内河锂电推进船舶电站管理系统控制策略

邹明雷，何季平，尹 凯，黄友桥

内河锂电推进船舶电站管理系统控制策略

邹明雷，何季平，尹 凯，黄友桥

（武汉南华工业设备工程股份有限公司，武汉 430223）

为完善锂电电站管理系统控制策略，通过对比分析锂电池和柴油发机组的特性和差异，在成熟的柴油发机组电站管理系统基础上，提出了基于锂电池剩余电量的评估、预警及航速建议等控制策略。并通过实船测试，提高了船舶运行的可靠性和安全性。

锂电推进 电站管理 绿色船舶

0 引言

传统柴油机船舶在行驶过程中造成的大气污染及水污染都十分严重，环保的磷酸铁锂电池（简称锂电池）推进型船舶在我国内河领域正迎来新的发展。目前，锂电池、电池管理系统BMS、电力推进技术都已相对成熟，但在锂电推进船舶的电站管理方面还没有形成一个统一的设计标准。相对于柴油发机组，锂电池存在着输出特性曲线受放电率的影响、容量有限的限值，其电站管理系统控制策略完善度不够、可靠性不强等问题。本文分析了锂电池与柴油发机组的性能特点和差异，并结合20 m渡船设计，提出了内河锂电推进船舶电站管理系统的控制策略。

1 锂电推进船舶电站管理系统介绍

1.1 锂电推进电力系统架构

以20 m渡船为例，锂电推进电力系统架构如图1所示，不同于柴电推进系统，其采用双套锂电池、双套推进系统设计。大型的锂电推进船舶，多采用DC/DC进行电源输出控制，小型的内河船舶，从成本方面考虑，多会省掉DC/DC模块，但需要考虑锂电单元的串联级数，使锂电池工作在最低放电电压（单体2.8 V）时，经逆变后的交流输出电压至少达到380 V，以保证交流推进输出电压的稳定。每套锂电池需各配置一套电池管理系统BMS，对电池组的充放电进行监测、保护和投切控制，其功能类似于柴电推进系统的发电机组机旁控制设备。

锂电推进船舶的电站管理系统一般由PLC和触摸屏组成。PLC为电站管理系统核心，采集直流配电板、BMS、推进逆变器等设备的相关数据，经过处理、运算，实现电池组管理和部分推进控制功能。触摸屏为电站管理系统人机接口，完成调试、监测和报警功能。

图1 20 m渡船电力系统架构图

1.2 锂电船舶电站管理系统分析

磷酸铁锂动力电池因其性能稳定、能量密度大、循环寿命长，被广泛应用于船舶领域。单体锂电池在不同放电倍率下的放电特性曲线如图2所示，其在放电初期，电压下降较快，之后放电曲线逐渐趋于平缓，呈缓慢下降趋势。这一阶段输出电压与电池容量SOC成线性关系，在放电末期，曲线呈直线下降趋势。因此定义其工作范围为2.8~3.6 V，额定工作电压为3.2 V，在环境温度一定、放电率一定的条件下，其输出电压与电池容量SOC成反比。

图2 磷酸铁锂电池容量电压特性曲线

柴油发机组是把化石燃料的内能转化为机械能而后再转化为电能的过程，其发电原理为导体切割磁力线，产生感应电动势。在能量转化的过程中，需要对输出的电压、频率、功率进行闭环控制，以维持电网的稳定性。而对于锂电池，其能量的转化皆在自身内部完成，无需外部控制，对外特性展现一种自适应的电压/容量的DROOP下垂模式。具体差异见表1所示。

表1 柴油发机组与锂电池特性对比

电站管理系统是保证船舶电力系统稳定的核心，通过对各电力源的调度管理，实现电网稳定运行、并网控制、负荷共享及负荷转移等功能。对于锂电池，如图2所示，其输出电压在2.8~3.6 V之间时，不同放电倍率下的输出电压和电池容量SOC皆为平行的下垂曲线，当负荷产生波动时，其输出将切换至另一个平行曲线上，建立一个新的平衡，且总体输出仍保持为某一固定斜率下垂特性，从而保证了供电系统的稳定性。

直流电源的并网需要保持电压的一致性，配置DC/DC模块的系统可通过电力电子控制来主动实现，未配置的系统需要先期检测锂电池组间的输出电压偏差，后通过锂电池的自适应被动实现。锂电池厂家试验结果显示，对于600 Vdc电制系统，锂电池组可承受压差小于8 V的直接并网所产生的环流冲击。同时，亦可通过二极管和接触器的组合设计来控制电池并网的接入方式，增强控制的灵活性。

锂电池自适应的固定斜率下垂特性，类似于柴油发电机组的DROOP控制模式。当锂电池间剩余电量SOC不同时，其呈现的输出电压是线性对应关系，SOC大的电池组输出电压高，反之则输出电压低，电压高的电池组将承担更多的负荷，直至两组电池组电压趋于一致，实现负荷共享功能。

锂电池组对于突加负荷的承受能力很强。不同于柴油发机组特性，其电化学反应原理使其在突加负荷时呈现为一条快速上升且无周期震荡的响应曲线；其100%突加负荷响应时间一般在20 ms内，电网电压跌落幅值小于20%，满足船级社规范要求，可以保持电网的持续性。

2 锂电推进电站管理系统控制策略

2.1 锂电池的额定容量

锂电池的放电电流受环境温度、剩余电量SOC的影响。在不同温度、不同SOC下的极限持续放电电流见表2所示，对应的极限放电曲线如图3所示。环境温度在25℃时放电能力最大，在50%~100%SOC下均可达到3倍放电率，在温度高于45℃或低于10℃放电能力都将逐步下降。

表2 不同温度、不同SOC下的极限持续放电电流

内河锂电推进船舶的锂电池容量一般需要持续供电数小时。以20 m渡船为例，白天工作8小时，去除靠泊时间，折算后需要以75 kW持续供电4 h。按照3C极限放电率折算，理论上锂电池具有12倍的过载能力，其电站管理理论上可不必过多考虑电池组的过负荷控制功能。但在实船设计上，由于舱内环境冷却条件的差异、环境温度的多变、电池充放电循环次数的要求及电池寿命的限制，锂电池厂家一般建议放电率不要超过0.5C，因此，可定义0.5C的直线为锂电池的额定放电电流，如图4所示。

2.2 锂电电站管理

锂电推进与柴电推进在电站管理控制上既存在差异点，又存在相通点。锂电池额定放电能力类比于柴油发机组的额定输出电流（额定输出功率），常规电站控制功能，如单电源供电、双电源并网、重载启动备机、电源断路器故障脱扣启动备机、BMS报警切换电源组及大马达起动问询等功能皆可借鉴实现。而对于锂电池推进系统，考虑到航行的安全性与可靠性，还需要根据电源的工作特定，设计更加完善的控制策略。

图4 锂电池额定放电曲线

锂电池电量的有限性是锂电池组运行的主要特点，其剩余电量的监测和对航行计划的影响需要实时评估，并控制在可接受的范围内。概括其控制为：首次启动电量评估、电量不足电池组自动切换、最低返程能量预警及航速建议等功能。

1）首次启动电量评估

以20 m渡船为例，其一天内需要按固定航线往返多次，充电桩设置在出发侧码头。为提高航运管理的可靠性，在首次启动时，一般需要评估当下电量是否足够一个周期航次的电量需求。其评估方法为：

2）电量不足电池组自动切换

单电池组工作时，为避免电池组电量耗尽，BMS设置的内部保护可能会直接切断电力输出，导致船舶电力系统断电及可能的安全隐患。一般需要电站管理系统实时监测电池组的最低电量值，当低于此阈值时，投入另一电池组，接替原电池组供电。其判定方法为：

3）最低返程能量预警

船舶航行过程中，为避免剩余能量不足，导致航次中断，在剩余总电量仅能支撑单次返回航程时，需要发出报警提醒，以通知操船人员可采取合理后续措施。其判定方法为：

4）航速建议

以20 m渡船为例，船舶的加速和减速时间都很短，在整个航程内，基本以额定航速航行工况航行。在通航条件一致、船舶压载量一致的情况下，船舶航速与螺旋桨的转速成正比，而螺旋桨转速的立方与螺旋桨推进功率成正比，因此螺旋桨的轴功率为：

out=shaft=p33(7)

则在剩余电量不足以返港时，需要降低航速，以一个优化的航速航行，在最短的时间内安全返港，其计算公式为：

由(10)式带入(9)式，并与(8)式左右相除，可得出建议航速为：

min=min{1,2… D,|Î[0,1000]} (13)

3 结论

锂电池相对于传统柴油发电机组在过载能力上性能优越，但也存在续航能力不足的问题，本文针对其特点设计的控制策略在20 m渡船上进行了测试和应用，较为全面的验证了锂电推进船舶电站管理系统的各项功能，取得了较好的控制效果，可为其他类似内河锂电推进船舶的设计提供一定的参考。

[1] 中国船级社. 内河船舶入级规范. 中国交通出版社, 2008.

[2] 张庆, 李革臣. 锂离子电池充放电特性的研究[J]. 自动化技术与应用, 2008, 27(12), 107-109 .

[3] 柯常国, 王劲, 杨俊飞. 电力推进船舶功率管理系统设计和研究[J]. 船电技术, 2013, 33(9): 17-21.

Control Strategy of Inland Lithium Electric Propulsion Ship Power Management System

Zou Minglei, He Jiping, Yin Kai, Huang Youqiao

(Wuhan Nanhua Industrial Engineering Co., Ltd, Wuhan 430223, China)

U663.12

A

1003-4862（2019）08-0051-04

2019-2-20

邹明雷（1978-），工程师。研究方向：船舶电站及自动化。E-mail：zouml@whnhi.com