雷克兵，湯旭晶，周詩堯，陳自強(qiáng)

（1.上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240，2. 武漢理工大學(xué)，武漢 430063）

隨著全球節(jié)能減排規(guī)范日益嚴(yán)格，能源供應(yīng)日趨緊張，船舶電動(dòng)化逐漸成為航運(yùn)業(yè)新的發(fā)展方向，不僅可以發(fā)揮零污染、零排放巨大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具備能耗低、工作過程安靜低噪等特點(diǎn)。極端海洋環(huán)境復(fù)雜多變，脈沖負(fù)載擾動(dòng)頻繁，動(dòng)力裝置輸出功率波動(dòng)較大，油耗和排放污染增加，且船舶電網(wǎng)受到頻繁擾動(dòng)沖擊，母線電壓變化劇烈。由于單一動(dòng)力源不能兼顧系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行以及提供瞬時(shí)大功率需求，船舶混合動(dòng)力能將功率型和能量型儲(chǔ)能系統(tǒng)統(tǒng)一，平抑船舶電網(wǎng)波動(dòng)的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排要求，從而能提高船舶的動(dòng)力性和適航性[1]。

2000年，澳大利亞發(fā)明家Robert Dane研發(fā)了一艘混合動(dòng)力商用客船“Solar Sailor”號(hào)太陽能渡船[2]。2007年12月15日，全球第一艘用風(fēng)箏拉動(dòng)的貨輪“白鯨天帆號(hào)”由德國(guó)漢堡市起航。2015年8月，荷蘭輪船制造商推出 Savannah號(hào)游艇，作為全球第一艘油電混合動(dòng)力超級(jí)游艇[3]。2010年，通過中國(guó)船舶重工集團(tuán)702及712研究所聯(lián)合設(shè)計(jì)，“尚德國(guó)盛”號(hào)混合動(dòng)力游船在上海世博會(huì)首次亮相[4]。2017年11月，廣船國(guó)際建造一艘以“鋰離子電池+超級(jí)電容”為混合儲(chǔ)能純電推進(jìn)船舶[5]。隨著混合儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，利用燃料電池、超級(jí)電容及蓄電池等作為船舶電力推進(jìn)動(dòng)力，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率高，不產(chǎn)生污染環(huán)境的排放氣體，但目前氫的制備、運(yùn)輸和存儲(chǔ)技術(shù)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，且單體功率較低、成本高、推廣受到限制[6]。超級(jí)電容具有很高的功率密度，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，但其能量密度極低，約為鋰離子電池能量密度的 1/10，導(dǎo)致其續(xù)航能力嚴(yán)重受到制約。隨著動(dòng)力電池技術(shù)的日益發(fā)展，鋰離子動(dòng)力電池表現(xiàn)了強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿?，其具有無記憶效應(yīng)、平臺(tái)電壓高、能量密度大、自放電率低和安全性高等眾多優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足內(nèi)河小型混合動(dòng)力推進(jìn)船舶的儲(chǔ)能需求[7]。

文中將重點(diǎn)研究船舶混合鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，搭建鋰離子電池等效電路和雙向DC/DC變換器仿真模型，提出基于模糊控制功率分配策略，利用 PI控制技術(shù)控制直流母線電流，完成仿真驗(yàn)證。

1 船用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

由于船舶特殊工作環(huán)境的要求，選擇合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于減少儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)冗余，延長(zhǎng)鋰離子電池組使用壽命具有十分重要的意義。準(zhǔn)確的鋰離子電池等效電路模型與雙向DC/DC數(shù)學(xué)模型直接關(guān)系到混合鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制效果。

1.1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三種：主動(dòng)式、被動(dòng)式及半主動(dòng)式。主動(dòng)式將鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和總線全部解耦，使兩種電池的功率以及總線電壓均可控，系統(tǒng)成本比較高，控制算法復(fù)雜，系統(tǒng)工作效率比較低；被動(dòng)式將鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池及總線直接并聯(lián)，系統(tǒng)成本較低，無需能量管理算法，但鈷酸鋰電池良好的功率特性會(huì)被磷酸鐵鋰電池所鉗制，限制其功率補(bǔ)償能力，綜合性能較差；半主動(dòng)式構(gòu)型性能介于以上主動(dòng)式與被動(dòng)式系統(tǒng)之間，實(shí)際中應(yīng)用廣泛[8]。

根據(jù)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)分析，文中擬用半主動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。鈷酸鋰電池通過雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器與直流母線相連，磷酸鐵鋰電池直接與直流母線耦合，該構(gòu)型具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）直流母線電壓由能量型磷酸鐵鋰電池決定，其電壓特性較“硬”，即變化平緩，從而使母線電壓波動(dòng)較小，能量轉(zhuǎn)換效率較高。

2）功率型鈷酸鋰電池與雙向 DC/DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián)，可通過雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器控制直流母線電壓，合適的控制策略可減少磷酸鐵鋰電池 SOC波動(dòng)，從而保證了其放電深度在指定的范圍內(nèi)。

1.2 鋰離子電池等效電路模型

鋰離子電池等效電路模型主要包括Rint模型、RC模型、Thevenin模型、PNGV模型和GNL模型。由于 Thevenin模型考慮了鋰離子電池具有阻容特性、極化現(xiàn)象以及電動(dòng)勢(shì)與SOC的關(guān)系，比較精確地反映了實(shí)際工作過程特點(diǎn)，且計(jì)算量較小，因此在鋰離子電池建模中應(yīng)用普遍[9]。Thevenin模型由恒壓源、電阻和電容構(gòu)成，如圖2所示。

等效電路中 E表示鋰電池的開路電壓，R0表示極化內(nèi)阻，R1表示等效歐姆電阻，C1表示極化電容，U0表示鋰電池輸出電壓，Uc表示極化阻抗兩端電壓。由于充放電過程中，鋰電池端電壓在電流激勵(lì)下，產(chǎn)生突變特性和漸變特性，因此采用歐姆內(nèi)阻 R0兩端電壓的變化來反映突變特性，并聯(lián)的R0和C1組成慣性環(huán)節(jié)反映漸變特性。同時(shí)該慣性環(huán)節(jié)還能反映出鋰電池的極化特性。

由基爾霍夫電壓定律可得：

解微分方程得：

系統(tǒng)零狀態(tài)與零輸入響應(yīng)為：

采用安時(shí)積分法和開路電壓法相結(jié)合的復(fù)合方式估算鋰電池SOC[10]，同時(shí)對(duì)磷酸鐵鋰電池和鈷酸鋰電池做混合脈沖功率性能測(cè)試（The Hybrid Pulse Power Characterization，HPPC），以確定兩種鋰離子電池工作在不同SOC狀態(tài)下的參數(shù)U0、R0、C1、R1。在Simulink中建立鋰離子電池?cái)?shù)學(xué)仿真模型。

1.3 雙向DC/DC變換器

雙向DC/DC變換器能在鋰離子電池充電和放電過程中，具有較高的傳輸效率，能承受高壓和強(qiáng)電流，同時(shí)可以增加系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)的最大輸出功率，其控制要求必須滿足對(duì)能量的精確控制。非隔離式雙向Boost/Buck變換器在實(shí)際使用中，系統(tǒng)開關(guān)元件電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力小，同時(shí)開關(guān)元件IGBT導(dǎo)通損耗小，轉(zhuǎn)換效率高[11]，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4a所示。當(dāng)船舶啟動(dòng)或者加速時(shí)，變換器處于Boost工作模式，鈷酸鋰電池電壓升高后給直流母線供電，此時(shí)放電電源開關(guān)S1和續(xù)流二極管導(dǎo)通D2，當(dāng)船舶制動(dòng)時(shí)，雙向DC/DC變換器處于Buck工作模式，充電電源開關(guān)S2和續(xù)流二極管 D1導(dǎo)通，直流母線的制動(dòng)能量給鈷酸鋰電池充電。在Simulink搭建變換器仿真模型如圖4b所示。

2 混合儲(chǔ)能功率分配研究

船舶混合鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)控制原理如圖 5所示。該系統(tǒng)包括模糊控制模塊、直流母線電流 PI控制模塊以及鋰離子電池最大充放電電流限制模塊。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：能夠在滿足船舶動(dòng)力需求的前提下，充分發(fā)揮鈷酸鋰電池的功率特性和磷酸鐵鋰電池的能量特性，同時(shí)減少磷酸鐵鋰電池放電循環(huán)次數(shù)和放電深度，延長(zhǎng)其使用壽命；能提高船舶混合儲(chǔ)能系統(tǒng)工作效率及能量回收率，增加船舶營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)[9]。

2.1 系統(tǒng)工作模式分析

船舶在航行過程中，工作狀況可分為四類，即啟動(dòng)加速、平穩(wěn)航行、惡劣海況和減速再生制動(dòng)[10]。根據(jù)不同種船舶航行工況，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)具有以下四種工作模式[12].

1）磷酸鐵鋰電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式。此模式下船舶平穩(wěn)航行，航行阻力及負(fù)載需求功率波動(dòng)較小。

2）鈷酸鋰電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式。此模式下船舶負(fù)載瞬時(shí)功率需求較大或者是處于短時(shí)加速過程。

3）兩種鋰電池共同驅(qū)動(dòng)模式。此模式下船舶航行功率需求很大，如進(jìn)出港口、過狹窄水道、大風(fēng)浪天氣等惡劣海況航行。

4）再生制動(dòng)模式。此模式下船舶減速，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)能量根據(jù)控制策略進(jìn)行再生能量分配。

2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制（Fuzzy control）是一種基于規(guī)則的非線性控制理論，是模擬人腦控制過程的一種智能控制方式。其執(zhí)行流程如圖6所示[13].

流程圖中，輸入量為負(fù)載功率需求Pdemand、鈷酸鋰電池的荷電狀態(tài)Ster以及磷酸鐵鋰電池的荷電狀態(tài)SLPF，輸出量為功率分配系數(shù)?LPF，滿足：

式中：磷酸鐵鋰電池荷電狀態(tài)SLPF的取值范圍設(shè)置為[0.6 0.9]；鈷酸鋰電池荷電狀態(tài)Ster的取值范圍設(shè)置為[0.5 1]。

各輸入輸出變量的論域?yàn)椋?/p>

各輸入輸出變量隸屬度函數(shù)如圖7所示。

模糊控制規(guī)則采用IF-THEN形式，即“IF Pdemandis A and SOCLPFis B and SOCteris C, THEN ?LPFis D”。采用重心法，實(shí)現(xiàn)模糊控制器解模糊輸出，根據(jù)相應(yīng)的模糊規(guī)則，輸出的三維圖形表達(dá)如圖 8所示。

2.3 直流母線電流PI控制

PI控制是一種線性控制方式，主要用于具有大慣性、大滯后特性的被控對(duì)象，控制輸出是雙向DC/DC變換器占空比，如圖9所示：

船舶在航行過程中負(fù)載擾動(dòng)較大，采用“主動(dòng)阻尼”方式，即在建模系統(tǒng)的內(nèi)部反饋回路中增加一個(gè)虛構(gòu)電阻Ra，改善調(diào)節(jié)器的性能。同時(shí)占空比不能高于1或低于0，輸出必須受到限制，改進(jìn)后的閉環(huán)PI控制框圖如圖10所示[14]。

2.4 鋰離子電池充放電電流限制

鋰離子電池正常工作時(shí)，不能出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象，因此需要對(duì)其電壓進(jìn)行保護(hù)，避免出現(xiàn)過壓和欠壓現(xiàn)象，這時(shí)荷電狀態(tài) SOC受到限制。引入四個(gè)限制標(biāo)準(zhǔn)[15]：硬性上限（100%），不可能再給鋰離子電池充電，但放電時(shí)沒有限制；軟上限（～95%），可以用有限的速率給鋰離子電池充電，放電時(shí)沒有限制；軟下限（～30%），可以用有限的速率給鋰離子電池放電，充電時(shí)沒有限制；硬下限（25%），不可能再給鋰離子電池放電，但充電時(shí)沒有限制。

根據(jù)以下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在 Simulink中引入 S函數(shù)模塊并進(jìn)行編程。

3 系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

3.1 仿真系統(tǒng)搭建

在 Simulink環(huán)境下建立船舶混合儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型，如圖11所示。該系統(tǒng)由功率分配、PI控制、雙向DC/DC變換器、鋰離子電池等模塊組成。其中磷酸鐵鋰電池組采用206串5并結(jié)構(gòu)，電池組容量為500 Ah，額定電壓為 660 V。鈷酸鋰電池組采用 62串 8并結(jié)構(gòu)，電池組容量為 640 Ah，額定電壓為230 V。仿真工況以某電動(dòng)船舶一周期為360 s典型極端加減速航行作為目標(biāo)工況，功率需求曲線如圖 12所示[16]。

3.2 仿真結(jié)果與分析

對(duì)比功率分配圖（圖 13）可知，當(dāng)負(fù)載功率需求變化較大時(shí)，滿足船舶動(dòng)力需求的前提下，磷酸鐵鋰電池作為主動(dòng)力電源，提供低頻功率需求，穩(wěn)定直流母線電壓變化。而鈷酸鋰電池作為輔助動(dòng)力源，充分發(fā)揮功率特性，及時(shí)補(bǔ)充系統(tǒng)中高頻能量，提供峰值功率需求。鋰離子電池SOC變化曲線如圖14所示，鈷酸鋰電池 SOC變化頻率較大，而磷酸鐵鋰電池SOC相對(duì)較穩(wěn)定，使其放電深度降低，達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的。鋰離子電池電壓變化曲線如圖15所示，船舶混合鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用半主動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，鈷酸鋰電池通過雙向DC/DC變換器與直流母線解耦，而磷酸鐵鋰電池直接與母線連接。在加減速過程中，直流母線電壓變化幅度為1.65%，滿足投入負(fù)載電網(wǎng)電壓波動(dòng)小于2%標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

相比于傳統(tǒng)船舶而言，船舶混合鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)零污染、零排放巨大優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，增加了船舶的續(xù)航力，加快了動(dòng)力裝置響應(yīng)速度，平抑脈沖負(fù)載擾動(dòng)，增加了船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性。文中研究了鋰離子電池和雙向DC/DC變換器的工作原理，提出半主動(dòng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過模糊控制實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率需求合理分配，利用 PI控制器穩(wěn)定直流母線電壓波動(dòng)，并建立Simulink仿真模型以仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，船舶在極端加減速過程中，直流母線電壓紋波小于1.65%，提升了供電品質(zhì)?；旌箱囯姵貎?chǔ)能電池系統(tǒng)中，能有效地減緩磷酸鐵鋰電池電流突變，放電深度受到限制，延長(zhǎng)其使用壽命。因此該儲(chǔ)能鋰離子電池系統(tǒng)功率分配策略對(duì)于研究極端海況下船舶適航性和動(dòng)力性具有重要的參考價(jià)值。