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        大容量鋰電池船舶動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2023-11-22 09:02:36楊雅薇
        船電技術(shù) 2023年11期
        關(guān)鍵詞:大容量電池組鋰電池

        陳 卓,楊雅薇

        大容量鋰電池船舶動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        陳 卓1,楊雅薇2

        (1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所,武漢 430064;2. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心,武漢 430064)

        本文在當(dāng)前已成熟應(yīng)用鋰電池船舶動力系統(tǒng)基礎(chǔ)上,結(jié)合船舶規(guī)范要求以及對鋰電池系統(tǒng)安全性考慮,針對大容量鋰電池在船舶動力系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì),重點(diǎn)介紹了大容量鋰電池組的并聯(lián)充放電控制、整船動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及直流配電保護(hù)策略,對大容量鋰電池在船舶動力系統(tǒng)上的應(yīng)用具有一定借鑒意義。

        新能源 鋰電池 船舶電力推進(jìn)

        0 引言

        目前大多數(shù)鋰電池動力船舶裝機(jī)容量主要集中在幾十千瓦時(shí)到幾百千瓦時(shí),僅有少量船只電池裝機(jī)容量達(dá)到兆瓦時(shí)以上[1]??紤]到船舶的特殊應(yīng)用環(huán)境,大容量船舶動力鋰電池系統(tǒng)與陸用大容量鋰電池儲能系統(tǒng)以及車用小容量動力電池系統(tǒng)有著顯著的區(qū)別。本文結(jié)合中國船級社2019年發(fā)布的純電池動力船舶檢驗(yàn)指南,針對大容量鋰電池在船舶動力系統(tǒng)上的應(yīng)用設(shè)計(jì),主要包括大容量鋰電池動力系統(tǒng)拓?fù)洹囯姵叵到y(tǒng)充放電控制以及整船能量管理系統(tǒng)[2]。

        1 大容量鋰電池船舶動力系統(tǒng)拓?fù)?/h2>

        鋰電池作為純電動船動力的唯一來源,需要提供全船的日用用電,同時(shí)還需要滿足船舶設(shè)計(jì)任意工況下的動力需求。因此電池系統(tǒng)不僅需要滿足船舶設(shè)計(jì)的能量需求,還需要保證任何時(shí)刻下的功率需求。

        1.1 大容量鋰電池系統(tǒng)的分組及并聯(lián)

        圖1 電池組通過DC/DC直流變換裝置并聯(lián)

        常規(guī)小容量電池系統(tǒng),由于電池電量較小,通常電池組直接并聯(lián)后對外供電。當(dāng)電池系統(tǒng)容量較大時(shí),考慮電池系統(tǒng)的一致性以及環(huán)流等影響,不允許過多的電池組直接并聯(lián)工作。

        通過DC/DC直流變換器后在直流母線側(cè)供電,可以有效的降低電池組一致性不同造成的環(huán)流等問題而導(dǎo)致電池系統(tǒng)安全性及使用壽命降低。與此同時(shí),采用該方式并聯(lián)還可以做到不同批次、不同容量、不同電壓甚至不同品牌的電池系統(tǒng)同時(shí)給船上供電。

        在系統(tǒng)處于放電模式時(shí),鋰電池DC/DC處于電壓模式。如未采取均流措施,電池簇之間通過DCDC下垂特性進(jìn)行被動調(diào)節(jié),長時(shí)間工作可能會導(dǎo)致電池組間放電不一致。通過EMS(能量管理系統(tǒng))增加主動均流功能可實(shí)現(xiàn)電池組之間放電更加均衡,有利于提高電池使用壽命。

        電流均衡控制方式如下:

        式中,ref為每簇電池均流給定,p為日用負(fù)荷功率,t為推進(jìn)負(fù)荷功率,DC為直流母線電壓,n為在網(wǎng)電池簇?cái)?shù)量。

        1.2 動力系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

        與常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組不同,鋰電池輸出為直流電源,而船上主要用電負(fù)載均為交流電,需要通過電力變換設(shè)備將直流電變換為相應(yīng)的電源提供設(shè)備用電。

        圖2 大容量純電池動力系統(tǒng)拓?fù)?/p>

        鋰電池組由DC/DC變換器通過直流母排并聯(lián),通過直流組網(wǎng)方式提供全船電力;推進(jìn)逆變器采用變壓變頻方式控制推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動螺旋槳,推進(jìn)負(fù)荷的加載性能需要與電池系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時(shí)間和加載能力相匹配;逆變電源將直流電源逆變?yōu)楹銐汉泐l的三相交流電源供船上交流負(fù)載供電,如風(fēng)機(jī)、水泵、空調(diào)及照明等,逆變電源具有過壓、過流、欠壓、過負(fù)載,過溫、三相輸出不平衡、自檢、絕緣監(jiān)測等保護(hù)。

        2 直流配電及保護(hù)設(shè)計(jì)

        按照規(guī)范的要求電氣裝置中應(yīng)設(shè)有合適的保護(hù)電器,以能在發(fā)生包括短路在內(nèi)的過電流和其他電氣故障時(shí)對其進(jìn)行保護(hù)。各保護(hù)電器的性能及其布置應(yīng)能提供完善協(xié)調(diào)的自動保護(hù),以保證在某處發(fā)生故障的情況下,通過保護(hù)電器的選擇性作用確保無故障重要設(shè)備電路的供電連續(xù)性,消除故障的影響,從而減少對系統(tǒng)的損害和發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)[3]。

        直流配電系統(tǒng)是電動船動力系統(tǒng)核心,是全船供電及驅(qū)動控制的載體,集成了直流配電、直流保護(hù)、變頻驅(qū)動及逆變電源(日用負(fù)荷逆變供電)等功能,對安全性、可靠性要求高。

        在直流網(wǎng)的直流母線系統(tǒng)中,當(dāng)某設(shè)備發(fā)生短路故障時(shí),會在直流母線、變頻器或者交流輸出端出現(xiàn)明顯的過電流,選擇性保護(hù)應(yīng)避免出現(xiàn)以下狀況:

        a)船舶全船失電;b)船舶喪失了操控性,即喪失推進(jìn)的能力;c)上述原因?qū)е碌钠渌鼑?yán)重后果,例如船舶碰撞或者船舶失火等。

        圖3 保護(hù)方案及故障點(diǎn)分析示意圖

        直流配電系統(tǒng)主要保護(hù)器件為直流快速熔斷器,通過鋰電池和直流電路中的電容放電產(chǎn)生短路電流,將故障支路熔斷器熔斷[3]。

        通過分析各支路的短路電流,結(jié)合熔斷的弧前/熔斷I2t值,實(shí)現(xiàn)直流配電系統(tǒng)的上下級保護(hù),提高系統(tǒng)安全性,避免故障擴(kuò)大化和全船失電的風(fēng)險(xiǎn)。

        圖4 某支路短路模型(上)短路電流曲線(下)

        圖5 某船短路選擇性圖表

        3 船舶充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        鋰電池充電通常采用恒流充電方式,由充電樁/充電設(shè)施提供充電電源。常規(guī)小容量的電池系統(tǒng)充電方式由充電樁直接與鋰電池管理系統(tǒng)(BMS通信),BMS發(fā)送請求充電電流進(jìn)行充電。大容量鋰電池系統(tǒng)由于通過DC/DC并聯(lián),鋰電池系統(tǒng)的充放電控制均由DC/DC來實(shí)現(xiàn),因此充電設(shè)備不直接與BMS通信,需要經(jīng)過船上能量管理系統(tǒng)(EMS)來實(shí)現(xiàn)充電控制,EMS根據(jù)電池SOC、允許的最大充電電流、充電設(shè)備可用充電功率以及DC/DC功率,綜合判斷可用充電功率。

        根據(jù)碼頭充電設(shè)施配置情況,通常有2種充電方式:交流電源充電和直流電源充電。

        圖6 直流充電(上)交流充電(下)示意圖

        整個(gè)充電過程包括六個(gè)階段:物理連接完成、低壓輔助上電、充電握手階段、充電參數(shù)配置階段、充電階段和充電線束階段。

        圖7 充電流程

        根據(jù)上述充電形式,充電過程保護(hù)主要有3個(gè)層級:碼頭充電設(shè)備、直流配電EMS和鋰電池BMS,比常規(guī)充電方式安全性更高。

        4 小結(jié)

        本文介紹了一種大容量鋰電池船舶動力系統(tǒng)的典型拓?fù)洌攸c(diǎn)對大容量鋰電池組的并聯(lián)方案和直流配電系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,確保動力系統(tǒng)的安全可靠,同時(shí)對船舶交直流充電系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì),對大容量鋰電池在船舶動力系統(tǒng)上的應(yīng)用具有一定借鑒意義

        [1] 周鎮(zhèn)海. 淺析純電動船的應(yīng)用前景[J]. 中國水運(yùn), 2020(11): 109-110.

        [2] 李強(qiáng), 李天煜, 劉偉. 電動船舶標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及發(fā)展思路研究[J]. 中國標(biāo)準(zhǔn)化, 2019(21): 125-130.

        [3] 耿鵬, 賈顏培, 李荻薇, 等. “君旅號” 電動船直流母排系統(tǒng)選擇性保護(hù)仿真與試驗(yàn)研究[J]. 船電技術(shù), 2022, 42(1): 32-35, 40.

        Design on large-capacity lithium battery in marine power system

        Chen Zhuo1, YangYawei2

        (1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. China Ship Research and Design Center, Wuhan 430074, China)

        U674.92

        A

        1003-4862(2023)11-0033-03

        2022-10-08

        陳卓(1989-),男,高級工程師,研究方向:新能源船舶電力推進(jìn)。E-mail: 15717101827@139.com

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