摘 要

船舶作为现代社会物流重要工具，具有运力大，单位运输能耗低，运输成本小等优点，但因单船能源消耗大，带来的污染排放很严重。当前，纯电池动力是减少污染的可行技术途径。但锂电池单一供能功率密度较低，而其与超级电容器组成的能量-功率型复合船用储能系统则可以满足船舶变工况条件下航行的能量供给需求。本文采用小波控制方法实现能量信号的高低频分解，通过模糊控制策略对分解出来的初步参考功率进行优化修正，修正后的低频功率由能量型的储能端电池供给，高频功率由功率型的储能端电容器承担，并在MATLAB/Simulink中建立上述复合船用储能系统模型，仿真实验。

研究结果表明：采用上述控制策略能够充分发挥储能端电容器功率特性和储能端电池能量特性，减少电池放电循环次数和放电深度，延长其运行期限。

本文的特色：针对复合船用储能系统采用小波分析及模糊控制进行能量管理，可以很好地适应船舶变工况下的功率需求。

关键词：船用复合储能；锂离子电池；超级电容；能量管理；小波分析；

Abstract

As an important tool of modern social logistics, ships have the advantages of large capacity, low energy consumption per unit transportation, and low transportation cost. However, due to the large energy consumption of single ships, the pollution emissions are very serious. At present, pure battery power is a viable technical way to reduce pollution. However, the single-energy power density of lithium batteries is low, and the energy-power composite marine energy storage system composed of supercapacitors can meet the energy supply requirements for navigation under variable conditions. In this paper, the wavelet control method is used to realize the high and low frequency decomposition of energy, and the preliminary reference power is optimized and corrected by the fuzzy control strategy. The corrected low frequency power is supplied by the energy storage end battery, and the high frequency power is stored by the power type’s energy capacitor. The above-mentioned composite marine energy storage system model and simulation experiment are established in MATLAB/Simulink.

The research results show that the above control strategy can fully utilize the power characteristics of the energy storage capacitor and the energy characteristics of the energy storage end battery, reduce the number of battery discharge cycles and the depth of discharge, and extend the operating period.

The characteristics of this paper: for the composite marine energy storage system using wavelet analysis and fuzzy control for energy management, can be well adapted to the power requirements of the ship under variable conditions.

Key Words：Marine composite energy storage; lithium-ion battery; super capacitor; energy management; wavelet analysis;

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 2

1.3本文主要研究内容 3

1.4本章小结 3

第2章 系统结构设计 4

2.1系统核心组件 4

2.1.1锂离子电池 4

2.1.2超级电容 5

2.1.3双向DC/DC变换器 6

2.2系统拓扑结构 8

2.2.1直连式 8

2.2.2串连式 8

2.2.3并连式 9

2.3系统运行状态 9

2.4系统配型及参数确定 10

2.4.1锂离子电池选型 10

2.4.2超级电容选型 11

2.5本章小结 11

第3章 核心组件模型 12

3.1磷酸铁锂电池建模 12

3.1.1一阶RC等效模型 12

3.1.2模型状态方程的确立 12

3.2超级电容建模 13

3.2.1超级电容经典等效模型 14

3.2.2模型状态方程的确立 14

3.3双向DC/DC变换器建模 15

3.3.1双向DC/DC变换器原理概述 15

3.3.2双向DC/DC电路参数设计 16

3.3.3双向DC/DC电路simulink仿真模型 16

3.4本章小结 17

第4章 小波模糊功率分配策略 18

4.1小波基础 18

4.2小波信号处理 19

4.2.1Mallat算法 19

4.2.2信号处理步骤 20

4.3小波函数 20

4.4模糊修正策略 21

4.5本章小结 22

第5章 系统控制策略仿真验证 23

5.1小波模糊控制策略模型 23

5.1.1控制流程 23

5.1.2小波模糊控制策略设计 24

5.2小波的初分解 24

5.2.1小波类型及层数的选择 24

5.2.2小波初分解图像分析 25

5.3模糊控制器 26

5.3.1模糊变量 26

5.3.2隶属函数 26

5.3.3模糊控制规则 27

5.3.4模糊求解 29

5.4船用复合储能系统控制模型 29

5.4.1控制原理分析 30

5.4.2复合储能系统模型搭建 30

5.5系统模型仿真验证 31

5.5.1船用复合储能系统仿真工况 31

5.5.2船用复合储能系统仿真结果分析 31

5.6本章小结 34

第6章 总结与展望 35

6.1总结 35

6.2展望 35

参考文献 36

致 谢 38

第1章 绪论

随着科技发展，新能源利用技术逐步成熟，交通物流行业也成为能源高效清洁化的一大领域。船舶是当今重要的物流工具，实现其新能源化是社会发展的重要目标。近年来，IMO、欧盟等组织相继引入各种法规降低船舶污染。漏油事故是船舶造成污染的一个重要方面，一次漏油事故可能造成局部水域水质极端恶化，当然除漏油事故外，航行过程造成的延续污染也十分恶劣^[[1]]。码头进出的运输船带来经济效益的同时，也污染了码头附近区域的环境 ^[2]。据估计，就拿国家运输船来说，如果燃油质量得到改善，每年可以减少二氧化硫排放约950000吨，每年可以减少PM排放约110000吨。港口区域受航运污染最为恶劣，然后是沿江河岸区域。国际海事组织曾提议根据二氧化碳输出量和载物效能的比率来评价船舶的能源效率，其意义是防止航运的排放对水域造成严重污染^[3]。为减少甚至杜绝船舶造成的各种污染，电动船舶顺势而生，其在中短航程、中小货量的江河航运船舶队伍中的应用受到了很大的重视。

1.1课题研究的目的及意义

电动船舶凭借着其高效率零污染的特点受到航运界的关注，然而目前储能技术和成本仍然限制着电动船舶的整体推广。近年来储能电源技术的优化改进使锂离子动力电池表现出了巨大的发展潜力，其零记忆效应、高平台电压、高能量密度、低自放电率和强安全性等众多优点受到了很多科研人员的青睐。然而，电动船舶航行期间不可避免会遇到恶劣海况，储能端动力电池虽有高的能量密度，但是其功率密度相对较低，导致其在船舶过渡工况下无法有效地瞬时大电流充放电，影响了整船的工作效率，且对电池的损害较大，缩短其运行期限。而超级电容器在充电和放电过程中均不出现化学反应，响应速度十分之快，且它具有较高的功率密度，允许瞬时大电流充放电。由于成本和占地空间的问题，能量密度较低的超级电容器一般不单独使用，故将其结合价格相对经济的锂离子动力电池来构成船用复合电源系统是解决船用储能技术可行的方法。

能量-功率型复合船用储能系统可以满足船舶变工况条件下航行的能量供给，能充分发挥储能端电池的高能量特性和储能端电容器的强功率特性，除此之外良好的能量管理策略可以在稳定直流母线电压波动的同时，减少储能端电池频繁的充放电，这对提高其运行期限大有裨益^[4]。本文主要研究能量-功率型复合船用储能系统的能量管理，通过有效的能量控制策略来提高此船用储能系统的性能。

1.2国内外研究现状

复合船用储能系统在国内外研究的重点在于船舶的能量分配。在国内电动船舶领域，2017年由广船国际建造的首艘两千吨级电动航运船横空出世，其复合船用储能系统（锂离子电池 超级电容器）能提供大的功率输出，船全长七十余米，可提供320KW推进功率。2018年由中国船舶重工集团联合地区船厂设计的纯电动船舶“漓江之梦”在珠江首次亮相，该船全长30m，单次航程可以提供110KW的功率储量，其采用锂离子电池源作为动力源，核载人数可以达40余人。在国外电动船舶领域，美国纽约北部的Motor Yachts公司一百多年来都致力于电动船舶的研究，其研发的EP9.9型号纯电动艇推力可达130～140磅，与同型号的汽油动力艇相比毫不逊色，且其还配置有水冷式发动机。德国制造公司TORQEEDO公司研发的DEEP BLUE80T发动机是一种船舶舷外发动机，其售价虽相对较高，但是其零污染且功率可达75马力，在同型号发动机中性能相对优越。

1.2.1国内研究现状

针对船用复合储能系统，国内部分高校也进行了相关研究。北京交通大学的姜久春、刘月晨团队针对复合储能系统中的组件超级电容和锂离子动力电池提出了实时监测的能效反馈方法 ^[5]。武汉理工大学的杨诚针对某型号挖泥船采用超级电容器模块和蓄电池模块组成复合船用储能系统来应对负载信号频率波动^[6]。华南理工大学的罗玉涛,刘秀田,梁伟强,阮旭松等人为解决锂离子动力电池的局限性问题，提出了基于NEDC的电网参数匹配方法，以此来延长锂离子动力电池的运行期限^[7]。

1.2.2国外研究现状

国外目前主要采用的有规则的能量管理方法及能量管理的优化方法，所谓规则的能量管理策略就是根据专业知识的推理在船舶航行前就确定好能量分配的管理策略^[8]。其中优点最为突出的是Nguyen A,Lauber J,Dambrine M等人采用的基于预测的能量管理方法，其根据船舶航行历史数据来预测接下来的航行状态,该方法能较好地维持磷酸铁锂电池和超级电容器荷电状态的稳定^[9],该方法的缺点是电动船舶在设定的路线内无法执行实时任务,且无法预知船舶即将遇到的各种复杂海况。

能量管理的优化方法:整体优化方法是通过统计船舶过去的功率需求对电动船舶整个航程中的等效燃油效率的代价函数进行最小化计算。Song Z,Hofinann H,Li J等人指出如果最佳控制了复合船用储能系统的能源效率,那么电动船舶复合储能系统产生的能量就可以在最合适的时刻出现并保存,最大化减少能量消耗^[10]。

1.3本文主要研究内容

高频功率的冲击会减小锂离子电池的运行期限，所以需要有适当的船舶负载分配策略，利用小波分析可以将功率信号进行高低频分解，将船用负载信号的高频功率滤去，避免其对电池造成损害。虽然利用小波分析进行高低频分解大有裨益，但是这种方法没有考虑到船用储能系统各部分的实际荷电状态，所以本文引入模糊控制来修正功率分配系数。具体研究内容如下：

（1）分析储能端电池和超级电容器的运行特征，分别选择其合适的配型，在Matlab/Simulink中搭建能量-功率型复合船用储能系统模型；

（2）对此复合船用储能系统采用小波分析加模糊控制的方法进行功率分配，对控制策略进行研究分析，确保能够使锂离子动力电池的高能量密度特性和超级电容器的强功率密度特性得到充分发挥，改善不同海况下船舶内部运行的动态性能；

（3）通过仿真来验证此种复合船用储能系统控制策略的正确性。

1.4本章小结

本章主要介绍了复合船用储能系统的研究目的及意义，探讨了国内外对于船用储能系统研究的方向，其中主要包括目前国内外研发出的一些电动船舶成功实例以及国内外科研团队对于复合储能技术的研究走向，明确了本文的主要研究内容及目标。

第2章 系统结构设计

2.1系统核心组件

2.1.1锂离子电池

表2.1为常见锂离子电池性能比较^[11]：

表2.1 常见锂离子电池性能比较表

由表2.1可知，磷酸铁锂动力电池在供能属性、过渡金属属性、环保性、安全性能及适应温度范围等方面综合表现出了巨大的优势，具体如下：

（1）适用温度范围大，磷酸铁锂电池最高可在-20～75℃下工作；

（2）安全性能好，其内部无放射性金属；

（3）储量十分丰富，自放电小，无记忆效应。

图2.1 磷酸铁锂电池放电特性曲线

从图2.1可看出，放电电流数值越大（从0.2C-0.5C-1C），电池电压下降的速度也随之增大，且过充过放均会对电池内部石墨层和墨片层产生不利影响。为减缓航行过程中对电动船舶储能电池的这种损害，超级电容器就可以很好地应用到船用复合储能系统中^[12]。

2.1.2超级电容

超级电容器件可减少不同海况下船舶的暂态功率对磷酸铁锂动力电池的损害，在船舶进出码头时快速回收停船制动的能量，延长船舶的航程^[13]：

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