張 鵬

基于船用異步軸帶電機(jī)的鋰電池充電技術(shù)研究

張 鵬

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

為降低船舶污染物排放量，實(shí)現(xiàn)“綠色船舶”，使用動(dòng)力電池和推進(jìn)電機(jī)為船舶提供動(dòng)力。本文分析了船用異步軸帶電機(jī)的使用原理，研究了使用軸帶電機(jī)給鋰電池充電的控制技術(shù)。提出了一種分段式鋰電池穩(wěn)定充電策略。最后使用仿真和試驗(yàn)的手段，從多個(gè)角度驗(yàn)證了該充電技術(shù)的有效性和穩(wěn)定性。

軸帶電機(jī) 鋰電池 充電策略 綠色船舶

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”的發(fā)展目標(biāo)，交通運(yùn)輸部頒布了“船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案”，對(duì)船舶的綠色化提出了更高的要求[1]。

以機(jī)械推進(jìn)為動(dòng)力方式的傳統(tǒng)船舶，采用燃?xì)廨啓C(jī)或柴油機(jī)為推進(jìn)主機(jī)，污染物排放量高，且推進(jìn)效率較低，顯然不符合“綠色船舶”的發(fā)展需求。以電力推進(jìn)為動(dòng)力方式的新型船舶，使用動(dòng)力電池和推進(jìn)電機(jī)為船舶提供動(dòng)力[2]，靈活性好，控制簡(jiǎn)便，能有效提高運(yùn)行效率和能源利用率，更能實(shí)現(xiàn)航段內(nèi)的“0排放”。

但由于動(dòng)力電源的容量限制，純電池動(dòng)力船的航程較短，使用“柴-電”混合動(dòng)力的方式，既能保證船舶較長(zhǎng)的運(yùn)行航程，又能滿足降低排放量的要求。軸帶電機(jī)能很好的將柴油動(dòng)力和電池動(dòng)力相結(jié)合[3]，在使用柴油機(jī)提供全船動(dòng)力時(shí)，利用預(yù)留的富裕功率，為動(dòng)力電池充電。

本文分析了船用異步軸帶電機(jī)在發(fā)電工況下為鋰電池充電的控制技術(shù)，提出一種使用穩(wěn)定且容易工程實(shí)現(xiàn)的鋰電池充電策略。仿真和試驗(yàn)從不同轉(zhuǎn)速、動(dòng)態(tài)調(diào)速等多種工況驗(yàn)證了該策略的穩(wěn)定性。

1 船用軸帶電機(jī)

使用軸帶電機(jī)連接的“柴-電”混合船舶動(dòng)力系統(tǒng)如圖1所示，其中包括柴油機(jī)、軸帶異步電機(jī)、動(dòng)力鋰電池、齒輪箱、螺旋槳、變流器、直流母線、逆變電源等。

混合動(dòng)力系統(tǒng)中的螺旋槳、柴油機(jī)和軸帶異步電機(jī)通過齒輪箱連接。當(dāng)航速較低時(shí)，柴油機(jī)的運(yùn)行效率低，還會(huì)排放大量氮氧化合物，因此切換至純電力推進(jìn)模式，動(dòng)力鋰電池通過直流母線和變流器向軸帶異步電機(jī)供電，軸帶異步電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行，為螺旋槳提供動(dòng)力。全速運(yùn)行時(shí)，使用柴油機(jī)直接為螺旋槳提供充足強(qiáng)勁的動(dòng)力，同時(shí)控制軸帶異步電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電工況，利用柴油機(jī)的富裕功率給動(dòng)力鋰電池充電。

圖1 “柴-電”混合船舶動(dòng)力系統(tǒng)

此外，由于直流母線還需要通過逆變電源給船舶用電負(fù)荷供電，軸帶異步電機(jī)在為電池充電的同時(shí)，還需要維持直流母線電壓穩(wěn)定。

這種交替混合的動(dòng)力系統(tǒng)，讓柴油動(dòng)力和電池動(dòng)力相互協(xié)調(diào)匹配，實(shí)現(xiàn)能量?jī)?yōu)化，有效提升船舶的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益。

2 鋰電池充電策略

鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)在計(jì)算電池電量時(shí)，常用電流積分法。電流積分法[4]又稱安時(shí)計(jì)量法，是一種通過計(jì)算充放電量來估算電池電量的方法。該方法簡(jiǎn)單可靠，且能對(duì)電池電量進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)。工程應(yīng)用時(shí)，電流傳感器測(cè)量快速變化的電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大誤差。時(shí)變的充電電流經(jīng)過積分，誤差也會(huì)因?yàn)榉e分而快速增大，這會(huì)導(dǎo)致電池電量計(jì)算不準(zhǔn)。電池電量在鋰電池動(dòng)力控制與能量管理系統(tǒng)中是關(guān)鍵特征量，電池電量的誤差過大可能會(huì)導(dǎo)致能量管理策略失效，甚至?xí)?dǎo)致電池過充而產(chǎn)生電池極化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞等危害。同樣的，電流的紋波過大也會(huì)導(dǎo)致電池電量計(jì)算誤差增大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)安全性降低。為了保證船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，充電電流不宜經(jīng)常變換，應(yīng)盡量保持恒定，且保持較小的紋波。

然而鋰電池的抗過充能力差[5,6]，電池電壓不能超過設(shè)計(jì)電壓峰值的1%。因此在電池電量快要充滿時(shí)，應(yīng)降低充電電流，減緩充電速度。在電池充滿后，切換至浮充狀態(tài)，在維持電量的同時(shí)，保證電池組的健康狀態(tài)，延長(zhǎng)電池的使用壽命。軸帶電機(jī)給鋰電池充電的流程圖如圖2所示。

圖2 軸帶電機(jī)給鋰電池充電流程圖

在使用柴油動(dòng)力航行時(shí)，首先判斷軸帶電機(jī)是否運(yùn)行于發(fā)電工況。當(dāng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速足夠大時(shí)，軸帶電機(jī)才開始發(fā)電，也才具備給電池充電的條件。當(dāng)電池電量較低時(shí)，采用大電流恒流充電方式，快速給電池充電。當(dāng)電量大于80%時(shí)，采用小電流恒流充電方式，減緩充電速度，防止快速過充。當(dāng)電池充滿后，采用恒壓涓流充電，維持電池滿電狀態(tài)。三種充電方式可以在同一套控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，不用切換控制方式，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，具體流程圖如圖3所示。

圖3 鋰電池充電控制圖

圖3中PM表示軸帶電機(jī)，軸帶電機(jī)發(fā)電經(jīng)三相變流器將交流電變換成直流電后給電池充電；Udc為變流器輸出母線電壓，即為電池充電電壓；Ic為電池充電電流，Udc_ref表示電池充電電壓指令值；Ic_ref表示電池充電電流指令值。

基于軸帶電機(jī)的鋰電池充電策略采用電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制。當(dāng)電池還未充滿時(shí)，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，根據(jù)圖2所示的充電策略給定不同的電流Ic_ref即可實(shí)現(xiàn)兩種恒流充電模式。當(dāng)電池充滿后，電壓環(huán)起主要作用，實(shí)現(xiàn)恒壓涓流充電模式。

3 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述推導(dǎo)和結(jié)論的正確性，本文建立了基于船用軸帶電機(jī)的鋰電池充電系統(tǒng)仿真模型。模型忽略柴油機(jī)部分模型，認(rèn)為柴油機(jī)給軸帶電機(jī)的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定的理想轉(zhuǎn)速。

設(shè)鋰電池額定電壓為650 V，剩余電量70%。圖4是柴油機(jī)傳給軸帶電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r/min時(shí)的鋰電池充電仿真波形。

圖4 1500 r/min時(shí)鋰電池充電仿真波形

充電電流迅速穩(wěn)定于快速充電電流30 A，直流母線電壓也穩(wěn)定于670 V。

圖5是柴油機(jī)傳給軸帶電機(jī)轉(zhuǎn)速從1500 r/min調(diào)速至1800 r/min時(shí)的鋰電池充電仿真波形。

圖5 轉(zhuǎn)速變化時(shí)鋰電池充電仿真波形

可見轉(zhuǎn)速上升的過程中，充電電流一直維持在30A，直流母線電壓也沒有發(fā)生明顯變化，充電過程穩(wěn)定。軸帶電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化不影響鋰電池充電穩(wěn)定性。

圖6是電池電量充到80%，轉(zhuǎn)換使用平緩充電模式時(shí)的鋰電池充電仿真波形。

圖6 切換充電模式時(shí)鋰電池充電仿真波形

從圖6可以看出，切換充電模式后，電流下降至10 A平緩充電電流，且一直保持穩(wěn)定。直流母線電壓下降，但只下降了0.5 V，對(duì)系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。

本文搭建了基于船用軸帶電機(jī)的鋰電池充電系統(tǒng)模型，用于驗(yàn)證第2節(jié)所述充電策略的正確性與穩(wěn)定性。除軸帶電機(jī)外，還使用了一臺(tái)異步電機(jī)，用于模擬柴油機(jī)拖帶軸帶電機(jī)發(fā)電。選用的鋰電池額定電壓為685 V。

圖7所示是電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r/min時(shí)，快速充電的試驗(yàn)波形。其中1通道表示的是軸帶電機(jī)輸出電壓，3通道表示的是電池充電電壓，4通道表示的是電池充電電流。充電電流波形平穩(wěn)，電流平均值為29.94 A，充電電壓穩(wěn)定于689.5 V。

圖8所示是電機(jī)轉(zhuǎn)速從1500 r/min升速過程中的試驗(yàn)波形。升速后，軸帶電機(jī)輸出電壓幅值平緩下降，但充電電流維持在29.81 A，波動(dòng)很小，充電過程穩(wěn)定。軸帶電機(jī)調(diào)速對(duì)鋰電池充電影響小。

圖7 1500 r/min時(shí)鋰電池充電試驗(yàn)波形

圖8 調(diào)速時(shí)鋰電池充電試驗(yàn)波形

圖9所示是從快速充電模式切換至平緩充電模式時(shí)的波形圖，圖中標(biāo)示的數(shù)值均為所測(cè)對(duì)象有效值。充電電流下降至10 后，一直穩(wěn)定于10 A，整個(gè)切換過程快速、穩(wěn)定。

圖9 切換充電模式時(shí)鋰電池充電試驗(yàn)波形

圖10 涓流模式時(shí)鋰電池充電試驗(yàn)波形

圖10時(shí)電池充滿后，涓流充電的試驗(yàn)波形圖。充電電流在0 A附近小范圍波動(dòng)，充電電壓維持在687.2 V。實(shí)現(xiàn)鋰電池涓流充電。

仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明了第2節(jié)闡述的船用異步軸帶電機(jī)給鋰電池充電策略穩(wěn)定有效。

4 結(jié)論

本文介紹了“柴-電”混合船舶動(dòng)力系統(tǒng)中軸帶異步電機(jī)的使用原理。并根據(jù)鋰電池安全充電特性，提出了一種基于船用軸帶電機(jī)的分段式雙環(huán)控制鋰電池充電策略。仿真和試驗(yàn)結(jié)果均證明該充電策略穩(wěn)定有效。

[1] 鄭潔, 柳存根, 林忠欽. 綠色船舶低碳發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)對(duì)策略[J]. 中國工程科學(xué), 2020, 22(06): 94-102.

[2] 張丙楠, 杜博超, 趙天旭, 肖陽, 崔淑梅. 艦船電力推進(jìn)電機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展綜述[J/OL]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào): 1-17.

[3] 秦秀敬. 基于模型預(yù)測(cè)的船舶軸帶電機(jī)控制系統(tǒng)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2017．

[4] 姚芳, 田家益, 黃凱. 鋰電池組健康狀態(tài)計(jì)算方法綜述[J]. 電源技術(shù), 2018, 42(01): 135-138．

[5] 周鵬. 動(dòng)力鋰電池的充電及保護(hù)應(yīng)用[J]. 電源技術(shù), 2012, 36(05): 648-649+708.

[6] 張東羽. 基于結(jié)構(gòu)與性能的動(dòng)力電池過充/過放檢測(cè)[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2018.

Research on lithium battery charging technology based on marine asynchronous shaft motor

Zhang Peng

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862(2022)06-0013-04

2022-03-24

張鵬，男，高級(jí)工程師。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。E-mail: cpy1207@163.com