摘 要

考虑到近年来，超级电容、锂聚合物蓄电池等新型储能技术得到飞速发展，储能容量、使用寿命等性能指标都有显著的提高，并且已有很多应用到陆地混合动力系统的实例，本课题对纯电动推进系统的性能进行了分析。

本课题要改造的船舶为额定功率为180千瓦的苏州河90客位游览船，通过本课题的设计，使变频驱动过程代替原有的燃油驱动的过程，实现苏州河90客位游览船纯电动推进系统。

本课题中的动力系统应用了超级电容加动力锂电池的储能技术，首先对动力锂电池、超级电容的工作原理、充放电特性等进行了阐述，并分别对锂电池和超级电容进行了选型。然后利用Matlab对纯电动推进系统进行建模，建模过程中，用到的Ideal Switch模块对超级电容和锂电池进行了简单配比，使超级电容的功率特性得到充分的发挥与应用。然后，对纯电动推进系统的安全性做了简要的介绍。

最后，对设计好的模型进行模拟仿真，并对仿真结果进行分析，比较纯电动推进系统与传统的燃油驱动系统性能的优劣。

关键词：锂电池、超级电容、储能技术、变频驱动

Abstract

In recent years, super capacitor, lithium polymer battery and other new energy storage technology have been rapid development, storage capacity, life and other performance indicators have improved significantly, and there are many examples of the application to terrestrial hybrid system, The performance of the electric propulsion system is analyzed in this issue.

In this issue, the transformation of the vessel is Suzhou River tour boat, which has 90 class and its rated power is 180kw. Through this project’s design, Variable frequency driving process can be implemented instead of the original fuel-driven process, to achieve the Suzhou River tour boat Class 90 electric propulsion system.

The power system in this issue utilizes super capacitor plus lithium battery technology, first, the theory of the lithium battery and super capacitor, the charge and discharge characteristics of the lithium battery and super capacitor are described. And selecting the appropriate lithium battery and super capacitor. Then to model the electric propulsion system by Matlab. In the modeling process, Let the super capacitor and lithium battery have a simple ratio through the Ideal Switch module so that it makes the super capacitor’s power characteristics into full play and application. Then, The safety of the electric propulsion system is introduced.

Finally, let the designed model simulate in the Matlab and analyzing the simulation results, finding the advantages and the disadvantages of the pure electric propulsion system and the fuel-driven system.

Key Word：lithium battery、super capacitor、energy storage technology、variable frequency drive

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 纯双电动船的研究现状 1

1.3 90客位游览船概况及设计目的 2

1.3.1 90客位游览船改造前后概况 2

1.3.2 设计目的 2

1.4 Matlab概述 2

1.4.1 Matlab简介 3

1.4.2 Simulink仿真系统 3

第2章 动力锂电池性能分析与建模 4

2.1 动力锂电池的国内外研究现状 4

2.2 动力锂电池的工作原理 4

2.3 动力锂电池的充放电特性 5

2.3.1 通用的电池模型 5

2.3.2 动力锂电池的充放电曲线 7

2.4 动力锂电池的充放电模型 9

2.5 动力锂电池的选型 10

2.5.1 锂电池容量计算书（含全船用电设备） 10

2.5.2 低压锂电池容量计算书 11

2.5.3 动力锂电池的选择 11

第3章 超级电容性能分析与建模 13

3.1 超级电容的国内外发展现状 13

3.2 超级电容的工作原理 13

3.3 超级电容的建模与仿真 14

3.3.1 超级电容的通用模型 14

3.3.2 超级电容的充放电模型 15

3.4 超级电容的选型 17

3.4.1 纯双电动船需求的瞬时功率计算 19

3.4.2 超级电容的选择 20

第4章 纯双电动船推进系统的模型分析与仿真 21

4.1 电动机模型 21

4.2 DC/AC转换器 23

4.3 控制器的设计 23

4.3.1 Ideal Switch模块 24

4.3.2 瞬时强劲功率的实现 24

4.3.3 功率变化的判断 26

4.3.4 纯电动船的启动、紧急加速、紧急制动工况 27

4.4 纯电动船的经济性 31

第5章 纯双电动船的安全性分析 33

5.1 纯电动船的安全 33

5.1.1 动力电池的安全性 33

5.1.2 绝缘检测 33

5.2 电动船的安全性预防 34

第6章 总结与展望 35

参考文献 36

附录A 37

致 谢 38

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

21世纪环境保护和能源危机毫无疑问成为全世界最为关注的问题。能源作为人类赖以生存与发展的物质基础，随着世界经济的持续、迅猛发展，能源短缺问题日渐显现，能源供需矛盾日益突出。与此同时环境污染、生态恶化等问题逐渐加深，严重影响到人类的生活环境。根据专家预测，按照目前世界能量消耗速率，石油和天然气资源最多只能维持到2050年左右，煤炭也只能维持一百年到二百年。船舶行业作为能源高消耗行业，在能源日益枯竭之际，节能减排是必须之举。采用纯电动系统驱动^[1]后，其外部的动力特性指标优于原燃油系统，航速指标上升，能耗下降。这对解决环境污染、生态恶化、能源短缺等问题有着重要意义。

船舶在不稳定操作时使用单一的锂电池系统^[2]可能是不合适的。由于船舶的加速和海况的改变，船舶的电力系统也会有显著的改变。并且由于锂电池系统缓慢的响应动态，一个单一的锂电池系统可能无法完全满足由于电池的限制来跟踪快速的负载变化的船舶的动力需求。此外，船舶操作负荷的波动也可能会引起燃料供应不足，水浸等，这将损害锂电池系统，并降低其寿命^[3]。此外，如果锂电池系统单独提供船舶的所有电力需求，这将增加电池的大小和锂电池系统的成本。超级电容能量存储系统^[4]配合锂电池系统的使用可以降低系统成本，提高整个船舶电力系统的动态性能，增加电池寿命并且由于它可回收制动能量，提高了燃油经济性^[5]。通过本课题的研究，完成新能源纯电动（超级电容 动力锂电池）推进系统的方案设计和建模仿真。

1.2 纯双电动船的研究现状