摘 要

由于时代的不断发展，不论是发展中国家还是发达国家都开始注重环保对于整个国家乃至整个世界都有着举足轻重的地位。相对于传统燃油船，电力推进系统更加有利于船舶系统，结构以及空间布局的优化，可以在一定程度上提高船舶内部的空间利用率，有利于制造，检修与维护。

论文基于电动汽车成熟的制造工艺，将其类比至电动船舶的研究中，由电动汽车的三个发展方向：蓄电池纯电动汽车，燃料电池汽车，混合动力汽车，可以将其延续到电动船舶的研究领域中：柴油发电机组 电动机推进模式、蓄电池 电动机推进模式、柴油发电机 蓄电池及电动机的推进模式。并且查阅数十篇中英文文献对船舶与蓄电池的特性进行分析。

本文主要通过分析磷酸铁锂离子电池的特点，选用高能磷酸铁锂电池为储能系统的动力传输系统，蓄电池模块后接负载，其变化根据船舶的负荷曲线来设置，并建立蓄电池电路的数学模型，进行蓄电池SOC估计，最后进行电池仿真实验与此推进系统的动态特性研究。

关键词：蓄电池船舶，蓄电池电路数学模型，仿真实验与推进系统动态特性研究

Abstract

Due to the continuous development of the times, both developing and developed countries have begun to pay attention to environmental protection, which has a decisive position for the entire country and the entire world. Compared with traditional fuel oil ships, electric propulsion systems are more conducive to the optimization of ship systems, structure and space layout, which can improve the space utilization rate inside ships to a certain extent, and are conducive to manufacturing, repair and maintenance.

The thesis is based on the mature manufacturing process of electric vehicles, and compares it to the research of electric ships, from the three development directions of electric vehicles: battery pure electric vehicles, fuel cell vehicles, hybrid vehicles, which can be extended to the research of electric ships In the field: diesel generator motor propulsion mode, battery motor propulsion mode, diesel generator battery propulsion mode. And consult dozens of Chinese and English documents to analyze the characteristics of ships and batteries.

This article mainly analyzes the characteristics of lithium iron phosphate battery, selects high-energy lithium iron phosphate battery as the power transmission system of the energy storage system, the battery module is connected to the load, its change is set according to the load curve of the ship, and the mathematical model of the battery circuit is established To carry out battery SOC estimation, and finally to carry out battery simulation experiments and the dynamic characteristics of this propulsion system.

Keywords: battery ship, mathematical model of battery circuit, simulation experiment and dynamic characteristics of propulsion system

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3锂离子电池 3

1.3.1 锂离子电池的发展历程与优缺点分析 3

1.3.2 锂离子电池的结构和工作原理 4

第二章 磷酸铁锂电池 5

2.1磷酸铁锂电池的工作原理 5

2.2 磷酸铁锂电池的特点 6

第三章 蓄电池数学模型 7

3.1对象船舶 7

3.2 Rint等效电路模型 9

3.3 Thevenin等效电路模型 9

3.4 PNGV模型 10

3.5 根据三种模型改进的二阶RC等效电路模型 10

3.6 高能磷酸铁锂电池为储能系统的动力推进系统 11

3.7船舶的负荷曲线 11

3.8 锂电池的SOC估算 12

3.8.1安时积分法 13

3.8.2开路电压法 13

3.8.3卡尔曼迭代滤波法 13

3.8.4改进的自适应无迹卡尔曼滤波法 15

第四章 实验与仿真分析 16

4.1 电池实验 16

4.2 基于仿真的推进系统动态特性研究 17

4.3 船舶推进系统加减速特性影响因素研究 18

结论 20

参考文献 21

致 谢 24

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

蓄电池船舶现在还在研究阶段，区别于传统船舶的动力系统：主动力装置，辅助设备，其他辅助机械装置，蓄电池船使用第三代船舶推进系统即船舶电力推进系统。但是电动汽车已经在中国，美国，日本，欧洲等主要市场服务了十多年，具有成熟的电动汽车技术，中国已经成为了世界上最大的电动客车市场，2015年筹建了23000家工厂。由于这项新技术的飞速发展以及不同国家对排放的严格要求，不计其数的公司在电动汽车的开发方面投入了大量的人力，物力和资金，始终坚持制造自己的新产品。为了促进电动汽车的发展，许多国家制定了一系列政策，包括购买电动汽车的优先政策和对传统燃料汽车用户的限制。并且在对于电动推进技术的科研经费的投入上有大幅度的上涨，这些有关政策都对电动汽车的发展有着很大的促进作用。在整体上看，电动船舶相比于电动汽车还处于整体落后的状态，但是电动汽车的三个发展方向：蓄电池纯电动汽车，燃料电池汽车，混合动力汽车，同样可以将其延续到电动船舶的研究领域中：柴油发电机组 电动机推进模式、蓄电池 电动机推进模式、柴油发电机 蓄电池及电动机的推进模式，三者分别对应汽车领域中的内燃机汽车、蓄电池电动汽车以及混合动力汽车。为了保证电动汽车的正常使用，电池模块的闪充技术应该在短时间内得到解决，相比于传统的柴油汽油运作的汽车，电动汽车的充电时间过长会导致电动汽车在行业内的竞争力有所下降，使其有时间方面的局限性，购买者也会考虑充电时间的因素。目前电动汽车的电池工艺初步发展中，容量可达到数百千瓦，可以适应普通小型车辆的技术条件，充电时间短。如用于船舶行业，此电池的容量仅能满足小型游船的电池容量，但是船舶不需要如同电动汽车数天就需给电池充电，所以在这方面的小缺陷可以在蓄电池船舶中得到弥补。由于需要快速运输，因此充电时间应尽可能短，同时，需要解决诸如安全充电的问题，为了实现快速安全的目标，必须对充电接口和充电程序进行有效的标准化处理，快速充电技术的关键是使用快速充电电池，该电池必须配备大型智能程序充电设备。智能需要体现在如自动化，节省人工以及对充电过程进行精确控制等方面。充电技术与电池容量问题解决，在大型船舶中就可以大范围使用，节省极大数额的燃油消耗。通常，无法将汽车尺寸与船舶尺寸进行比较，因此，学习快速充电技术和汽车设备只能解决小型船舶的技术问题，为解决中大型船舶的充电问题，必须将船舶本身的排水规格的大小结合起来。目前，这方面的进展仍然有限。

1.2国内外研究现状

随着储能技术的飞速发展，动力电池性能得到了巨大提升。新型动力电池具有较高的能量密度，在船舶、潜艇和汽车上得到了广泛应用。选用动力电池作为船舶动力源，在满足船舶功率需求的同时，具备能耗低、排放少和安静低噪的特点，是未来船舶发展的趋势之。国外动力电池在船舶中的应用起步较早，特别是在北欧和北美地区，在政府的大力推动下，取得了巨大的发展。应用动机主要是基于日益严格的排放要求和部分地区航运特殊需求等。船型集中在对系统的稳定性和舒适度要求较高的渡轮以及滚装船上，普通运输船舶上尚未有规模化的应用。

2007年，三峡库区与宜昌发中船务共同开展了节能环保型全自动电动旅游船在三峡库区的探索研究。该试验船可载28人，船长17.0 m，船宽3 m，吃水0.5 m。航速双机12 km/h，单机10 km/h。续航力双机60 km，单机100 km，主电机2×5.5 kW。经过环境检测部门的全面检测与同规模传统柴油机相比降低噪声40 %，节能约30 %。船舶在一次充电后左右机单机运转各七个多小时，具有较好的环保节能效益。