大容量锂电池船舶动力系统设计

陈 卓，杨雅薇

大容量锂电池船舶动力系统设计

陈 卓1，杨雅薇2

（1.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

本文在当前已成熟应用锂电池船舶动力系统基础上，结合船舶规范要求以及对锂电池系统安全性考虑，针对大容量锂电池在船舶动力系统的应用进行设计，重点介绍了大容量锂电池组的并联充放电控制、整船动力系统拓扑结构以及直流配电保护策略，对大容量锂电池在船舶动力系统上的应用具有一定借鉴意义。

新能源 锂电池 船舶电力推进

0 引言

目前大多数锂电池动力船舶装机容量主要集中在几十千瓦时到几百千瓦时，仅有少量船只电池装机容量达到兆瓦时以上[1]。考虑到船舶的特殊应用环境，大容量船舶动力锂电池系统与陆用大容量锂电池储能系统以及车用小容量动力电池系统有着显著的区别。本文结合中国船级社2019年发布的纯电池动力船舶检验指南，针对大容量锂电池在船舶动力系统上的应用设计，主要包括大容量锂电池动力系统拓扑、锂电池系统充放电控制以及整船能量管理系统[2]。

1 大容量锂电池船舶动力系统拓扑

锂电池作为纯电动船动力的唯一来源，需要提供全船的日用用电，同时还需要满足船舶设计任意工况下的动力需求。因此电池系统不仅需要满足船舶设计的能量需求，还需要保证任何时刻下的功率需求。

1.1 大容量锂电池系统的分组及并联

图1 电池组通过DC/DC直流变换装置并联

常规小容量电池系统，由于电池电量较小，通常电池组直接并联后对外供电。当电池系统容量较大时，考虑电池系统的一致性以及环流等影响，不允许过多的电池组直接并联工作。

通过DC/DC直流变换器后在直流母线侧供电，可以有效的降低电池组一致性不同造成的环流等问题而导致电池系统安全性及使用寿命降低。与此同时，采用该方式并联还可以做到不同批次、不同容量、不同电压甚至不同品牌的电池系统同时给船上供电。

在系统处于放电模式时，锂电池DC/DC处于电压模式。如未采取均流措施，电池簇之间通过DCDC下垂特性进行被动调节，长时间工作可能会导致电池组间放电不一致。通过EMS（能量管理系统）增加主动均流功能可实现电池组之间放电更加均衡，有利于提高电池使用寿命。

电流均衡控制方式如下：

式中，ref为每簇电池均流给定，p为日用负荷功率，t为推进负荷功率，DC为直流母线电压，n为在网电池簇数量。

1.2 动力系统拓扑

与常规柴油发电机组不同，锂电池输出为直流电源，而船上主要用电负载均为交流电，需要通过电力变换设备将直流电变换为相应的电源提供设备用电。

图2 大容量纯电池动力系统拓扑

锂电池组由DC/DC变换器通过直流母排并联，通过直流组网方式提供全船电力；推进逆变器采用变压变频方式控制推进电机驱动螺旋桨，推进负荷的加载性能需要与电池系统的动态响应时间和加载能力相匹配；逆变电源将直流电源逆变为恒压恒频的三相交流电源供船上交流负载供电，如风机、水泵、空调及照明等，逆变电源具有过压、过流、欠压、过负载，过温、三相输出不平衡、自检、绝缘监测等保护。

2 直流配电及保护设计

按照规范的要求电气装置中应设有合适的保护电器，以能在发生包括短路在内的过电流和其他电气故障时对其进行保护。各保护电器的性能及其布置应能提供完善协调的自动保护，以保证在某处发生故障的情况下，通过保护电器的选择性作用确保无故障重要设备电路的供电连续性，消除故障的影响，从而减少对系统的损害和发生火灾的危险[3]。

直流配电系统是电动船动力系统核心，是全船供电及驱动控制的载体，集成了直流配电、直流保护、变频驱动及逆变电源（日用负荷逆变供电）等功能，对安全性、可靠性要求高。

在直流网的直流母线系统中，当某设备发生短路故障时，会在直流母线、变频器或者交流输出端出现明显的过电流，选择性保护应避免出现以下状况：

a)船舶全船失电；b)船舶丧失了操控性，即丧失推进的能力；c)上述原因导致的其它严重后果，例如船舶碰撞或者船舶失火等。

图3 保护方案及故障点分析示意图

直流配电系统主要保护器件为直流快速熔断器，通过锂电池和直流电路中的电容放电产生短路电流，将故障支路熔断器熔断[3]。

通过分析各支路的短路电流，结合熔断的弧前/熔断I2t值，实现直流配电系统的上下级保护，提高系统安全性，避免故障扩大化和全船失电的风险。

图4 某支路短路模型（上）短路电流曲线（下）

图5 某船短路选择性图表

3 船舶充电系统设计

锂电池充电通常采用恒流充电方式，由充电桩/充电设施提供充电电源。常规小容量的电池系统充电方式由充电桩直接与锂电池管理系统（BMS通信），BMS发送请求充电电流进行充电。大容量锂电池系统由于通过DC/DC并联，锂电池系统的充放电控制均由DC/DC来实现，因此充电设备不直接与BMS通信，需要经过船上能量管理系统（EMS）来实现充电控制，EMS根据电池SOC、允许的最大充电电流、充电设备可用充电功率以及DC/DC功率，综合判断可用充电功率。

根据码头充电设施配置情况，通常有2种充电方式：交流电源充电和直流电源充电。

图6 直流充电（上）交流充电（下）示意图

整个充电过程包括六个阶段：物理连接完成、低压辅助上电、充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段和充电线束阶段。

图7 充电流程

根据上述充电形式，充电过程保护主要有3个层级：码头充电设备、直流配电EMS和锂电池BMS，比常规充电方式安全性更高。

4 小结

本文介绍了一种大容量锂电池船舶动力系统的典型拓扑，重点对大容量锂电池组的并联方案和直流配电系统保护设计进行分析，确保动力系统的安全可靠，同时对船舶交直流充电系统方案进行设计，对大容量锂电池在船舶动力系统上的应用具有一定借鉴意义

[1] 周镇海. 浅析纯电动船的应用前景[J]. 中国水运, 2020(11): 109-110.

[2] 李强, 李天煜, 刘伟. 电动船舶标准现状及发展思路研究[J]. 中国标准化, 2019(21): 125-130.

[3] 耿鹏, 贾颜培, 李荻薇, 等. “君旅号” 电动船直流母排系统选择性保护仿真与试验研究[J]. 船电技术, 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

陈卓（1989-），男，高级工程师，研究方向：新能源船舶电力推进。E-mail: 15717101827@139.com