基于船用异步轴带电机的锂电池充电技术研究

2022-07-04张鹏

船电技术 2022年6期

张鹏

张鹏

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

为降低船舶污染物排放量，实现“绿色船舶”，使用动力电池和推进电机为船舶提供动力。本文分析了船用异步轴带电机的使用原理，研究了使用轴带电机给锂电池充电的控制技术。提出了一种分段式锂电池稳定充电策略。最后使用仿真和试验的手段，从多个角度验证了该充电技术的有效性和稳定性。

轴带电机锂电池充电策略绿色船舶

0 引言

为实现“碳达峰碳中和”的发展目标，交通运输部颁布了“船舶大气污染物排放控制区实施方案”，对船舶的绿色化提出了更高的要求[1]。

以机械推进为动力方式的传统船舶，采用燃气轮机或柴油机为推进主机，污染物排放量高，且推进效率较低，显然不符合“绿色船舶”的发展需求。以电力推进为动力方式的新型船舶，使用动力电池和推进电机为船舶提供动力[2]，灵活性好，控制简便，能有效提高运行效率和能源利用率，更能实现航段内的“0排放”。

但由于动力电源的容量限制，纯电池动力船的航程较短，使用“柴-电”混合动力的方式，既能保证船舶较长的运行航程，又能满足降低排放量的要求。轴带电机能很好的将柴油动力和电池动力相结合[3]，在使用柴油机提供全船动力时，利用预留的富裕功率，为动力电池充电。

本文分析了船用异步轴带电机在发电工况下为锂电池充电的控制技术，提出一种使用稳定且容易工程实现的锂电池充电策略。仿真和试验从不同转速、动态调速等多种工况验证了该策略的稳定性。

1 船用轴带电机

使用轴带电机连接的“柴-电”混合船舶动力系统如图1所示，其中包括柴油机、轴带异步电机、动力锂电池、齿轮箱、螺旋桨、变流器、直流母线、逆变电源等。

混合动力系统中的螺旋桨、柴油机和轴带异步电机通过齿轮箱连接。当航速较低时，柴油机的运行效率低，还会排放大量氮氧化合物，因此切换至纯电力推进模式，动力锂电池通过直流母线和变流器向轴带异步电机供电，轴带异步电机电动运行，为螺旋桨提供动力。全速运行时，使用柴油机直接为螺旋桨提供充足强劲的动力，同时控制轴带异步电机运行于发电工况，利用柴油机的富裕功率给动力锂电池充电。

图1 “柴-电”混合船舶动力系统

此外，由于直流母线还需要通过逆变电源给船舶用电负荷供电，轴带异步电机在为电池充电的同时，还需要维持直流母线电压稳定。

这种交替混合的动力系统，让柴油动力和电池动力相互协调匹配，实现能量优化，有效提升船舶的经济效益与环保效益。

2 锂电池充电策略

锂电池动力系统在计算电池电量时，常用电流积分法。电流积分法[4]又称安时计量法，是一种通过计算充放电量来估算电池电量的方法。该方法简单可靠，且能对电池电量进行动态观测。工程应用时，电流传感器测量快速变化的电流时，会产生较大误差。时变的充电电流经过积分，误差也会因为积分而快速增大，这会导致电池电量计算不准。电池电量在锂电池动力控制与能量管理系统中是关键特征量，电池电量的误差过大可能会导致能量管理策略失效，甚至会导致电池过充而产生电池极化、内部结构损坏等危害。同样的，电流的纹波过大也会导致电池电量计算误差增大，从而导致系统安全性降低。为了保证船舶动力推进系统的安全性与稳定性，充电电流不宜经常变换，应尽量保持恒定，且保持较小的纹波。

然而锂电池的抗过充能力差[5,6]，电池电压不能超过设计电压峰值的1%。因此在电池电量快要充满时，应降低充电电流，减缓充电速度。在电池充满后，切换至浮充状态，在维持电量的同时，保证电池组的健康状态，延长电池的使用寿命。轴带电机给锂电池充电的流程图如图2所示。

图2 轴带电机给锂电池充电流程图

在使用柴油动力航行时，首先判断轴带电机是否运行于发电工况。当柴油机的转速足够大时，轴带电机才开始发电，也才具备给电池充电的条件。当电池电量较低时，采用大电流恒流充电方式，快速给电池充电。当电量大于80%时，采用小电流恒流充电方式，减缓充电速度，防止快速过充。当电池充满后，采用恒压涓流充电，维持电池满电状态。三种充电方式可以在同一套控制系统中实现，不用切换控制方式，实现简单，具体流程图如图3所示。