小型全電艇動(dòng)力總成系統(tǒng)

李 麗，李素文,2，朱永懷，俞萬(wàn)能,2

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021，2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021)

0 引言

隨著船舶推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，電力推進(jìn)系統(tǒng)成為船舶技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)，全電動(dòng)船也成為面對(duì)當(dāng)今能源范式的有效解決方案[1-2]。全電艇將動(dòng)力電池作為全艇的動(dòng)力來(lái)源，克服了傳統(tǒng)柴油機(jī)船舶的排放缺陷，具有無(wú)噪聲、無(wú)污染、高效率的特點(diǎn)，符合節(jié)能減排的要求[3-5]。吊艙式推進(jìn)器作為一種新型的船舶推進(jìn)系統(tǒng)，具有推進(jìn)效率高，節(jié)省船舶艙室空間，機(jī)動(dòng)性好的特點(diǎn)，能充分發(fā)揮電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)越性，可以有效提高船舶的使用效能和總體性能[6-10]。因此，本文結(jié)合小型吊艙式推進(jìn)器開(kāi)發(fā)基于DSP(digital sigual processing)推進(jìn)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并應(yīng)用于樣船的小型全電艇動(dòng)力總成系統(tǒng)。

1 樣船參數(shù)要求

樣船為小型全電艇，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。全電艇主要包括船殼、動(dòng)力電池、吊艙式推進(jìn)器、DTU/GPS、監(jiān)控?cái)z像頭等硬件設(shè)備，船體質(zhì)量約為90 kg，吃水深度約為0.18m。設(shè)計(jì)要求：最大航速9.26 km/h；吊艙推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)到實(shí)際運(yùn)行要求；經(jīng)濟(jì)航速(70%轉(zhuǎn)速/負(fù)荷)下續(xù)航時(shí)間可以達(dá)到2 h。

表1 船體主要參數(shù)

2 動(dòng)力總成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文針對(duì)小型船艇動(dòng)力總成系統(tǒng)，采用直流無(wú)刷電機(jī)和數(shù)字舵機(jī)，并結(jié)合相關(guān)的電機(jī)控制算法，自主設(shè)計(jì)適用于小型船艇的吊艙式推進(jìn)器。采用鋰電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱機(jī)為全艇各系統(tǒng)供電，以DSP(digital signal processing)為核心控制器，采集鋰電池組和推進(jìn)裝置的數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)全電艇推進(jìn)控制系統(tǒng)。動(dòng)力總成系統(tǒng)整體框架如圖1所示，研發(fā)流程如圖2所示。

圖1 動(dòng)力總成系統(tǒng)整體框架圖

圖2 動(dòng)力總成系統(tǒng)研發(fā)流程圖

選擇一組12V、175 A·h的鋰電池作為動(dòng)力源為整船供電。由于鋰電池組固定提供12 V直流電，故需經(jīng)過(guò)12 V/5 V的降壓電源為DSP控制器供電，經(jīng)過(guò)12 V/24 V升壓電源為數(shù)字舵機(jī)供電，推進(jìn)電機(jī)選用12 V直流無(wú)刷電機(jī)，由鋰電池組直接供電。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直流無(wú)刷電機(jī)作為全電艇的推進(jìn)電機(jī)，其額定功率為480 W，最大電流為60 A，最大轉(zhuǎn)速為1100 r/min。吊艙式推進(jìn)器采用基于DSP控制的數(shù)字舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

全電艇運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以TI公司生產(chǎn)的型號(hào)為T(mén)MS320F2812的DSP為核心控制器[11]。DSP開(kāi)發(fā)板內(nèi)部具有2個(gè)時(shí)間管理器EV模塊，共可產(chǎn)生4路獨(dú)立的PWM波形和12路互補(bǔ)的PWM波形；1個(gè)ADC采樣模塊；2路SCI串口通信接口；1路局域網(wǎng)通信控制器CAN總線(xiàn)接口。DSP開(kāi)發(fā)板的A/D模塊采集推進(jìn)器的電壓、電流信息；時(shí)間管理器EVA模塊用于控制數(shù)字舵機(jī)；EVB模塊用于控制推進(jìn)電機(jī)；電池管理系統(tǒng)所采集到的電壓、電流、SOC(state of charge)、溫度等電池組信息通過(guò)CAN總線(xiàn)通信方式傳輸給DSP控制器；1路串行通信接口SCI配置成SCI-485通信方式與毫米波雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[12-14]。全電艇與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互以DTU為傳輸基站，經(jīng)DSP處理后的數(shù)據(jù)信息經(jīng)RS-232串口發(fā)送到DTU，DTU將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，通過(guò)4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機(jī)[15]。

全電艇動(dòng)力總成系統(tǒng)中的直流無(wú)刷電機(jī)和數(shù)字舵機(jī)的控制系統(tǒng)，如圖4、圖5所示。M1為直流無(wú)刷電機(jī)(推進(jìn)電機(jī))；M2為數(shù)字舵機(jī)；HA為電池狀態(tài)報(bào)警器；DC/DC為升壓/降壓電源；Pn為DSP的I/O口；FUn為熔斷器；QFn為空氣開(kāi)關(guān)；KAn為中間繼電器；KMn為接觸器；其中n=1，2，3，…。DSP通過(guò)RS-232串口接收上位機(jī)控制指令，當(dāng)接收到直流無(wú)刷電機(jī)M1的啟動(dòng)指令后，DSP開(kāi)關(guān)信號(hào)在P1置位，KA1中間繼電器(5V)線(xiàn)圈得電，常開(kāi)閉合；驅(qū)動(dòng)24 V中間繼電器KA6線(xiàn)圈得電，常開(kāi)閉合；接觸器KM1主觸點(diǎn)閉合，輔助觸點(diǎn)閉合(自鎖)，完成電機(jī)啟動(dòng)命令。數(shù)字舵機(jī)啟動(dòng)原理相同。

圖4 控制系統(tǒng)主電路圖

圖5 數(shù)字艙機(jī)控制系統(tǒng)示意圖

4 樣船測(cè)試

表2 直流無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行參數(shù)Tab.2 DCBrushlessmotoroperationparameters檔位Gear船速Shipspeed/(km·h-1)加速時(shí)間Accelerationtime/s穩(wěn)定時(shí)間Stabilizationtime/s電機(jī)轉(zhuǎn)速M(fèi)otorspeed/(r·min-1)DS1.51.22.0180S3.62.02.5480H6.42.63.5780F9.33.24.51100

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的小型全電艇動(dòng)力總成系統(tǒng)是否滿(mǎn)足性能要求，于2019年4月至7月在福建廈門(mén)水上運(yùn)動(dòng)中心先后進(jìn)行了多次航行測(cè)試。

4.1 速度性能測(cè)試

將水面全電艇航速分為DS檔(微速)、S檔(慢速)、H檔(半速)、F檔(全速)四個(gè)檔位，其速度分別為1.5，3.6，6.4，9.3 km/h。電機(jī)的具體運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

根據(jù)樣船速度測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制出速度從零加速到各個(gè)檔位的時(shí)間-速度圖，如圖6所示。結(jié)合表2和圖6的內(nèi)容可以看出，樣船從零加速至各個(gè)檔位的加速時(shí)間較短，且加速至各檔位后運(yùn)行平穩(wěn)，速度無(wú)明顯波動(dòng)。最高檔速度可以達(dá)到9.3 km/h，加速時(shí)間為3.2 s，滿(mǎn)足最高船速要求。

4.2 轉(zhuǎn)向性能測(cè)試

為了驗(yàn)證數(shù)字舵機(jī)控制的靈敏性和準(zhǔn)確性，本文分別對(duì)設(shè)定航速、轉(zhuǎn)舵角度下的巡回半徑進(jìn)行了測(cè)試。取舵角范圍[-60°,+60°]，分別對(duì)不同航速、轉(zhuǎn)舵角度下的轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行了測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，由于沒(méi)有航行軌跡繪制圖，所以測(cè)試完成后需對(duì)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。根據(jù)經(jīng)緯度、船速、轉(zhuǎn)舵角度等數(shù)據(jù)作運(yùn)算分析，結(jié)合航速和航向大小變化進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到樣船運(yùn)動(dòng)軌跡圖，如圖7所示。圖中①②③④分別為船速在9.0，6.0，3.5，1.5 km/h時(shí)，舵角增加至60°的航行軌跡。并且以此方法得到了不同給定航速、航向下的巡回半徑，如表3所示。表3中，當(dāng)船速為9.3 km/h，舵角φ>30°時(shí)，船舶橫傾角大于15°，海水會(huì)漫過(guò)全電艇甲板，故未進(jìn)行測(cè)試。圖7和表3的內(nèi)容可以表明，本文所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的小型全電艇動(dòng)力總成系統(tǒng)可以滿(mǎn)足不同航速下轉(zhuǎn)舵的靈活性和準(zhǔn)確性要求。

表3 巡回半徑測(cè)試數(shù)據(jù)

4.3 續(xù)航能力測(cè)試

一般情況下電池最佳運(yùn)行時(shí)間在SOC處于90%～30%之間，為測(cè)試所選鋰電池是否能夠滿(mǎn)足全電艇續(xù)航能力要求，剩余續(xù)航力按全電艇運(yùn)行至SOC為10%計(jì)算。在整個(gè)樣船試航過(guò)程中，以經(jīng)濟(jì)航速運(yùn)行2 h后，電池剩余電量43%，理論剩余續(xù)航力1.7 h。全電艇續(xù)航能力滿(mǎn)足要求，并且續(xù)航時(shí)間遠(yuǎn)超于期望的續(xù)航時(shí)間。

5 結(jié)論

本文以小型水面全電艇動(dòng)力總成系統(tǒng)為研究對(duì)象，將鋰電池組作為動(dòng)力源為全艇供電，采用數(shù)字舵機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)及相應(yīng)的控制算法，設(shè)計(jì)了小型水面全電艇的吊艙式推進(jìn)器，并將其應(yīng)用在相應(yīng)樣船上；采集電池管理系統(tǒng)和推進(jìn)器的數(shù)據(jù)，結(jié)合DSP技術(shù)，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的全艇動(dòng)力控制系統(tǒng)；根據(jù)全電艇設(shè)計(jì)參數(shù)和性能要求，研發(fā)了小型全電艇動(dòng)力總成系統(tǒng)，并對(duì)所設(shè)計(jì)樣船進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，本文自主設(shè)計(jì)的小型吊艙式推進(jìn)器運(yùn)行正常，控制精度高，轉(zhuǎn)舵靈活；鋰電池組、推進(jìn)電機(jī)、數(shù)字舵機(jī)的選型均能滿(mǎn)足水面全電艇性能要求，最高船速可以達(dá)到9.3 km/h，經(jīng)濟(jì)航速下續(xù)航時(shí)間滿(mǎn)足3.7 h，該小型全電艇動(dòng)力總成系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。