1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 课题研究的目的及意义：

随着社会的发展，新能源正在席卷能源消费的各个领域。作为现代社会重要的交通工具，船舶也成为新能源化对象。近年来，随着全球环保意识的不断增强，海运业造成的气体排放污染（so_x、no_x、co₂、颗粒物等）及水污染已经引起了广泛关注，imo、欧盟等也不断出台相应法规，对各类污染进行控制。

据交通运输部统计，1973年至2014年，我国沿海地区共发生船舶溢油事故约3200起，总溢油量约42936吨，其中溢油量50吨以上的重大溢油事故91起。除了单次的突发性事件外，船舶航行带来的持续性环境污染也相当严重。进出港船舶虽然带来货物和经济发展，但也加剧了港口和周边地区的空气污染及水污染。经估算，仅全国运输船舶（不包括渔船），如果提高燃油品质，可使二氧化硫排放量每年削减约95万吨，pm排放每年削减约11万吨。环保部监测结果则显示，2013年全国船舶二氧化硫排放量约占全国排放总量的8.4%，氮氧化物排放量占11.3%。受船舶污染影响最大的是港口城市，其次是江河沿岸城市。

船舶污染的问题，在倡导清洁、绿色的今天显得非常突出。因此也引来了监管部门政策持续关注。此前交通部印发《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015-2020年）》，制定未来几年船舶与港口污染防治的时间表和路线图。根据规划，到2020年，珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶硫氧化物、氮氧化物、颗粒物与2015年相比大幅下降。同时，按照新修订的船舶污染物排放相关标准，2020年底前完成现有船舶改造，经改造仍不能达到要求的，限期予以淘汰。2016年5月1日起，经修订的《防治船舶污染内河水域环境管理规定》正式实施，规定新增对防治船舶污染大气的要求，明确船舶使用的燃料应当符合国家或地方有关标准之外，鼓励船舶使用清洁能源，并在船舶靠港后应当优先使用岸电，减少船舶靠泊时对港口城市造成的大气污染。整治船舶污染，首推船舶动力的电动化，而这在中短途运输、中小量运输的内河航运船舶上率先启动。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 课题研究内容及目标

1. 分析锂离子电池和超级电容的工作性能，选择其合适的配型，在Matlab/Simulink中搭建能量-功率型复合储能系统模型。

2. 对此复合储能系统选择一种合适的控制策略，对此控制策略进行研究分析，以改善复合储能系统在变工况下的动态性能。

3. 仿真验证储能系统控制策略的有效性和可靠性。

2.2 技术方案

2.2.1锂电池

锂电池通常分为两大类，即锂金属电池和锂离子电池。

锂金属电池：锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

锂离子电池：锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

虽然锂金属电池的能量密度高，理论上能达到3860瓦/公斤。但是由于其性质不够稳定而且不能充电，所以无法作为反复使用的动力电池。而锂离子电池由于具有反复充电的能力，被作为主要的动力电池发展。但因为其配合不同的元素，组成的正极材料在各方面性能差异很大，导致业内对正极材料路线的纷争加大。

通常我们说得最多的锂离子动力电池主要有磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池以及镍酸锂电池。

下表为上述常见锂离子电池性能比较

表1 常见锂离子电池性能比较表

	磷酸铁锂	锰酸锂	钴酸锂	镍酸锂
理论能量密度	170	148	286	274	274
实际能量密度	130-140	100-120	200	135-140	190-210
电压	3.2-3.7	3.8-3.9	3.4-4.3	3.6	2.5-4.1
循环性能	gt;2000	gt;500	差	gt;300	差
过渡金属	非常丰富	丰富	丰富	贫乏	丰富
环保性	无毒	无毒	无毒	钴有放射性	镍有毒
安全性能	好	良好	良好	差	差
适用温度范围	-20-75℃（-20℃以下无法工作）	50℃以上快速衰减	高温不稳定	-20-55℃（范围之外衰退严重）	N/A

本文拟选用的是磷酸铁锂电池，由表1可知，磷酸铁锂电池是一种化学电池，循环寿命长达 2000 次以上，相比表中其他锂电池而言，磷酸铁锂电池具有较高性价比，放电电压稳定，可以随充随用不需要先放完再充电，使用起来更加便捷。磷酸铁锂电池被广泛应用在复合储能系统中，与其他常用储能元件相比，磷酸铁锂电池具有以下优势：

1. 循环寿命长，据了解，铅酸电池的循环寿命大约为300次~500次，而磷酸铁锂电池的循环寿命高达2000次以上，电池循环寿命长便可以节约使用成本；

2. 高温性能好，磷酸铁锂电池最高可在350℃~500℃下工作，而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右，可见磷酸铁锂电池具有耐高温特性；

3. 充电速度较快，和其他电池相比磷酸铁锂充电迅速，可大电流2C进行充电，这是铅酸电池不可替代的；

4. 没有记忆效应，像镍氢、镍镉电池在充满不放完电的情况下工作时，电池容量会低于额定容量的，这种现象被称作具有记忆效应，而磷酸铁锂电池没有记忆效应，可在任何状态下使用，不需要先放完再充电，非常便利。

   

   图1 磷酸铁锂电池放电特性曲线

   从图1可看出，放电电流越大，电池电压下降的越快，因此在使用磷酸铁锂电池时尽量避免大电流充放电，大电流的冲击会造成锂电池的使用寿命缩短。由此可知，磷酸铁锂电池作为电动船舶唯一动力源存在一些弊端，船舶航行过程中会遇到不同的海况，海况的突然变化会导致功率的瞬时变化，瞬间大电流对电池的冲击会影响电池的使用寿命，为减缓船舶航行过程中对电池的这种损害，可以在电动船舶储能系统中加入具有高比功率特性的超级电容。

2.2.2超级电容

超级电容，又名电化学电容，双电层电容器、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。它在储能过程中不发生化学反应，因此充放电速度很快，它主要依靠双电层和氧化还原反应来储存电能，且储能过程可逆，可以反复进行充电放电达到十万次，其循环寿命十分长，从而可以降低使用成本。超级电容的高功率密度，反应速度快和循环寿命长的优点确定了其在储能装置中的重要地位。超级电容与锂电池组成复合储能系统时，利用超级电容的高效大功率充放电能力可以减少船舶在不同海况下对电池的损害，起到削峰填谷的作用，且可在船舶进出港时吸收或者利用制动能量，延长船舶航程。

超级电容是一种无污染的新型理想储能装置，具有其他电池不可比拟的如下特性：

1. 很小的体积下达到法拉（F）级的电容量；

2. 无须特别的充电电路和控制放电电路；

3. 和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；

4. 超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题。

   

   图2 超级电容充电特性曲线

   从图2可以看出，超级电容充电过程中电容器的电压随时间呈线性变化，且充电电流越大电压上升速度越快，充电时间越短。

   

   图3 超级电容放电特性曲线

   由图3可知，超级电容放电过程中电容器的电压和放电时间也呈现线性关系，可以大电流的放电，性能稳定。

   

   图4 超级电容自放电曲线

   由图4可知，超级电容的结构和储能原理决定了其适合短时大电流大功率充放电，能够满足电动船舶航行过程中变工况下对功率的需求，可以弥补蓄电池在此方面的不足，减小对蓄电池的损害并延长其使用寿命。应当注意的是，当超级电容器的端电压较低时，放电电流的增大会导致放电效率的降低，因此为了保证超级电容具有良好的工作效率，需保持超级电容的端电压在额定电压的一半以上。

2.2.3复合储能系统结构

锂离子电池-超级电容复合储能系统的常用拓扑结构如下所述。

1. 直连式结构。直连式拓扑结构如图5所示，该结构将锂离子电池与超级电容模块直接并联在直流母线上，直流母线直流电通过逆变器转换为三相交流电。该拓扑结构的优点是系统结构简单且成本较低。但该结构存在明显的缺点，无法控制储能系统内部功率分配，导致该拓扑结构既无法发挥超级电容功率密度大的特点，也无法发挥锂离子电池能量密度大的优势。

   

   图5 直连式结构

2. 串连式结构。串联式结构是在直连式结构的基础上，在锂离子电池或超级电容间加入一个双向DC/DC，一定程度上实现了不同储能模块间的功率分配功能。根据DC/DC的位置不同，串联式结构分为两种结构形式。如图6a所示，该串联结构在锂离子电池与系统直流母线之间加入了DC/DC变换器。该结构所需的DC/DC功率较小，但系统大部分电能两次通过DC/DC变换器，功率分配导致的能量转移损失较大。如图6b所示，该串联结构在超级电容与直流母线之间加入DC/DC变换器。该结构所需的DC/DC功率较大，成本较高，系统内仅小部分电能流经DC/DC变换器，功率分配导致的能量转移损失较大。
   

   

   a

   

   b

   图6 串联式结构

3. 并联式结构。如图7所示，该结构将锂离子电池、超级电容和总线全部解耦，这就使得两种储能介质的功率以及总线电压都可控；但该结构较为复杂，成本较高，并且由于储能系统的电能的充放都需要通过DC/DC，造成系统的能量损耗较大。

   

   图7 并联式结构

   综上所述，在考虑各方面因素之后，对复合储能系统选择合适的拓扑结构十分重要。

   

   图8 复合储能系统能流控制原理

复合储能系统能流控制原理如图8所示。其中，双向DC-DC变换器由升压BOOST电路和降压BUCK电路反向并联而成。开关管S1和续流二极管D2构成BUCK电路，工作在储能系统充电模式；开关管S2和续流二极管D1构成BOOST电路，工作于储能系统放电模式。控制电路则通过能流控制器实时采集变换器电感电流、储能侧电压和直流母线电压等参数，运用脉冲宽度调制技术(PWM)生成PWM控制信号驱动DC-DC变换器，实现能量在储能侧和母线侧的双向流动。

3. 研究计划与安排

序号	各阶段内容	时间安排
1	阅读国内外相关文献	2019.02.01-0.19.03.01
2	设计合理的控制策略	2019.03.01-0.19.05.01
3	仿真及实验验证	2019.04.01-0.19.05.20
4	毕业论文书写	2019.05.20-0.19.06.01

4. 参考文献（12篇以上）

[1] kim m y，kim c h，kim j h，et al.a chain structure of switchedcapacitor for improved cell balancing speed of lithium-ionbatteries[j].industrial electronics，ieee transactions on，2014，61（8）：3989-3999.

[2] liangcai-hao, duan xian-zhong. distributed generation and its impact on power system[j]. automation of electric power systems, 2001, 25(12): 53-5 6.

[3] chen mand rincon-mora g a. accurate electrical battery model capable of predictingruntime and i-v performance [j]. ieee transactions on energy co nversion ,2006, 21(2):504-511