混合電池

1.引言

傳統(tǒng)DP船為了保證定位能力和安全裕量，需要盡可能多的發(fā)電機(jī)在線，而近年來(lái)新技術(shù)的應(yīng)用使更高的安全性和更低的能耗能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)，這些新技術(shù)比如變速柴油機(jī)，氣體柴油機(jī)，配電板合排模式，直流電網(wǎng)等，而電池混合動(dòng)力具有改裝方便，造價(jià)低等特點(diǎn)，正成為新的發(fā)展趨勢(shì)。

【摘要】

本文簡(jiǎn)單介紹了電池混合動(dòng)力技術(shù)的背景，典型案例和設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

2.背景

2.1 節(jié)能和環(huán)保的驅(qū)動(dòng)

電池混合動(dòng)力技術(shù)可以顯著減少燃油的消耗和碳排放，伴隨著全球綠色環(huán)保的浪潮，采用電池混合動(dòng)力的DP船舶會(huì)有更高的競(jìng)爭(zhēng)力。

2.2 電池技術(shù)的發(fā)展

近年來(lái)，電池的能量密度不斷提高，而電池的造價(jià)也不斷降低，使得電池混合動(dòng)力的投資回報(bào)率逐步提高，例如常規(guī)的4臺(tái)柴油機(jī)的DP船，加裝電池模塊后，主流設(shè)備商提供的數(shù)據(jù)顯示投資回報(bào)年限大約在6年或更少，所以越來(lái)越多的船東開(kāi)始關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)。

2.3 船級(jí)社規(guī)范的更新

船級(jí)社開(kāi)始接受DP船舶使用電池來(lái)提供冗余，如DNVGL增加了Battery(Power)的符號(hào)可以應(yīng)用在DP船舶上，這更加促進(jìn)了船東考慮在新造船和改造船上使用電池混合動(dòng)力。

3.典型案例

3.1 電力系統(tǒng)

下圖示例是一艘典型的DP 2船舶，具有4臺(tái)發(fā)電機(jī)和2臺(tái)側(cè)推，2臺(tái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，DP工況下4臺(tái)柴油機(jī)需運(yùn)行。加裝電池模塊后，只需運(yùn)行2臺(tái)發(fā)電機(jī)，如果外界環(huán)境突然變化，電池模塊可以工作在放電狀態(tài)，另外兩臺(tái)發(fā)電機(jī)可以由船舶功率管理系統(tǒng)自動(dòng)起動(dòng)和并網(wǎng)，這一過(guò)程會(huì)非常平滑，對(duì)船舶動(dòng)力定位幾乎沒(méi)有影響。

3.2 電池模塊的輔助系統(tǒng)和安保系統(tǒng)

電池的生命周期和溫度有很大關(guān)系，電池的危險(xiǎn)性和船舶的封閉性使得電池模塊的輔助系統(tǒng)和安保系統(tǒng)提出了更高的要求。根據(jù)海事機(jī)構(gòu)和船級(jí)社的要求，主流設(shè)備商的電池模塊通常有以下輔助系統(tǒng)和安保系統(tǒng)：

冷卻系統(tǒng)

通風(fēng)系統(tǒng)

滅火系統(tǒng)

火災(zāi)和氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)

3.3 工作模式

根據(jù)不同的工況，電池模塊可以工作在以下模式：

高峰調(diào)節(jié)模式– DP工況下船舶的用電量會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，這就造成了過(guò)多的能耗和碳排放，使用高峰調(diào)節(jié)模式，電池模塊在用電高峰期放電，在低谷期充電，從而使達(dá)到節(jié)能減排的目的。可以手動(dòng)設(shè)定一個(gè)電池模塊的電量閾值，當(dāng)電量低于這個(gè)閾值而電網(wǎng)用電量仍然在峰值時(shí)，功率管理系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)高柴油發(fā)電機(jī)的功率，來(lái)確保電池模塊的電量。

發(fā)電機(jī)模式– 這一模式下，電池模塊等效成發(fā)電機(jī)，可以在船舶功率管理系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)稱或不對(duì)稱的負(fù)荷分配，當(dāng)電池模塊的電量達(dá)到低值時(shí)，電池管理系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)停機(jī)信號(hào)給船舶功率管理系統(tǒng)，來(lái)避免過(guò)度放電；

充電模式– 這一模式下，電池模塊從電網(wǎng)中汲取能量來(lái)給電池組充電。

4,設(shè)計(jì)難點(diǎn)

上述案例中，如果電池模塊整體發(fā)生故障，只剩2臺(tái)發(fā)電機(jī)在線，船舶的定位能力會(huì)受到顯著影響，這就意味著電池模塊需要有冗余，即電池模塊內(nèi)部或外部接口發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)，電池模塊仍然至少有一半的能力來(lái)保證船舶的定位能力。

4.1 電池模塊的冗余

冷卻系統(tǒng)的冗余– 冷卻泵的供電，能力，控制和報(bào)警等

通風(fēng)系統(tǒng)的冗余– 風(fēng)機(jī)的供電，能力，控制和報(bào)警等

滅火系統(tǒng)– 控制，故障和報(bào)警等

火災(zāi)和氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)– 控制，故障和報(bào)警等

電池管理系統(tǒng)– 控制，故障和報(bào)警等

4.2 外部接口

在設(shè)計(jì)電池模塊的外部接口時(shí)需要考慮以下問(wèn)題：

船舶功率管理系統(tǒng)– 工作模式，發(fā)電機(jī)自動(dòng)起動(dòng)等

配電板的保護(hù)– 空氣開(kāi)關(guān)，保護(hù)模塊等

DP控制系統(tǒng) – 根據(jù)海事管理組織和船級(jí)社的要求，電池模塊的狀態(tài)，電量，預(yù)計(jì)放電時(shí)間等需顯示在DP控制系統(tǒng)里面

中控系統(tǒng)– 電池模塊的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和報(bào)警需延伸到中控系統(tǒng)

應(yīng)急停止系統(tǒng)– 應(yīng)急停止按鈕的位置，回路監(jiān)測(cè)等

滅火系統(tǒng)– 電池模塊的火災(zāi)和氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以與船舶滅火系統(tǒng)相連

5.展望

電池混合動(dòng)力技術(shù)已經(jīng)在多種陸地設(shè)施和船型上，如渡輪，漁船，滾裝船，郵船，平臺(tái)供應(yīng)船等，可以預(yù)見(jiàn)到隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，越來(lái)越多的DP船舶會(huì)采用這項(xiàng)技術(shù)。

6.總結(jié)

新技術(shù)會(huì)帶來(lái)新的機(jī)遇和新的挑戰(zhàn)，擁抱變革才能在競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位。

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電動(dòng)車當(dāng)下在發(fā)展過(guò)程中面臨的一大問(wèn)題就是電池技術(shù)的限制。隨著技術(shù)進(jìn)步，電池電量將會(huì)提高。幾年之內(nèi)，電池續(xù)航能力將不再是主要問(wèn)題，而成本以及可靠性、安全性等問(wèn)題將更加凸顯。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，儒卓力和茨維考應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電子技術(shù)系合作開(kāi)發(fā)了全新的混合能源存儲(chǔ)系統(tǒng)（HESS）。基于鋰離子電池和雙層式電容器（UltraCaps）（也就是我們俗稱的超級(jí)電容）結(jié)合開(kāi)發(fā)而成。這個(gè)混合系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)創(chuàng)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合了較低阻抗EDLC和“較高”阻抗電池，以期獲得最合適的系統(tǒng)解決方案。這個(gè)拓?fù)涫褂贸焖匐娫碝OS開(kāi)關(guān)，進(jìn)行全數(shù)字式控制，可實(shí)現(xiàn)接近于任意形式的適應(yīng)性匹配。通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，能夠?qū)囯x子電池的使用壽命增加一倍。這款電源管理系統(tǒng)還可以調(diào)節(jié)，以便用于輕型電動(dòng)車（LEV），實(shí)現(xiàn)更高的可靠性，且研發(fā)成本低。

通過(guò)此次實(shí)施的研發(fā)項(xiàng)目，雙方證實(shí)了現(xiàn)今市場(chǎng)上常見(jiàn)的電池系統(tǒng)可在實(shí)踐中和超級(jí)電容結(jié)合使用。通過(guò)此項(xiàng)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)最佳的工作分配：在電池為連續(xù)運(yùn)行提供穩(wěn)定能量的同時(shí)，超級(jí)電容將接收短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的峰值電流和電壓。電池放電電流將限于其額定電流，因此電池在任何情況下均不會(huì)離開(kāi)其最優(yōu)運(yùn)行范圍。通過(guò)采用這種“保護(hù)運(yùn)行”方式，其使用壽命最高可延長(zhǎng)1倍。此外，電池內(nèi)部溫度上升較小或沒(méi)有升溫現(xiàn)象，從而可再次提高使用壽命。

此項(xiàng)研究的成果主要得益于一個(gè)新型的、可對(duì)單個(gè)能源存儲(chǔ)元件進(jìn)行智能連接的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而該電路現(xiàn)在也可通過(guò)在此次研究項(xiàng)目中研發(fā)的數(shù)字化電源管理系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化的控制。由此可不受充電狀態(tài)影響，對(duì)電池超級(jí)電容組合隨時(shí)進(jìn)行充電，并在數(shù)秒內(nèi)完成，且不會(huì)對(duì)電池造成損壞。此外通過(guò)此系統(tǒng)還可在整個(gè)使用期限內(nèi)實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷使用。已充電的電池超級(jí)電容組合即使在閑置數(shù)月后，也能立即投入使用，因?yàn)槌?jí)電容的自放電極小。電量已空的超級(jí)電容可在數(shù)秒之內(nèi)再次充滿電量。此外，其結(jié)構(gòu)十分堅(jiān)固，即便在零攝氏度以下的溫度使用，也不會(huì)出現(xiàn)性能損失。這意味著系統(tǒng)可靠性將明顯提高。

超級(jí)電容：堅(jiān)固、使用壽命長(zhǎng)

超級(jí)電容的能量?jī)?chǔ)存在雙層電解質(zhì)，即赫爾姆霍爾茨層中進(jìn)行。此類電容器極大的容量一方面是基于赫爾姆霍爾茨層厚度薄的特性，其厚度僅為數(shù)微米（1微米=10-10米），另一方面是由于采用了表面面積極大的電極材料。這里原則上建議以下三種合適的材料：

金屬氧化物 (RuO2)

活性炭

具有傳導(dǎo)性的聚合物

圖1：超級(jí)電容原理構(gòu)造示意圖

在允許的典型額定電壓(2.7—3) V條件下，根據(jù)以下基本關(guān)系公式，

此類型的電容器每個(gè)單元現(xiàn)在可達(dá)到數(shù)千（！）法拉的電容值。和電池不同的是，超級(jí)電容可在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)加載和卸載大量的能量。其10年的使用壽命以及至少50萬(wàn)次充電循環(huán)次數(shù)，比鋰電池或含鉛電池高出數(shù)倍。此外，其擴(kuò)展工作溫度范圍為-40°C 至70°C，對(duì)于溫度的敏感性明顯低于電池。超級(jí)電容可能具有的唯一不足之處，就是其相對(duì)較低的能量密度。雙層電容器更好的低位放電特性甚至更為出色。如鋰電池放電深度（DOD）為25%，則超級(jí)電容為75%。即便低于此數(shù)值，也不會(huì)像電池那樣產(chǎn)生持續(xù)性損壞，而只是減少了充電循環(huán)次數(shù)而已。

為了能將兩個(gè)能源存儲(chǔ)設(shè)備的最佳特性融合到一個(gè)系統(tǒng)中，必須對(duì)電池和超級(jí)電容的充電和電流特性進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)混合型降壓/升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行均衡。其原理基礎(chǔ)是依據(jù)相應(yīng)特性曲線為兩個(gè)能源存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行闕值定義。

針對(duì)此類系統(tǒng)設(shè)計(jì)，已有多種不同的基礎(chǔ)性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如采用并行電路的電池和超級(jí)電容，或雙向變壓器，其中超級(jí)電容位于初級(jí)，電池位于次級(jí)，或采用單向和雙向變壓器組合。所有這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)是復(fù)雜程度較高，因此研發(fā)周期較長(zhǎng)、成本壓力較大。

使用升壓轉(zhuǎn)換器均衡設(shè)計(jì)

為了降低復(fù)雜性，研發(fā)合作雙方在選定的目標(biāo)應(yīng)用中采用了單向直流-直流轉(zhuǎn)換器的拓?fù)湓O(shè)計(jì)。由此可實(shí)現(xiàn)相對(duì)緊湊和高效的電路結(jié)構(gòu)。研發(fā)時(shí)間和成本以及所需元器件數(shù)量可由此得以減少。通過(guò)數(shù)字化解決方案，此系統(tǒng)在許多方面均可進(jìn)行簡(jiǎn)單自由的參數(shù)設(shè)置。

其它優(yōu)勢(shì)還包括，逆變器電壓可在很大的可定義電壓范圍內(nèi)變化。超級(jí)電容可根據(jù)需要也可直接和逆變器進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合，使其能接收峰值電流。直流-直流轉(zhuǎn)換器僅有的局限性是，必須通過(guò)受控二極管（MOSFET）輸送峰值電流。為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的電壓匹配，可在中間電路內(nèi)根據(jù)2:1的比例分配較高的電壓，即超級(jí)電容的電壓值是電池的一倍。這樣可對(duì)超級(jí)電容的能量進(jìn)行最優(yōu)化利用，在50%的電壓條件下最高可實(shí)現(xiàn)75%的能量利用率。

演示裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在很多應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)于電池驅(qū)動(dòng)的專業(yè)電動(dòng)工具，生產(chǎn)商必須面對(duì)在保障、甚至提高電池使用壽命方面的相應(yīng)挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際需求，我們對(duì)待研發(fā)的演示裝置（專業(yè)電池驅(qū)動(dòng)的螺絲刀）進(jìn)行了基于應(yīng)用的定義與設(shè)計(jì)。

圖2 演示裝置- 基本結(jié)構(gòu)

演示裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于在此領(lǐng)域首次應(yīng)用的組合式降壓或 MOS升壓結(jié)構(gòu)[6]，其中配備完整數(shù)字化可執(zhí)行的電源管理和相關(guān)控制裝置，并可通過(guò)軟件任意配置參數(shù)。由此，這個(gè)具有較高阻抗的電池系統(tǒng)可表現(xiàn)較低阻抗的特性。結(jié)果如下：

更長(zhǎng)的電池使用壽命

可調(diào)節(jié)的電流限制

出色的最大電流特性

可預(yù)測(cè)電池使用壽命和健康狀況（SOH）

除超級(jí)電容和連接到主電源的鋰電池外，新型的功率電路控制器構(gòu)成了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分。另外還有速度超快的電流方向邏輯電平電路作為補(bǔ)充，該電路在超級(jí)電容輸出的能量流導(dǎo)入時(shí)啟用。此外還對(duì)鋰電池和超級(jí)電容的模擬電流和功率信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，以便能根據(jù)經(jīng)濟(jì)性能量利用率的要求對(duì)其進(jìn)行處理。通過(guò)高性能微控制器或信號(hào)處理器，對(duì)信號(hào)要求進(jìn)行定義，同時(shí)此裝置將相應(yīng)地生成用于功率場(chǎng)效應(yīng)管（Power-MOSFET）的脈沖寬度調(diào)制（PWM）時(shí)序，這里的場(chǎng)效應(yīng)管制造商是Infineon，并由此實(shí)現(xiàn)定時(shí)電源供給。如無(wú)需峰值電流，則通過(guò)一個(gè)特殊開(kāi)關(guān)將電流直接從鋰電池導(dǎo)入電機(jī)。超級(jí)電容經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)谋壤糯蠛螅稍谶\(yùn)行間歇階段隨時(shí)通過(guò)電池進(jìn)行再次充電。

圖3：電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)流

控制裝置

相應(yīng)的控制算法的最終開(kāi)發(fā)是在經(jīng)過(guò)廣泛全面的系統(tǒng)理論預(yù)測(cè)試基礎(chǔ)上完成的。由此可對(duì)控制技術(shù)行程模型進(jìn)行合成，從而根據(jù)目標(biāo)硬件特性，在相應(yīng)的模擬裝置預(yù)測(cè)試基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出所需的時(shí)間離散式算法。

圖4 基于EVANS的根軌跡曲線方法進(jìn)行全面系統(tǒng)分析和控制器綜合分析；原則性處理方法

控制軟件采用了先進(jìn)的基于模型的設(shè)計(jì)方法。包括對(duì)整個(gè)電源管理在VHDL-AMS中進(jìn)行建模。通過(guò)經(jīng)IEEE標(biāo)準(zhǔn)化處理的模型描述語(yǔ)言，也可根據(jù)硬件特性對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和模擬，以及通過(guò)自動(dòng)編碼將控制系統(tǒng)以自動(dòng)化方式轉(zhuǎn)移到目標(biāo)硬件。

為了始終保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，需要具有一個(gè)額外的速度超快的邏輯電路。原因是這里的安全性和實(shí)時(shí)性要求無(wú)法通過(guò)高性能快速微處理器得以滿足。因此在此應(yīng)用中購(gòu)入了硬件組件，例如應(yīng)用具有最高動(dòng)態(tài)性能的比較裝置。

建模和模擬的難度在于，需要對(duì)控制器、電池、超級(jí)電容和性能等級(jí)的實(shí)際特性進(jìn)行極其精準(zhǔn)的描述和繪圖。

文章來(lái)源：AI汽車制造業(yè)

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