由恒壓源、電阻和電容構(gòu)成，如圖2所示。

等效電路中 E表示鋰電池的開路電壓，R0表示極化內(nèi)阻，R1表示等效歐姆電阻，C1表示極化電容，U0表示鋰電池輸出電壓，Uc表示極化阻抗兩端電壓。由于充放電過程中，鋰電池端電壓在電流激勵下，產(chǎn)生突變特性和漸變特性，因此采用歐姆內(nèi)阻 R0兩端電壓的變化來反映突變特性，并聯(lián)的R0和C1組成慣性環(huán)節(jié)反映漸變特性。同時該慣性環(huán)節(jié)還能反映出鋰電池的極化特性。

由基爾霍夫電壓定律可得：

解微分方程得：

系統(tǒng)零狀態(tài)與零輸入響應(yīng)為：

采用安時積分法和開路電壓法相結(jié)合的復(fù)合方式估算鋰電池SOC[10]，同時對磷酸鐵鋰電池和鈷酸鋰電池做混合脈沖功率性能測試（The Hybrid Pulse Power Characterization，HPPC），以確定兩種鋰離子電池工作在不同SOC狀態(tài)下的參數(shù)U0、R0、C1、R1。在Simulink中建立鋰離子電池數(shù)學(xué)仿真模型。

1.3 雙向DC/DC變換器

雙向DC/DC變換器能在鋰離子電池充電和放電過程中，具有較高的傳輸效率，能承受高壓和強電流，同時可以增加系統(tǒng)短時間內(nèi)的最大輸出功率，其控制要求必須滿足對能量的精確控制。非隔離式雙向Boost/Buck變換器在實際使用中，系統(tǒng)開關(guān)元件電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力小，同時開關(guān)元件IGBT導(dǎo)通損耗小，轉(zhuǎn)換效率高[11]，拓撲結(jié)構(gòu)如圖4a所示。當船舶啟動或者加速時，變換器處于Boost工作模式，鈷酸鋰電池電壓升高后給直流母線供電，此時放電電源開關(guān)S1和續(xù)流二極管導(dǎo)通D2，當船舶制動時，雙向DC/DC變換器處于Buck工作模式，充電電源開關(guān)S2和續(xù)流二極管 D1導(dǎo)通，直流母線的制動能量給鈷酸鋰電池充電。在Simulink搭建變換器仿真模型如圖4b所示。

2 混合儲能功率分配研究

船舶混合鋰離子電池儲能系統(tǒng)控制原理如圖 5所示。該系統(tǒng)包括模糊控制模塊、直流母線電流 PI控制模塊以及鋰離子電池最大充放電電流限制模塊。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：能夠在滿足船舶動力需求的前提下，充分發(fā)揮鈷酸鋰電池的功率特性和磷酸鐵鋰電池的能量特性，同時減少磷酸鐵鋰電池放電循環(huán)次數(shù)和放電深度，延長其使用壽命；能提高船舶混合儲能系統(tǒng)工作效率及能量回收率，增加船舶營運的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)節(jié)能減排目標[9]。

2.1 系統(tǒng)工作模式分析

船舶在航行過程中，工作狀況可分為四類，即啟動加速、平穩(wěn)航行、惡劣海況和減速再生制動[10]。根據(jù)不同種船舶航行工況，混合儲能系統(tǒng)具有以下四種工作模式[12].

1）磷酸鐵鋰電池單獨驅(qū)動模式。此模式下船舶平穩(wěn)航行，航行阻力及負載需求功率波動較小。

2）鈷酸鋰電池單獨驅(qū)動模式。此模式下船舶負載瞬時功率需求較大或者是處于短時加速過程。

3）兩種鋰電池共同驅(qū)動模式。此模式下船舶航行功率需求很大，如進出港口、過狹窄水道、大風浪天氣等惡劣海況航行。

4）再生制動模式。此模式下船舶減速，電動機處于再生制動狀態(tài)，制動能量根據(jù)控制策略進行再生能量分配。

2.2 模糊控制器設(shè)計

模糊控制（Fuzzy control）是一種基于規(guī)則的非線性控制理論，是模擬人腦控制過程的一種智能控制方式。其執(zhí)行流程如圖6所示[13].

流程圖中，輸入量為負載功率需求Pdemand、鈷酸鋰電池的荷電狀態(tài)Ster以及磷酸鐵鋰電池的荷電狀態(tài)SLPF，輸出量為功率分配系數(shù)?LPF，滿足：

式中：磷酸鐵鋰電池荷電狀態(tài)SLPF的取值范圍設(shè)置為[0.6 0.9]；鈷酸鋰電池荷電狀態(tài)Ster的取值范圍設(shè)置為[0.5 1]。

各輸入輸出變量的論域為：

各輸入輸出變量隸屬度函數(shù)如圖7所示。

模糊控制規(guī)則采用IF-THEN形式，即“IF Pdemandis A and SOCLPFis B and SOCteris C, THEN ?LPFis D”。采用重心法，實現(xiàn)模糊控制器解模糊輸出，根據(jù)相應(yīng)的模糊規(guī)則，輸出的三維圖形表達如圖 8所示。

2.3 直流母線電流PI控制

PI控制是一種線性控制方式，主要用于具有大慣性、大滯后特性的被控對象，控制輸出是雙向DC/DC變換器占空比，如圖9所示：

船舶在航行過程中負載擾動較大，采用“主動阻尼”方式，即在建模系統(tǒng)的內(nèi)部反饋回路中增加一個虛構(gòu)電阻Ra，改善調(diào)節(jié)器的性能。同時占空比不能高于1或低于0，輸出必須受到限制，改進后的閉環(huán)PI控制框圖如圖10所示[14]。

2.4 鋰離子電池充放電電流限制

鋰離子電池正常工作時，不能出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象，因此需要對其電壓進行保護，避免出現(xiàn)過壓和欠壓現(xiàn)象，這時荷電狀態(tài) SOC受到限制。引入四個限制標準[15]：硬性上限（100%），不可能再給鋰離子電池充電，但放電時沒有限制；軟上限（～95%），可以用有限的速率給鋰離子電池充電，放電時沒有限制；軟下限（～30%），可以用有限的速率給鋰離子電池放電，充電時沒有限制；硬下限（25%），不可能再給鋰離子電池放電，但充電時沒有限制。

根據(jù)以下設(shè)計標準，在 Simulink中引入 S函數(shù)模塊并進行編程。

3 系統(tǒng)仿真試驗

3.1 仿真系統(tǒng)搭建

在 Simulink環(huán)境下建立船舶混合儲能系統(tǒng)仿真模型，如圖11所示。該系統(tǒng)由功率分配、PI控制、雙向DC/DC變換器、鋰離子電池等模塊組成。其中磷酸鐵鋰電池組采用206串5并結(jié)構(gòu)，電池組容量為500 Ah，額定電壓為 660 V。鈷酸鋰電池組采用 62串 8并結(jié)構(gòu)，電池組容量為 640 Ah，額定電壓為230 V。仿真工況以某電動船舶一周期為360 s典型極端加減速航行作為目標工況，功率需求曲線如圖 12所示[16]。

3.2 仿真結(jié)果與分析

對比功率分配圖（圖 13）可知，當負載功率需求變化較大時，滿足船舶動力需求的前提下，磷酸鐵鋰電池作為主動力電源，提供低頻功率需求，穩(wěn)定直流母線電壓變化。而鈷酸鋰電池作為輔助動力源，充分發(fā)揮功率特性，及時補充系統(tǒng)中高頻能量，提供峰值功率需求。鋰離子電池SOC變化曲線如圖14所示，鈷酸鋰電池 SOC變化頻率較大，而磷酸鐵鋰電池SOC相對較穩(wěn)定，使其放電深度降低，達到延長使用壽命的目的。鋰離子電池電壓變化曲線如圖15所示，船舶混合鋰離子電池儲能系統(tǒng)采用半主動式拓撲結(jié)構(gòu)，鈷酸鋰電池通過雙向DC/DC變換器與直流母線解耦，而磷酸鐵鋰電池直接與母線連接。在加減速過程中，直流母線電壓變化幅度為1.65%，滿足投入負載電網(wǎng)電壓波動小于2%標準。

4 結(jié)語

相比于傳統(tǒng)船舶而言，船舶混合鋰離子電池儲能系統(tǒng)在實現(xiàn)零污染、零排放巨大優(yōu)勢的同時，增加了船舶的續(xù)航力，加快了動力裝置響應(yīng)速度，平抑脈沖負載擾動，增加了船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性。文中研究了鋰離子電池和雙向DC/DC變換器的工作原理，提出半主動混合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，通過模糊控制實現(xiàn)負載功率需求合理分配，利用 PI控制器穩(wěn)定直流母線電壓波動，并建立Simulink仿真模型以仿真驗證。仿真結(jié)果表明，船舶在極端加減速過程中，直流母線電壓紋波小于1.65%，提升了供電品質(zhì)。混合鋰電池儲能電池系統(tǒng)中，能有效地減緩磷酸鐵鋰電池電流突變，放電深度受到限制，延長其使用壽命。因此該儲能鋰離子電池系統(tǒng)功率分配策略對于研究極端海況下船舶適航性和動力性具有重要的參考價值。