張 鵬

基于船用異步軸帶電機的鋰電池充電技術研究

張 鵬

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

為降低船舶污染物排放量，實現(xiàn)“綠色船舶”，使用動力電池和推進電機為船舶提供動力。本文分析了船用異步軸帶電機的使用原理，研究了使用軸帶電機給鋰電池充電的控制技術。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的手段，從多個角度驗證了該充電技術的有效性和穩(wěn)定性。

軸帶電機 鋰電池 充電策略 綠色船舶

0 引言

為實現(xiàn)“碳達峰碳中和”的發(fā)展目標，交通運輸部頒布了“船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案”，對船舶的綠色化提出了更高的要求[1]。

以機械推進為動力方式的傳統(tǒng)船舶，采用燃氣輪機或柴油機為推進主機，污染物排放量高，且推進效率較低，顯然不符合“綠色船舶”的發(fā)展需求。以電力推進為動力方式的新型船舶，使用動力電池和推進電機為船舶提供動力[2]，靈活性好，控制簡便，能有效提高運行效率和能源利用率，更能實現(xiàn)航段內的“0排放”。

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

本文分析了船用異步軸帶電機在發(fā)電工況下為鋰電池充電的控制技術，提出一種使用穩(wěn)定且容易工程實現(xiàn)的鋰電池充電策略。仿真和試驗從不同轉速、動態(tài)調速等多種工況驗證了該策略的穩(wěn)定性。

1 船用軸帶電機

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

混合動力系統(tǒng)中的螺旋槳、柴油機和軸帶異步電機通過齒輪箱連接。當航速較低時，柴油機的運行效率低，還會排放大量氮氧化合物，因此切換至純電力推進模式，動力鋰電池通過直流母線和變流器向軸帶異步電機供電，軸帶異步電機電動運行，為螺旋槳提供動力。全速運行時，使用柴油機直接為螺旋槳提供充足強勁的動力，同時控制軸帶異步電機運行于發(fā)電工況，利用柴油機的富裕功率給動力鋰電池充電。

圖1 “柴-電”混合船舶動力系統(tǒng)

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

這種交替混合的動力系統(tǒng)，讓柴油動力和電池動力相互協(xié)調匹配，實現(xiàn)能量優(yōu)化，有效提升船舶的經(jīng)濟效益與環(huán)保效益。

2 鋰電池充電策略

鋰電池動力系統(tǒng)在計算電池電量時，常用電流積分法。電流積分法[4]又稱安時計量法，是一種通過計算充放電量來估算電池電量的方法。該方法簡單可靠，且能對電池電量進行動態(tài)觀測。工程應用時，電流傳感器測量快速變化的電流時，會產(chǎn)生較大誤差。時變的充電電流經(jīng)過積分，誤差也會因為積分而快速增大，這會導致電池電量計算不準。電池電量在鋰電池動力控制與能量管理系統(tǒng)中是關鍵特征量，電池電量的誤差過大可能會導致能量管理策略失效，甚至會導致電池過充而產(chǎn)生電池極化、內部結構損壞等危害。同樣的，電流的紋波過大也會導致電池電量計算誤差增大，從而導致系統(tǒng)安全性降低。為了保證船舶動力推進系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，充電電流不宜經(jīng)常變換，應盡量保持恒定，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計電壓峰值的1%。因此在電池電量快要充滿時，應降低充電電流，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，保證電池組的健康狀態(tài)，延長電池的使用壽命。軸帶電機給鋰電池充電的流程圖如圖2所示。

圖2 軸帶電機給鋰電池充電流程圖

在使用柴油動力航行時，首先判斷軸帶電機是否運行于發(fā)電工況。當柴油機的轉速足夠大時，軸帶電機才開始發(fā)電，也才具備給電池充電的條件。當電池電量較低時，采用大電流恒流充電方式，快速給電池充電。當電量大于80%時，采用小電流恒流充電方式，減緩充電速度，防止快速過充。當電池充滿后，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)中實現(xiàn)，不用切換控制方式，實現(xiàn)簡單，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，軸帶電機發(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。

基于軸帶電機的鋰電池充電策略采用電壓外環(huán)，電流內環(huán)的雙環(huán)控制。當電池還未充滿時，電流內環(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即可實現(xiàn)兩種恒流充電模式。當電池充滿后，電壓環(huán)起主要作用，實現(xiàn)恒壓涓流充電模式。

3 仿真與試驗驗證

為了驗證上述推導和結論的正確性，本文建立了基于船用軸帶電機的鋰電池充電系統(tǒng)仿真模型。模型忽略柴油機部分模型，認為柴油機給軸帶電機的轉速是穩(wěn)定的理想轉速。

設鋰電池額定電壓為650 V，剩余電量70%。圖4是柴油機傳給軸帶電機轉速為1500 r/min時的鋰電池充電仿真波形。

圖4 1500 r/min時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是柴油機傳給軸帶電機轉速從1500 r/min調速至1800 r/min時的鋰電池充電仿真波形。

圖5 轉速變化時鋰電池充電仿真波形

可見轉速上升的過程中，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。軸帶電機轉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%，轉換使用平緩充電模式時的鋰電池充電仿真波形。

圖6 切換充電模式時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，對系統(tǒng)的影響可以忽略不計。

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

圖7所示是電機轉速為1500 r/min時，快速充電的試驗波形。其中1通道表示的是軸帶電機輸出電壓，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所示是電機轉速從1500 r/min升速過程中的試驗波形。升速后，軸帶電機輸出電壓幅值平緩下降，但充電電流維持在29.81 A，波動很小，充電過程穩(wěn)定。軸帶電機調速對鋰電池充電影響小。

圖7 1500 r/min時鋰電池充電試驗波形

圖8 調速時鋰電池充電試驗波形

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

圖9 切換充電模式時鋰電池充電試驗波形

圖10 涓流模式時鋰電池充電試驗波形

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

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

4 結論

本文介紹了“柴-電”混合船舶動力系統(tǒng)中軸帶異步電機的使用原理。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的分段式雙環(huán)控制鋰電池充電策略。仿真和試驗結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)展趨勢與應對策略[J]. 中國工程科學, 2020, 22(06): 94-102.

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

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

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[6] 張東羽. 基于結構與性能的動力電池過充/過放檢測[D]. 廣州: 華南理工大學, 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，高級工程師。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail: cpy1207@163.com