丁晨雷，康 偉，褚建新

（上海海事大學，上海 200135）

0 引 言

在船舶制造和研究的領域，隨著全世界對綠色環(huán)保型純電能動力船艇的研究力度加大，進展日漸引人矚目。世界上第一艘燃料電池和柴電動力系統(tǒng)構成的混合動力裝置的潛艇已于2003年4月在德國基爾港下水，第一批燃料電池潛艇也正在陸續(xù)建造之中[1]。2010年2月，瑞士建成了世界上最大的太陽能動力船“星球陽光”，預計2011年4月開始首次環(huán)球之旅。這艘雙體船采用世界上最大的活動式鋰離子蓄電池組。國內第一艘燃料電池船，在2005年由上海海事大學研制成功。該船的電池功率為2000W，推進器功率1470W，可以在14km/h的時速下連續(xù)航行5h，航程達70km[1]。

本文研究和設計了一種基于鋰離子動力電池的小型船舶綠色動力電池推進系統(tǒng)。

1 動力源比較分析

目前常用來作為電力推進系統(tǒng)的電池主要有燃料電池、超級電容器和動力電池等，它們的特性不同，適宜應用的場合也存在較大差異。

燃料電池的優(yōu)點是：能量轉化效率高，可達60%～80%。不污染環(huán)境，燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，壽命長。質子交換膜燃料電池(PEMFC)，具有低溫快速啟動、比功率能量大、轉換效率高等優(yōu)點，是載運工具的首選電源。但是，受技術條件限制，燃料電池的單體功率比較小，造價昂貴，并且制氫和氫的運輸及儲存等配套技術尚未成熟，其應用以軍事艦艇為主，民用船舶尚停留在嘗試階段，難以推廣應用。

超級電容器也是目前應用和研究較多的一種新型綠色動力源，日本、俄羅斯、美國、法國、澳大利亞、韓國等國家都先后將超級電容器應用于電動汽車[2]。在我國，超級電容器的研究和應用也有了一定的發(fā)展。2010年上海世博會園區(qū)內用于游客短駁的“世博大道”線上就有36輛超級電容公交車，通過實踐的檢驗，其運載能力和穩(wěn)定性值得肯定。盡管以超級電容器作為載運工具動力源有充電時間短（每次充電只需12～15min）、循環(huán)使用壽命長（充電循環(huán)次數約可達50萬次）、使用溫度范圍大、能量回收效率高等特點[2]，但由于其本身比能量低的特性，極大地制約了其續(xù)航能力的提高。對于公交車來說可以采用在線路的?？空军c建立充電站的方法來補救，但對于在海面上航行的船艇來說，暫時沒有很有效的解決方案，因而應用超級電容器作為綠色純電動艇的動力源并不合適。

動力電池技術日趨成熟，已經歷了三代：第一代為閥控鉛酸蓄電池；第二代為堿性蓄電池；第三代為鋰離子電池。閥控鉛酸蓄電池存在充電時間長、使用壽命短、質量能量比低，原材料鉛污染等缺點，主要應用于電動自行車與電動摩托車，不適宜用作船舶動力能源；堿性蓄電池由于存在二次污染和價格問題已淡出市場；鋰離子電池能量密度高于閥控鉛酸蓄電池和堿性蓄電池，質量能量比高達190Wh/kg，單體電池的電壓高達 3.6V，在國家“863”項目和北京奧運電動汽車示范運行的應用中驗證了鋰離子電池安全性、可靠性和經濟性，是小型純電能動力船舶合適的動力源。

2 總體方案設計

本文研究設計的小型船舶電力推進系統(tǒng)采用動力電池，摒棄了柴油機動力，從根本上消除了燃油和廢氣排放污染。電力能源是靜止設備，沒有噪聲污染，完全滿足環(huán)保要求，對環(huán)境無不良影響；全船電力能源統(tǒng)一分配管理，充分利用推進器的制動回饋能量，提高電能利用率，符合節(jié)能要求。綠色純電動艇整個推進動力裝置由電池系統(tǒng)和推進系統(tǒng)兩部分組成，其基本結構如圖1所示。電源系統(tǒng)由電池管理系統(tǒng)BMS、充電單元以及動力電池組成。推進系統(tǒng)則由推進監(jiān)控系統(tǒng)PCS、電能變換裝置和推進電機組成。

圖1 總體設計

3 電源系統(tǒng)

3.1 動力電池

目前常用的動力電池有鎳鎘、鎳氫、密封鉛酸、鋰離子等，它們的技術指標存在較大差異，表1是4種常見動力電池的主要技術指標比較[3,4]。

為確保安全航行的要求，船舶在每次開航之前必須存儲足夠的動力能源，滿足續(xù)航要求。但由于每次返航后純電動艇無法將電池存儲的所有電能全部用盡，故選擇的動力電池必須沒有記憶效應才能滿足設計要求。除此以外，相比其他幾種動力電池，鋰離子動力電池除了耐過充特性很低之外，其總體性能指標都較好，特別是比能量和標稱電壓最為突出，且其自放電速度很小。在實際應用時，可通過為鋰離子電池的充電電路設計一個防止過充的安全電路，就能夠忽略其耐過充特性差的缺點。

雖然目前鋰離子動力電池價格較貴，但隨著制造技術的提高和應用領域的擴展，其應用成本將會快速下降。綜上所述，本推進系統(tǒng)使用鋰離子動力電池作為動力源。在電池的實際選型過程中，遵循以下公式：

式中：AH——電源系統(tǒng)總容量；W——負載功率；t——續(xù)航時間，ρ——電池能量轉換效率；f——電池放電率。

推進系統(tǒng)負載功率為30kW（2臺15kW推進電機），全功率續(xù)航時間為8h，經濟航速續(xù)航時間為10～12h。一般情況下，單組鋰電池很難達到如此大的容量，所以根據需要，采用堆棧式電池組聯(lián)合運行的方式。如式（2）所示：

表1 4種常見動力電池的主要技術指標比較

式中，0AH ——單組封裝的動力鋰電池容量；n——理論上所需要組合入堆棧式電池組的片數。根據一般經驗，實際選用的片數應比n略大一些。經計算，該艇推進裝置采用100組容量為3AH 224V（70片3AH 3.2V電池串聯(lián)封裝）的動力電池聯(lián)合運行，符合推進要求。

3.2 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng) BMS（Battery Management System）包含充電單元，主要是對電池進行合理有效的管理和控制，維持電池良好的運行性能，延長電池使用壽命；實現無損電池的充電，監(jiān)控電池的放電狀態(tài)，同時對電池進行實時或定期自動檢測、診斷和維護，最大限度地保證電池的可靠運行。電池管理系統(tǒng)還具備數據采集、荷電狀態(tài)的估算、電氣控制、溫度管理、安全管理、數據通信等功能。圖2為電池管理系統(tǒng)的硬件整體示意框圖。

圖2 BMS硬件整體

在軟件上，BMS系統(tǒng)的主要功能有：

1) 數據采集功能（電池組單體電壓巡回檢測、工作電流、電池組溫度、環(huán)境溫度檢測）；

2) 由電池的基本信息可確定電池的剩余電量(SOC)；

3) 能夠實現在電池充放電兩種狀態(tài)下的實時監(jiān)控，判斷故障原因；

4) 實現總線通信，將電池的采集、計算、故障信息傳輸到液晶顯示單元進行顯示[5]。

4 推進系統(tǒng)

4.1 推進電機

推進電機直接驅動螺旋槳產生推力，并作用于船體，使船舶發(fā)生運動[6]。船舶在靜水中無外力約束自由航行達穩(wěn)態(tài)時，螺旋槳轉矩與其轉速的關系近似為一條二次曲線，其表達式為：

式中：pyM ——船舶穩(wěn)定航行時螺旋槳轉矩，N·m；ρ——海水密度，kg/m3，通常取 1025kg/m3；D——螺旋槳直徑，m；n——螺旋槳轉速，r/s；pyK——轉矩系數；MK ——無因次扭矩系數。

電動機類型的選擇對動力系統(tǒng)以及航行器整體性能有較大影響，所以根據上述性能要求對推進電機的類型進行分析和選擇。表2對無刷直流電動機、永磁有刷直流電動機、開關磁阻電動機和變頻調速異步電動機在某些技術指標上作了定性分析[7]。

表2 4種電動機的比較

由表2可見，無刷直流電動機既具備交流電動機結構簡單、工作可靠、維護方便、壽命長等優(yōu)點，也具備普通直流電動機運行效率高、轉矩大、調速方便、動態(tài)性能好等優(yōu)點，同時克服了普通直流電動機機械換向所引起的電火花干擾，維護難等諸多缺點。該推進系統(tǒng)中，推進電機選用 2臺功率為15kW的無刷直流電機。

電能變換單元采用電流型逆變器，其主要功能是將動力電池的直流電能變換成推進電機所需的電能，實現推進電機的起動、調速、制動控制，完成推進電機電氣制動電能回饋，降低能耗。同時，提供推進電機的各種繼電保護和運行狀態(tài)數據。

4.2 推進監(jiān)控系統(tǒng)

推進監(jiān)控系統(tǒng)主要完成船舶推進與操縱控制、電能綜合管理、運行狀態(tài)實時監(jiān)測功能，實現電力推進系統(tǒng)高可靠性和高安全性的自動化、智能化控制。在這里，使用工業(yè)控制計算機作為系統(tǒng)上位機，PLC作為系統(tǒng)下位機，兩者之間通過以太網完成數據交換。其結構如圖3所示。

推進監(jiān)控系統(tǒng)對推進電機的操縱主要由電能變換單元來實現，它將PLC發(fā)出的電機控制信號進行必要的轉換，來實現直流無刷電機正常的啟動、正轉、倒轉和調速。

系統(tǒng)對電機運行參數的監(jiān)測主要通過傳感器組實現，它們將推進電機的轉速、電壓、電流、溫度、功率、轉子位置等運行參數通過傳感器組讀出，送至PLC內部進行處理。

PLC將處理完的數據打包送至上位機，由上位機對數據進行篩選和過濾，并與初始設定值比較，如出現異常則發(fā)出報警信號，以保護系統(tǒng)安全。推進監(jiān)控系統(tǒng)的主要報警信號有：電機高溫、絕緣故障、電機超速等，同時在軟件設計中也考慮部分故障情況下的越控操作。

5 結 語

該小型船舶綠色動力電池推進系統(tǒng)以動力電池為動力源，無刷直流電動機為推進器，通過BMS和PLC協(xié)調控制，摒棄了柴油機動力，從根本上消除了燃油和廢氣排放污染，完全滿足環(huán)保要求。該推進系統(tǒng)已通過了技術論證，現已進入器件選型和實體制作的階段。

圖3 推進監(jiān)控系統(tǒng)結構

[1] 郭自強. 德國的潛艇燃料電池[J]. 船電技術，1997,(5):5-12.

[2] 崔淑梅，段甫毅. 超級電容電動汽車的研究進展與趨勢[J]. 汽車研究與開發(fā)，2005,(6): 31-36.

[3] Crowell, J. Battery arrays, rechargeable Li-ion battery power sources for marine applications[C]. OCEANS,Proceedings of MTS/IEEE, 2005,1: 46-51.

[4] 桂長清. 動力電池[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[5] 金 曉. 永磁無刷直流電動機的無位置傳感器控制[D].浙江：浙江大學，2005.

[6] 沈愛弟，黃學武. 半實物吊艙式電力推進仿真系統(tǒng)的設計[J]. 揚州大學學報（自然科學版），2005, 8(1): 75-78.

[7] 張 巍. 純電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究[D]. 北京：北京交通大學，2008.