摘 要

面对环境问题、能源危机和国际强制性法规，绿色船舶是未来航运发展的方向和必然趋势，混合动力是电动绿色船舶具有潜力的动力形式。锂离子动力电池具有无记忆效应、平台电压高、能量密度大、自放电率低和安全性高等众多优点，能很好的满足了内河小型混合动力推进船舶的储能需求。针对能量型和功率型锂离子电池不同工作特性，设计半主动式船舶混合动力锂电池系统拓扑结构，由能量型磷酸铁锂电池作为主动力源，提供稳定输出功率，功率型三元锂电池作为辅助动力源，提供峰值功率。本文提出基于模糊控制功率分配策略，采用PI控制技术稳定直流母线电流，并控制三元锂电池剩余电量(State Of Charge，SOC)，在MATLAB/Simulink仿真软件环境下，搭建混合动力系统控制策略仿真模型，仿真实验结果验证了控制策略的有效性，充分发挥三元锂电池功率特性和磷酸铁锂电池能量特性，减少磷酸铁锂电池放电循环次数和放电深度，延长其使用寿命。

关键词：混合动力；锂电池；拓扑结构；双向DC/DC；模糊控制

Abstract

In the face of environmental issues, energy crisis and international mandatory regulations, green ships are the direction and inevitable trend of future shipping development. Hybrid power is the driving force for electric green ships. Lithium-ion power batteries have many advantages such as no memory effect, high platform voltage, high energy density, low self-discharge rate, and high safety, which can well meet the energy storage needs of the small-scale hybrid propulsion ship in the Intra-river. Aiming at different operating characteristics of energy-type and power-type lithium-ion batteries, a semi-active hybrid battery system topology is designed, and an energy-type lithium iron phosphate battery is used as a main power source to provide a stable output power, and a power type three-element lithium battery is used as an auxiliary power source to provide peak power. This paper proposes a fuzzy control power allocation strategy, using PI control technology to stabilize the DC bus current, and limit the State of Charge (SOC) of the ternary Lithium battery. Under the environment of MATLAB/Simulink simulation software, the hybrid power system control strategy is simulated. The model and simulation results verify the effectiveness of the control strategy and give full play to the power characteristics of the Lithium-ion battery and the energy characteristics of the lithium iron phosphate battery, reducing the number of discharge cycles and discharge depth of the lithium iron phosphate battery, and prolonging its service life.

Key words: Hybrid power; Lithium battery; Topology; Bi-directional DC/DC; Fuzzy control

目 录

摘 要 I

Abstract I

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 2

第2章 船舶混合动力锂电池系统拓扑结构 3

2.1 蓄电池概述 3

2.1.1 动力电池分类及其优缺点 3

2.1.2 常见锂离子电池的正极材料 4

2.2 混合储能系统不同构型性能分析与比较 4

2.2.1 主动式 5

2.2.2 被动式 5

2.2.3 半主动式 5

2.3 系统拓扑结构和工作模式 6

2.4 船舶混合动力锂电池系统初步配置 7

2.4.1 磷酸铁锂电池选型 7

2.4.2 三元锂电池选型 8

第3章 船舶混合动力锂电池系统模型搭建 9

3.1 锂电池模型 9

3.1.1 Thevenin等效电路 9

3.1.2 电路数学分析 9

3.2 等效电路参数辨识 10

3.2.1 HPPC实验 11

3.2.2 HPPC实验参数辨识结果 12

3.3 参数辨识Simulink模型 16

3.4 参数辨识结果分析 16

3.5 SOC估算模块 18

3.6 Simulink等效电路建模 19

第4章 双向DC/DC变换器 20

4.1 双向DC/DC变换器概述 20

4.2 变换器工作原理 20

4.3.1 Boost工作模式 21

4.3.2 Buck工作模式 22

4.3 电路参数设计 23

4.4.1 IGBT开关频率 24

4.4.2 电感量计算 24

4.4.3 输入、输出电容计算 24

4.4 IGBT损耗模型 25

4.5 变换器Simulink模型 25

第5章 船舶混合动力锂电池系统功率分配策略研究 26

5.1 模糊控制策略 26

5.1.1 控制原理分析 27

5.1.2 模糊控制策略设计 27

5.2 模糊控制器设计 28

5.2.1 输入输出变量确定和模糊划分 28

5.2.2 确定隶属函数 29

5.2.3 模糊控制规则 29

5.2.4 解模糊输出 31

5.3 电流控制 32

5.3.1 PI控制器 32

5.3.2 数学模型分析 32

5.3.3 负载扰动抑制 33

5.3.4 抗饱和 34

5.3.5 PI电流控制Simulink模型 34

5.4 SOC控制 34

5.5 船舶仿真工况 36

5.6 Simulink仿真结果 36

第6章 总结与展望 39

6.1 工作总结 39

6.2 后期展望 39

参考文献 41

致 谢 43

绪论

课题背景及意义

“一带一路”战略的实施，使国际贸易和航运需求急剧增加，水上运输成为最经济的运输方式之一，因此该战略为中国航运业提供更为广阔的发展空间。2009年7月13日，国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）环保会上颁布了新船能效设计指数(Energy Efficiency Design Index, EEDI)，即通过CO₂ 排放量和货运能力的比值来衡量船舶能效水平，目的是限制船舶的排放污染海洋环境^[1]。当大幅度的增加投入运营船舶， CO₂及其他污染排气对环境所造成的污染问题，成为了社会密切关注的话题。另一方面，能源利用方面，据调查数据显示，全球石油约5000亿吨，截至目前开采已经超过25%，预测原油和天然气将分别在40年和64年后消耗殆尽^[2]。在国际环境下，2013年开始强制施行的MARPOL公约附则VI，限制新造船舶排放NO_X、SO_X，同时美国等发达国家也禁止采用内燃主机的船舶在湖泊区域航行^[3]。因此面对环境问题、能源危机和国际强制性法规，绿色船舶是未来航运发展方向和必然趋势。

混合动力是电动绿色船舶具有潜力的动力形式，随着混合储能技术的发展，利用燃料电池、超级电容及蓄电池等作为船舶电力推进动力，已经得到了广泛应用。燃料电池能量转化效率高，不产生污染环境的排放气体，但目前氢的制备、运输和存储技术达不到标准，且单体功率较低，成本高，推广受到限制。超级电容具有很高的功率密度，循环使用寿命长，但其能量密度极低，约为锂电池能量密度的十分之一，导致其续航能力严重受到制约。随着动力电池技术的日益发展，锂离子动力电池表现了强大的发展潜力，其具有无记忆效应、平台电压高、能量密度大、自放电率低和安全性高等众多优点，能很好的满足了内河小型混合动力推进船舶的储能需求。

针对不同种锂电池工作性能，本文设计由功率型锂电池与能量型锂电池组成的船舶混合动力锂电池系统，作为船舶主机推进动力系统。与常规的机械推进相比，具有经济性好，降低化石能源消耗，实现节能减排目标；同时船舶振动和噪音小，船员生活舒适度大幅度提高。在舰船的应用中，提高了其操作的隐蔽性^[4]。

国内外研究现状

混合动力系统在国内外研究中，具有很长的发展历程，其研究的重点在于能量管理系统及控制策略，研究的目的是：在满足动力推进性能的前提下，不同的工作状况中，将能源合理分配，协调控制；提高船舶航行的经济效益，并达到节能减排的目的^[5]。最近几年由于锂电池技术发展迅猛，在国内外混合动力船舶研究中，取得很大的进步。

国外研究现状

2000年，澳大利亚发明家Robert Dane研发了一艘混合动力商用客船“Solar Sailor”号太阳能渡船，依靠太阳能、风能、蓄电池和一个备用的燃油发电机可驱动40kW的推进电机，最大航速为每小时7.5海里，该渡船航行时无噪声，使用发电机的频率只有10%，温室效应气体排放量大幅度减少，且营运经济效益好，在3-5年内就能收回成本^[6]。

2007 年12 月15日，全球第一艘用风筝拉动的货轮“白鲸天帆号”由德国汉堡市起航，安装超轻合成纤维巨型风筝，以提供辅助动力，根据风力状况可节省10%至35%的燃料；风力最理想的短期间甚至可节省50%的燃料^[7]。

2015年8月，荷兰轮船制造商推出了Savannah号游艇，作为全球第一艘油电混合动力超级游艇，使用柴油发动机、混合使用柴油机和电力、或者只使用电力三种工作方式航行，节省30%的燃料使用。

国外研究现状

2010年，通过中国船舶重工集团702及712研究所联合设计，“尚德国盛”号混合动力游船在上海世博会首次亮相，采用太阳能和柴油机组作为混合动力，表面的太阳能板供给推进蓄电池组充电，速度约为15km/h，节省电力和排放达30%以上。实现了真正意义上的绿色、环保、低碳的宗旨^[8]。

2017年11月，广船国际建造一艘以“锂电池 超级电容”为混合动力纯电推进船舶，其主要航行于珠江内河水域，船舶在满载条件下，航速最高可达每小时12.8公里，续航能力可达80公里，同时航行中全程不消耗燃油，碳、硫等废气污染物及PM2.5颗粒实现零排放^[9]。

本文主要研究内容

1. 根据不同种锂电池的工作性能，对比混合储能系统不同种构型，设计由功率型与能量型锂离子电池构成的船舶混合动力锂电池系统拓扑结构；
2. 对锂电池模型数学分析，建立Simulink仿真模型，基于MATLAB统计工具箱与HPPC实验数据，辨识模型等效电路中各参数，采用积分法估算锂电池SOC，在Simulink中搭建SOC估算模块；
3. 根据Boost/Buck两种电路模型，分析双向DC/DC变换器工作特点，在Simulink中搭建变换器模型；
4. 基于模糊逻辑控制策略，研究船舶混合动力锂电池系统功率分配，采用PI调节器控制直流母线电流在给定值，限制锂电池SOC变化范围，防止过充和过放电，控制锂电池SOC在给定值，为加速或再生制动过程创建余量；
5. Simulink仿真环境，验证船舶混合动力锂电池系统拓扑结构和功率分配策略有效性。

船舶混合动力锂电池系统拓扑结构

船舶混合动力锂电池系统拓扑结构，指由不同性能锂电池以不同方式与直流母线耦合，拓扑结构的性能既影响系统优势性能，又对控制策略制定带来不同程度的困难，因此船舶混合动力锂电池系统拓扑结构研究是本文的重点之一。

蓄电池概述

动力电池分类及其优缺点

动力电池主要指二次电池，即电池放电后可通过充电的方式，使活性物质激活，继续使用，主要包括铅酸电池、锌银电池、镍氢电池、锂离子电池，性能对比分析情况如下：

铅酸电池技术最为成熟，电池正负极材料、电解液热稳定性好，不易起火爆炸，安全性较高，电池循环寿命长和生产成本低。但由于电池内大量采用密度较大的氧化铅，导致电池的比能量密度较低，并且铅和硫酸对环境污染十分严重；铅酸电池不耐过放，由于其在放电过程中会产生溶解度较低的硫酸铅，放电电流较大或电池过放时，硫酸铅不能及时溶解会产生晶体析出，导致电极材料与电解质的损耗，甚至会堵塞用于离子交换的隔膜导致电池报废。

锌银电池结构紧凑，比能量密度大，具有良好的耐压性，但锌银电池的充放电循环次数很短，电池采用氧化银作为正极材料，制造成本高，同时锌银电池工作过程中，会产生一定的氢气，有一定的安全隐患。

锂离子电池标称电压高，比能量密度较高，一般自放电率小于5%/月，循环寿命最大可达1000次以上，并且无记忆效应。但锂离子电池低温性能较差、耐过充放电能力较弱。锂离子电池过放会导致负极石墨片层出现塌陷，导致充电时锂离子无法插入；而过充会使过多的锂离子进入墨片层，放电时部分锂离子无法释放^[10]。上述两种情况都会造成电池容量的衰减甚至造成电池报废。

表2.1 不同类型动力电池性能参数对比

常见锂离子电池的正极材料

锂电池经过30年的发展性能，比能量、比功率等有较大的提高，因具有无记忆效应、平台电压高、能量密度大、自放电率低和安全性高等众多优点，已成功应用于汽车、船舶和航空等领域。根据锂电池工作性能不同，锂离子电池分为能量型和功率型，能量型电池能量密度较高，功率密度较低，在高倍率充放电的过程中容量衰减较为严重；功率型电池正好相反，其功率密度较高，能量密度较低，可以在不影响寿命的情况下高倍率充放电，然而其成本较高。目前，锂离子电池正极材料主要有：钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料，不同正极材料对电池特性有较大影响^[11]。

表2.2 几种典型的不同正极材料的锂离子电池比较

本文采用三元锂电池和磷酸铁锂电池作为船舶混合动力锂电池系统推进动力，通过电性能测验对比不同倍率放电曲线，如图2.1和图2.2 所示。三元锂电池放电容量高，比能量高，放电比功率高，可以实现快速充放电，磷酸铁锂电池工作电压稳定，循环性优势明显。另外磷酸铁锂电池低温性能较差，三元锂电池在高温（180~250℃）下容易起火，甚至发生爆炸，综合考虑磷酸铁锂电池安全性较好。根据船舶混合动力推进对负载功率的综合考虑，将能量型磷酸铁锂电池作为主动力源，提供稳定输出功率，功率型三元锂电池作为辅动力源，提供峰值功率。

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