小型船舶绿色动力电池推进系统研究设计

丁晨雷，康 伟，褚建新

（上海海事大学，上海 200135）

0 引 言

在船舶制造和研究的领域，随着全世界对绿色环保型纯电能动力船艇的研究力度加大，进展日渐引人瞩目。世界上第一艘燃料电池和柴电动力系统构成的混合动力装置的潜艇已于2003年4月在德国基尔港下水，第一批燃料电池潜艇也正在陆续建造之中[1]。2010年2月，瑞士建成了世界上最大的太阳能动力船“星球阳光”，预计2011年4月开始首次环球之旅。这艘双体船采用世界上最大的活动式锂离子蓄电池组。国内第一艘燃料电池船，在2005年由上海海事大学研制成功。该船的电池功率为2000W，推进器功率1470W，可以在14km/h的时速下连续航行5h，航程达70km[1]。

本文研究和设计了一种基于锂离子动力电池的小型船舶绿色动力电池推进系统。

1 动力源比较分析

目前常用来作为电力推进系统的电池主要有燃料电池、超级电容器和动力电池等，它们的特性不同，适宜应用的场合也存在较大差异。

燃料电池的优点是：能量转化效率高，可达60%～80%。不污染环境，燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，寿命长。质子交换膜燃料电池(PEMFC)，具有低温快速启动、比功率能量大、转换效率高等优点，是载运工具的首选电源。但是，受技术条件限制，燃料电池的单体功率比较小，造价昂贵，并且制氢和氢的运输及储存等配套技术尚未成熟，其应用以军事舰艇为主，民用船舶尚停留在尝试阶段，难以推广应用。

超级电容器也是目前应用和研究较多的一种新型绿色动力源，日本、俄罗斯、美国、法国、澳大利亚、韩国等国家都先后将超级电容器应用于电动汽车[2]。在我国，超级电容器的研究和应用也有了一定的发展。2010年上海世博会园区内用于游客短驳的“世博大道”线上就有36辆超级电容公交车，通过实践的检验，其运载能力和稳定性值得肯定。尽管以超级电容器作为载运工具动力源有充电时间短（每次充电只需12～15min）、循环使用寿命长（充电循环次数约可达50万次）、使用温度范围大、能量回收效率高等特点[2]，但由于其本身比能量低的特性，极大地制约了其续航能力的提高。对于公交车来说可以采用在线路的停靠站点建立充电站的方法来补救，但对于在海面上航行的船艇来说，暂时没有很有效的解决方案，因而应用超级电容器作为绿色纯电动艇的动力源并不合适。

动力电池技术日趋成熟，已经历了三代：第一代为阀控铅酸蓄电池；第二代为碱性蓄电池；第三代为锂离子电池。阀控铅酸蓄电池存在充电时间长、使用寿命短、质量能量比低，原材料铅污染等缺点，主要应用于电动自行车与电动摩托车，不适宜用作船舶动力能源；碱性蓄电池由于存在二次污染和价格问题已淡出市场；锂离子电池能量密度高于阀控铅酸蓄电池和碱性蓄电池，质量能量比高达190Wh/kg，单体电池的电压高达 3.6V，在国家“863”项目和北京奥运电动汽车示范运行的应用中验证了锂离子电池安全性、可靠性和经济性，是小型纯电能动力船舶合适的动力源。

2 总体方案设计

本文研究设计的小型船舶电力推进系统采用动力电池，摒弃了柴油机动力，从根本上消除了燃油和废气排放污染。电力能源是静止设备，没有噪声污染，完全满足环保要求，对环境无不良影响；全船电力能源统一分配管理，充分利用推进器的制动回馈能量，提高电能利用率，符合节能要求。绿色纯电动艇整个推进动力装置由电池系统和推进系统两部分组成，其基本结构如图1所示。电源系统由电池管理系统BMS、充电单元以及动力电池组成。推进系统则由推进监控系统PCS、电能变换装置和推进电机组成。

图1 总体设计

3 电源系统

3.1 动力电池

目前常用的动力电池有镍镉、镍氢、密封铅酸、锂离子等，它们的技术指标存在较大差异，表1是4种常见动力电池的主要技术指标比较[3,4]。

为确保安全航行的要求，船舶在每次开航之前必须存储足够的动力能源，满足续航要求。但由于每次返航后纯电动艇无法将电池存储的所有电能全部用尽，故选择的动力电池必须没有记忆效应才能满足设计要求。除此以外，相比其他几种动力电池，锂离子动力电池除了耐过充特性很低之外，其总体性能指标都较好，特别是比能量和标称电压最为突出，且其自放电速度很小。在实际应用时，可通过为锂离子电池的充电电路设计一个防止过充的安全电路，就能够忽略其耐过充特性差的缺点。

虽然目前锂离子动力电池价格较贵，但随着制造技术的提高和应用领域的扩展，其应用成本将会快速下降。综上所述，本推进系统使用锂离子动力电池作为动力源。在电池的实际选型过程中，遵循以下公式：

式中：AH——电源系统总容量；W——负载功率；t——续航时间，ρ——电池能量转换效率；f——电池放电率。

推进系统负载功率为30kW（2台15kW推进电机），全功率续航时间为8h，经济航速续航时间为10～12h。一般情况下，单组锂电池很难达到如此大的容量，所以根据需要，采用堆栈式电池组联合运行的方式。如式（2）所示：

表1 4种常见动力电池的主要技术指标比较

式中，0AH ——单组封装的动力锂电池容量；n——理论上所需要组合入堆栈式电池组的片数。根据一般经验，实际选用的片数应比n略大一些。经计算，该艇推进装置采用100组容量为3AH 224V（70片3AH 3.2V电池串联封装）的动力电池联合运行，符合推进要求。

3.2 电池管理系统

电池管理系统 BMS（Battery Management System）包含充电单元，主要是对电池进行合理有效的管理和控制，维持电池良好的运行性能，延长电池使用寿命；实现无损电池的充电，监控电池的放电状态，同时对电池进行实时或定期自动检测、诊断和维护，最大限度地保证电池的可靠运行。电池管理系统还具备数据采集、荷电状态的估算、电气控制、温度管理、安全管理、数据通信等功能。图2为电池管理系统的硬件整体示意框图。

图2 BMS硬件整体

在软件上，BMS系统的主要功能有：

1) 数据采集功能（电池组单体电压巡回检测、工作电流、电池组温度、环境温度检测）；

2) 由电池的基本信息可确定电池的剩余电量(SOC)；

3) 能够实现在电池充放电两种状态下的实时监控，判断故障原因；

4) 实现总线通信，将电池的采集、计算、故障信息传输到液晶显示单元进行显示[5]。

4 推进系统

4.1 推进电机

推进电机直接驱动螺旋桨产生推力，并作用于船体，使船舶发生运动[6]。船舶在静水中无外力约束自由航行达稳态时，螺旋桨转矩与其转速的关系近似为一条二次曲线，其表达式为：

式中：pyM ——船舶稳定航行时螺旋桨转矩，N·m；ρ——海水密度，kg/m3，通常取 1025kg/m3；D——螺旋桨直径，m；n——螺旋桨转速，r/s；pyK——转矩系数；MK ——无因次扭矩系数。

电动机类型的选择对动力系统以及航行器整体性能有较大影响，所以根据上述性能要求对推进电机的类型进行分析和选择。表2对无刷直流电动机、永磁有刷直流电动机、开关磁阻电动机和变频调速异步电动机在某些技术指标上作了定性分析[7]。

表2 4种电动机的比较

由表2可见，无刷直流电动机既具备交流电动机结构简单、工作可靠、维护方便、寿命长等优点，也具备普通直流电动机运行效率高、转矩大、调速方便、动态性能好等优点，同时克服了普通直流电动机机械换向所引起的电火花干扰，维护难等诸多缺点。该推进系统中，推进电机选用 2台功率为15kW的无刷直流电机。

电能变换单元采用电流型逆变器，其主要功能是将动力电池的直流电能变换成推进电机所需的电能，实现推进电机的起动、调速、制动控制，完成推进电机电气制动电能回馈，降低能耗。同时，提供推进电机的各种继电保护和运行状态数据。

4.2 推进监控系统

推进监控系统主要完成船舶推进与操纵控制、电能综合管理、运行状态实时监测功能，实现电力推进系统高可靠性和高安全性的自动化、智能化控制。在这里，使用工业控制计算机作为系统上位机，PLC作为系统下位机，两者之间通过以太网完成数据交换。其结构如图3所示。

推进监控系统对推进电机的操纵主要由电能变换单元来实现，它将PLC发出的电机控制信号进行必要的转换，来实现直流无刷电机正常的启动、正转、倒转和调速。

系统对电机运行参数的监测主要通过传感器组实现，它们将推进电机的转速、电压、电流、温度、功率、转子位置等运行参数通过传感器组读出，送至PLC内部进行处理。

PLC将处理完的数据打包送至上位机，由上位机对数据进行筛选和过滤，并与初始设定值比较，如出现异常则发出报警信号，以保护系统安全。推进监控系统的主要报警信号有：电机高温、绝缘故障、电机超速等，同时在软件设计中也考虑部分故障情况下的越控操作。

5 结 语

该小型船舶绿色动力电池推进系统以动力电池为动力源，无刷直流电动机为推进器，通过BMS和PLC协调控制，摒弃了柴油机动力，从根本上消除了燃油和废气排放污染，完全满足环保要求。该推进系统已通过了技术论证，现已进入器件选型和实体制作的阶段。

图3 推进监控系统结构

[1] 郭自强. 德国的潜艇燃料电池[J]. 船电技术，1997,(5):5-12.

[2] 崔淑梅，段甫毅. 超级电容电动汽车的研究进展与趋势[J]. 汽车研究与开发，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] 桂长清. 动力电池[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

[5] 金 晓. 永磁无刷直流电动机的无位置传感器控制[D].浙江：浙江大学，2005.

[6] 沈爱弟，黄学武. 半实物吊舱式电力推进仿真系统的设计[J]. 扬州大学学报（自然科学版），2005, 8(1): 75-78.

[7] 张 巍. 纯电动汽车电池管理系统的研究[D]. 北京：北京交通大学，2008.