船用锂电池充电系统设计与研究

骆海民

摘 要：新能源船舶的应用是解决船舶污染的重要方法之一。船用锂电池充电技术是制约新能源船舶发展和应用的瓶颈之一。通过对目前锂电池充电技术的分析，结合船舶运行维护的特点，对适合船舶行业锂电池充电技术开展了分析与总结，提出了船载交流充电机方案，并对船载交流充电机方案的具体实施开展研究。研究结果表明，研发的船用锂电池充电系统能够满足新能源船舶在现有码头及船舶系泊状态下的使用，方案可靠实用。

关键词：船舶污染；锂电池；充电系统

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672.3198.2018.32.101

0 引言

船舶污染是环境污染的重要污染源之一。船舶在航行、港口停泊、货物装载、航海事故中都会产生污染物或者废弃物对周围水环境和大气环境产生污染。船舶污染具有多样性、流动性、侵权性和危害性的特征。近年来，绿色新能源技术引入到船舶的能源应用与管理中，以锂电池技术为代表的新能源技术应用，一方面可以提升能源的利用效率，另一方面能够极大的降低环境的污染。船舶行业的可持续发展是我们共同追求的目标，船舶能源的绿色化才能带来绿水青山和金山银山。

船舶锂电池组的充电技术是制约锂电池为动力的新能源船舶发展的关键技术。船用锂电池充电系统的设计与研究涉及电力电子变流技术智能监控技术、无线射频技术以及CAN总线技术的应用。船舶充电技术的规划与应用因港口限制与岸电的功率问题，有别于车用充电桩的规划于应用。

利用锂电池组作为船舶的动力源，当电压过低时就必须进行电能的补充，否则锂电池组的性能和寿命将会受到较大的影响，并且造成不可逆的损害。本文结合汽车工程应用的充电桩技术及船舶电气的技术要求应用到船用锂电池充电系统设计与研究中。

1 锂电池充电系统充电方法概述

结合目前汽车工程领域广泛应用的锂电池充电系统的充电方法，船用锂电池充电方法主要有以下类型：

（1）交流充电。由电网提供220V或者380V交流电源，经过船载充电装置的滤波、整流和保护等功能，实现对锂电池的充电过程。这种充电方法充电时间较长，充电功率较小，适合小型锂电池船舶。

（2）直流充电。这种充电方式是由地面提供直流电源，直接为船用锂电池充电，省去了船载充电装置，有利于船体自重的减轻。地面充电机一般功率较大，而且充电过程中产生大量的热，需要快速冷却，直流充电效率较高，能实现快速充电，适合中型船舶。

（3）更换电池组。这种充电方法为每条船舶准备多组锂电池，一组为船舶提供动力电源的同时，另一组处于地面充电状态，当锂电池组电量不足的时候，可以及时地拆下并更换已经充足电量的锂电池组。这种方式能够实现最短时间的充电过程。但是需要建设大量的电池更换站，需要大量人员进行维护。投资成本大，智能化程度低。

2 船用锂电池充电系统充电方案可行性分析

结合船舶实际运营的情况，选择合理可行的方案才能适应船舶锂电池的应用。充电系统一旦建设投入运行，满足不了船舶充电的实际需求，则会造成较大的浪费。充电系统的建设和运行往往对岸电或者码头的电网冲击较大，一方面需要合理规划增大电网功率的，另一方面需要对充电的时间进行合理的规划与安排，这样才能更好满足船舶充电与岸电使用的需求。

由此，船用电池充电系统可行性分析得出如下结论：

（1）船用交流充电桩。在船舶上使用交流充电机或者在岸电码头安装交流充电桩，采用220V或者380V交流电压，这两种电压等级容易获得。经过充电桩，可以为新能源船舶充电，这种交流充电桩的最大优势就是可以岸电利用船舶停泊时间进行充电。

（2）船用直流充电桩。在船舶系泊的码头建设直流充电桩，可以快速地完成船舶锂电池充电过程。这种充电桩的功率较大，对电网会进行一定的冲击，所以在建设的时候需要考虑对电网的保护措施。

综上所述，对于新能源船舶系泊码头较为固定的情况，可以设置专用的直流充电码头，提供直流为船舶充电，对于系泊码头不固定的情况，可以采用交流充电机布置在码头或者船舶上，使用岸电的220V或者380V供电。

3 船用锂电池充电系统设计

目前由于充電系统的限制，新能源船舶使用的水域以内河航线为主，且为短距离的运输为主。比如湖泊的游览船舶的固定航线和内河散货船的固定航线，且具备固定系泊码头的条件下较适合使用新能源船舶。

船载交流充电系统更适合目前初步发展的新能源船舶的应用。由此提出380V船载交流充电系统。

表1为船用锂电池充电系统端子接口定义。

船用锂电池充电系统充电步骤：

（1）按照图1原理图接线。

（2）船用锂电池充电系统充电机启动充电指令（按钮开关或刷卡）。

（3）启动电源唤醒电源开关K3，K4 ，给BMS 供电。

（4）延时5 s后，船用锂电池充电系统通过 CAN 给 BMS 发送充电指令 ，同时吸合充电开关。

（5）BMS 控制上电后自检， 通过 CAN 给 接收充电机发送的充电指令。

（6）BMS 收到充电机发送的充电指令后， 检查充电开关是否吸合 ，如吸合，则返回充电准备好指令，准备充电，K5，K6吸合。

（7）充电机收到BMS准备好充电指令后，吸合K1，K2 开关，然后按照BMS 的充电协议开始充电，直至充电结束。

4 船用锂电池充电系统性能测试

按照中国船级社《钢制海船入级规范》2015版（第4分册）和《电气电子产品型式认可试验指南》2015版的要求，开展充电、干扰等性能试验。试验结果表明该船用锂电池充电系统能够满足船用电池组充电的需求。充电工况下，充电性能平稳，充满后自动断电，并且能够按照中国船级社的要求在故障状态下发出声光电报警。

5 结束语

通过对目前锂电池充电技术的分析，本文对适合船舶行业锂电池充电技术开展了分析与总结，并提出了船载交流充电机方案。在船用锂电池交流充电系统方案方面，提出了从岸电或者码头引入380V交流电为船用锂电池充电的全面解决方案，并且通过试验验证，该船用锂电池充电系统符合相关规范和指南的要求，满足现阶段新能源船舶充电的需求。

参考文献

[1]吴国凡.我国船舶污染的现状及对策[J].船海工程，2016，45（02）：51.54+57.

[2]孙玉伟，胡克容，严新平，汤旭晶，袁成清，潘鹏程.新能源船舶混合储能系统关键技术问题综述[J].中国造船，2018，59（01）：226.236.

[3]王旭，齐向东.电动汽车智能充电桩的设计与研究[J].机电工程，2014，31（03）：393.396.

[4]张晓军，谢辉迪，许剑锐，许招阳.基于STM32的智能充电桩嵌入式控制系统设计[J].电子测量技术，2017，40（02）：144.148.

[5]孟祥军，梁涛，王兴光，陈杰，李建祥.电动汽车智能充电桩的设计与实现[J].信息技术与信息化，2011，（06）：58.61.