中小型玻璃钢休闲渔船电力推进系统的仿真设计

张 昊，侍中南，黄一峰，刘全良，贺 波

(1 浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江 舟山 316022；2 中创海洋科技股份有限公司，浙江 舟山 316000)

中国是渔业大国，但渔船及其装备发展相对落后。玻璃钢作为渔船新型材料，具有质量轻、航行速度快、节能环保和寿命长等优点，已经被渔业发达国家广泛使用[1]。另外，中国传统渔船多为柴油机驱动，效率低、环境污染大[2]，新材料、新能源船舶将成为渔船未来的重要发展方向[3]。

20世纪中后期，国外一些发达国家开始对电动渔船进行研究并致力于产业化[4-9]，并且把研究方向放在智能船舶上[10-11]。近年来，国内一些学者也对电动渔船进行了一系列的研究，如郑晖等[12]提出一种远洋渔船电力推进系统，采用单、双电枢工作下的控制策略，提升渔船综合能效；刘勇等[13]利用PWM 整流器对渔船电力推进系统的预测电流控制方法进行了分析；吴小洲等[14]对渔船动力及转向控制系统进行了研究，利用PLC对航线进行控制，实现自动定速航行功能；上海海洋大学田晨曦[15]对渔船的油电混合动力系统展开研究，采用模糊控制策略，设计出混合动力系统；王永鼎等[16]设计出一种油电混合动力系统，通过北斗卫星定位的渔场位置选择不同动力源驱动。国内对清洁电力、风能、太阳能、氢能以及混合能源应用在渔船上的技术起步较晚，对电力推进系统的控制策略研究相比发达国家仍较落后[17]。现阶段，中国出台了一系列电动船舶规范，促进了电动渔船的发展[18-22]；与此同时，一些高校相继成立实验室进行理论研究推动电动渔船发展[23-25]；一些公司也致力于电动渔船的发展推进[26-30]。

以目前正在实施推进的中小型玻璃钢休闲渔船作为研究对象，研究其动力电池及其电力推进系统，探索解决新能源电动玻璃钢渔船的试验推进工作。

1 电池管理及控制系统

1.1 动力电池选择

休闲渔船在行驶过程中容易受到作业和环境的影响，负载易产生波动，因单一动力源系统响应慢，因此需要通过电池管理系统对休闲渔船上的动力源进行有效管理，使其具有良好的机械和电性能，以实现适应环境性和功能安全。

为了满足中小型玻璃钢休闲渔船航行时间、航行时输出稳定、在不同环境下能够运行等要求，同时不逊于传统柴油机驱动性能，动力电池的选择至关重要。根据工作条件，动力电池一般要求能够存储足够能量，能够承担瞬时大电流，输出电压高，充放电时间短，以满足渔船的正常航行。结合以上要求，对不同种类动力电池进行汇总比较，主要种类及参数见表1、电池特点见表2[31-33]。

表1 电池主要种类及参数

表2 电池特点

由表1和表2可知，锂离子电池的比能量和能量密度相对较高，寿命相对较长，无污染，对工作环境要求低，但成本相对较高；铅酸电池和镍镉电池环境污染严重；镍氢电池和钠硫电池对温度要求较高；锌-空气电池寿命短且充电困难。随着科技发展，锂离子电池成本高这一问题正渐渐被解决。综合考虑各种因素，锂离子电池较适合作为中小型玻璃钢休闲渔船的动力源。

锂离子电池根据电解质材料的不同，又可以分为表3中的多种类型[34]。

表3 锂离子电池特性

由表3可知，锰酸锰铁锂电池和锰酸锂电池功率密度低，镍钴锰混合电池安全性不高，而磷酸铁锂电池的安全性高、功率密度较高、成本低，而且能量应用充分，利用率高，能够做储能量大的单体电芯；因此，选用磷酸铁锂电池用作渔船动力源是目前的最佳选择。

1.2 电池管理系统

磷酸铁锂电池的平台电压较高，在对电池进行充放电时，过充或过放都会造成电池的损伤，为了防止电池在进行充放电时损坏，需要对电池进行有效管理。电池的有效管理通常涉及对电池的状态管理、电池的均衡管理、电池的信息采集以及电池充放电时的保护。根据渔船结构特点和磷酸铁锂电池特性，由电池构成的电池组一般放置在渔船底仓，为了使渔船压载均衡，单一电池的损坏不会影响整个系统，宜采用集中-分布式结构对电池组进行管理。

电池管理系统(Battery Management System，BMS)主要有以下功能：1)电池电压、电流以及温度的监测采集；2)对电池状态的监测与反馈；3)控制器局域网络CAN总线实时通讯。系统原理如图1所示。

图1 集中-分布式电池管理系统

本系统主控模块选用S32K144单片机作为主控芯片，S32K144是高性能单片机，不仅能够满足正常工作的需要，而且为以后设备的扩展留有一定空间。主控模块的功能是对监控模块反馈的电池信息进行检测并作出处理，并与渔船控制系统进行通讯，对磷酸铁锂电池输出进行管理，同时将采集的信息上报。

监控模块将MC9S08DZ48单片机用作处理器，对来自从控模块的电池电流、电压及环境温度进行采集及处理，以达到监控电池的目的，将串行通讯接口(Serial Communication Interface，SCI)总线作为监控模块与主控模块之间的通讯使用。从控模块采用单体电池控制器(Local Electrical Control Unit，LECU)管理，LECU主要由OZ8920单电池电压巡检芯片、数字式隔离芯片、单片机以及CAN模块组成，印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)内部通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)通讯，结构如图2所示。从控模块主要负责单体电池及电池组的电压、电流及温度的采样，电压和温度值以及保护设置可根据实际工作环境进行调节设置，将实时采样数据反馈至监控模块。LECU可通过OZ8920所得数据以及监控模块反馈信息进行电池组内部电压均衡。

图2 LECU系统结构图

采用CAN总线的连接方式可以实现电压控制、电流均衡、系统自检等功能，提高BMS在应用过程中的可靠性。通过设置电池的电荷状态(State of Charge，SOC)值，实现对磷酸铁锂电池的安全保护(图3)。根据电池管理系统模型的特性，搭建出电池的SOC系统，并给SOC值设置一定的范围(设定区间为20%～95%，参考电压值设定为500 V)，以防止磷酸铁锂电池的过放过冲带来的系统不稳定和电池的损坏，从而保护电池和电池系统，使得休闲渔船航行更久、更远。

图3 SOC电池管理

1.3 电池控制系统

Simulink是Matlab软件中的一款仿真插件，作为一个可视化环境被广泛用作工业自动化、数字信号处理和控制理论等方面的仿真，功能十分完善；同时在其基础上增加模块工具箱(Sim Power System，SPS)，通过SPS对系统进行建模与仿真实验，验证其可行性。

电池控制系统由控制器和磷酸铁锂电池构成(图4)。将磷酸铁锂电池用作休闲渔船的储存能量单元，当把锂离子电池与母线直接相连时，电池输出的不稳定可能会引起电网电压的不稳定。为了避免这种情况，需要对磷酸铁锂离电池的充放电进行控制，以实现系统的稳定。选用DC/DC控制器作为动力电池系统的控制单元对电池充放电进行控制，可解决此问题。采用的是SPS中的Shepherd曲线拟合的电池模型。

图4 电池控制系统图

2 电力推进系统

2.1 系统电网结构

根据电池管理系统和渔船工作要求，电力推进系统电网结构设计如图5所示。

图5 电力推进系统电网结构图

本电网由磷酸铁锂电池组作为动力源，为渔船的运行提供动力。锂电子电池供电可减少渔船上的复杂机械连接、提高渔船的布局灵活性、降低渔船成本。本系统通过控制器对电网进行控制，当负载发生突变时会作出反应，并恢复稳定；当负载变化超过限值时，电力推进系统的电网会自动断开，保护渔船和系统的安全。

2.2 电力推进控制系统

采用近年来发展的新型脉宽调制技术空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)为控制策略，其特点是开关耗能少、计算简单、输出电压较高，适合于作为中小型玻璃钢休闲的控制策略。SVPWM所产生的正弦波能够使电机获得平滑的圆形磁场，便于实际观察。

设计的控制系统能够提高电力推进系统的抗干扰能力，当航行时，电力推进系统受到影响出现不稳定情况，通过控制系统对电力推进系统的响应来实现恢复。控制系统利用空间矢量逆变器，通过建立两相同步旋转坐标系下的数学模型，并采用电流电压双环对输出进行有效控制。通过对电压外环和电流内环控制来实现对输出电压和输出电流的控制，改善电力推进系统的抗干扰能力，对输出滤波电容电流进行解耦来实现对输出电流的控制，对输出滤波电感电压进行解耦来实现对输出电压的控制。为了更好地表示控制系统模型，需要变换电机的坐标，给模型增加一个dq变换模型，将解耦后的模型封装起来，并与变换模型结合，形成一个变换控制系统(图6)。

图6 电压电流控制系统图

2.3 电力推进系统建模

将电池管理及控制系统和动力推进控制系统连接，构成本研究的电力推进系统。通过影响系统输入负载的大小，来模拟设计的电力推进系统输出电压与电流引起的变化。将各个子系统模型封装连接，建立系统模型(图7)。

图7 电力推进系统图

3 系统仿真

根据电力推进系统模型，利用Simulink对系统进行仿真与分析，检验设计的系统模型。根据渔船的工作特点，选择参数：电压Udc=500 V,载波频率为15 kHz，滤波电感L=2 mH，电容为30 μF，电压环和电流环的采样周期分别为5 μs和 3 μs。仿真结果如图8(a)、(b)所示。

在本电力推进系统中，以纯电动渔船为研究对象，与赵福海等[35]采用混合动力渔船有着很大区别；同时设计采用电池管理系统对锂离子电池组进行管理，控制整个渔船的动力，与闫飞飞等[36]对渔船舵机控制系统相比，功能要变得复杂。

仿真试验通过计量模块对三相电压和电流进行计量，并通过示波器显示波形。系统中接入给定的负载模块模拟渔船正常工作的情况。由图8a得知，输入负载不发生变化，三相负载电流和输出电压也都没变化。通过给电网增加负载模块，并调整增加的负载在0.25 s时连接电网，模拟渔船负载突然发生变化时电网的变化情况。由图8b得知，在0.25 s电网引起输入负载突然变大，输出电压也随之发生细小变化，并且在较短的时间内能够恢复稳定；负载电流此时也发生了变化，同时也能够在较短的时间内恢复稳定。由此可得，电力推进系统在负载稳定时，能够稳定运行；当负载发生突变时，能够迅速作出反应，并恢复稳定。

图8 三相输出电压电流波形图

设计研究的电力推进系统已经应用于长16～18 m，宽4.4 m的电动玻璃钢休闲渔船上，经实船应用，可以得到稳定输出，给予休闲渔船稳定的航行动力。

4 结论

对中小型玻璃钢纯电动休闲渔船的电池选择、电池管理及电力推进系统等进行了仿真试验。根据渔船特性，选用磷酸铁锂电池用作渔船动力源，采用电池管理系统对电池组充放电进行管理，搭建电力推进系统模型，提供整个渔船的动力输出，并通过改变负载模拟系统发生突变时作出的反应，对系统进行仿真分析。仿真试验结果表明，该渔船电力推进系统模型是可行的，能够满足休闲渔船的动力需求。在实际应用中，渔船可能因为电池老旧等客观原因导致电压等参数发生变化，给系统造成影响，需要进一步研究。

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