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)電機在線，而近年來新技術的應用使更高的安全性和更低的能耗能夠同時實現(xiàn)，這些新技術比如變速柴油機，氣體柴油機，配電板合排模式，直流電網等，而電池混合動力具有改裝方便，造價低等特點，正成為新的發(fā)展趨勢。

【摘要】

本文簡單介紹了電池混合動力技術的背景，典型案例和設計難點。

2.背景

2.1 節(jié)能和環(huán)保的驅動

電池混合動力技術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，采用電池混合動力的DP船舶會有更高的競爭力。

2.2 電池技術的發(fā)展

近年來，電池的能量密度不斷提高，而電池的造價也不斷降低，使得電池混合動力的投資回報率逐步提高，例如常規(guī)的4臺柴油機的DP船，加裝電池模塊后，主流設備商提供的數(shù)據(jù)顯示投資回報年限大約在6年或更少，所以越來越多的船東開始關注這項技術。

2.3 船級社規(guī)范的更新

船級社開始接受DP船舶使用電池來提供冗余，如DNVGL增加了Battery(Power)的符號可以應用在DP船舶上，這更加促進了船東考慮在新造船和改造船上使用電池混合動力。

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臺發(fā)電機和2臺側推，2臺全回轉推進器，DP工況下4臺柴油機需運行。加裝電池模塊后，只需運行2臺發(fā)電機，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)，另外兩臺發(fā)電機可以由船舶功率管理系統(tǒng)自動起動和并網，這一過程會非常平滑，對船舶動力定位幾乎沒有影響。

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系，電池的危險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)海事機構和船級社的要求，主流設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)

通風系統(tǒng)

滅火系統(tǒng)

火災和氣體監(jiān)測系統(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：

高峰調節(jié)模式– DP工況下船舶的用電量會在一定范圍內波動，這就造成了過多的能耗和碳排放，使用高峰調節(jié)模式，電池模塊在用電高峰期放電，在低谷期充電，從而使達到節(jié)能減排的目的?？梢允謩釉O定一個電池模塊的電量閾值，當電量低于這個閾值而電網用電量仍然在峰值時，功率管理系統(tǒng)可以自動調高柴油發(fā)電機的功率，來確保電池模塊的電量。

發(fā)電機模式– 這一模式下，電池模塊等效成發(fā)電機，可以在船舶功率管理系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)對稱或不對稱的負荷分配，當電池模塊的電量達到低值時，電池管理系統(tǒng)會發(fā)出預停機信號給船舶功率管理系統(tǒng)，來避免過度放電；

充電模式– 這一模式下，電池模塊從電網中汲取能量來給電池組充電。

4,設計難點

上述案例中，如果電池模塊整體發(fā)生故障，只剩2臺發(fā)電機在線，船舶的定位能力會受到顯著影響，這就意味著電池模塊需要有冗余，即電池模塊內部或外部接口發(fā)生單點故障時，電池模塊仍然至少有一半的能力來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，控制和報警等

通風系統(tǒng)的冗余– 風機的供電，能力，控制和報警等

滅火系統(tǒng)– 控制，故障和報警等

火災和氣體監(jiān)測系統(tǒng)– 控制，故障和報警等

電池管理系統(tǒng)– 控制，故障和報警等

4.2 外部接口

在設計電池模塊的外部接口時需要考慮以下問題：

船舶功率管理系統(tǒng)– 工作模式，發(fā)電機自動起動等

配電板的保護– 空氣開關，保護模塊等

DP控制系統(tǒng) – 根據(jù)海事管理組織和船級社的要求，電池模塊的狀態(tài)，電量，預計放電時間等需顯示在DP控制系統(tǒng)里面

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

應急停止系統(tǒng)– 應急停止按鈕的位置，回路監(jiān)測等

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

5.展望

電池混合動力技術已經在多種陸地設施和船型上，如渡輪，漁船，滾裝船，郵船，平臺供應船等，可以預見到隨著技術的不斷進步和完善，越來越多的DP船舶會采用這項技術。

6.總結

新技術會帶來新的機遇和新的挑戰(zhàn)，擁抱變革才能在競爭中處于有利地位。

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電動車當下在發(fā)展過程中面臨的一大問題就是電池技術的限制。隨著技術進步，電池電量將會提高。幾年之內，電池續(xù)航能力將不再是主要問題，而成本以及可靠性、安全性等問題將更加凸顯。

為了解決這個問題，儒卓力和茨維考應用技術大學電子技術系合作開發(fā)了全新的混合能源存儲系統(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電容）結合開發(fā)而成。這個混合系統(tǒng)通過一個創(chuàng)新的拓撲結構，結合了較低阻抗EDLC和“較高”阻抗電池，以期獲得最合適的系統(tǒng)解決方案。這個拓撲使用超快速電源MOS開關，進行全數(shù)字式控制，可實現(xiàn)接近于任意形式的適應性匹配。通過這個系統(tǒng)，能夠將鋰離子電池的使用壽命增加一倍。這款電源管理系統(tǒng)還可以調節(jié)，以便用于輕型電動車（LEV），實現(xiàn)更高的可靠性，且研發(fā)成本低。

通過此次實施的研發(fā)項目，雙方證實了現(xiàn)今市場上常見的電池系統(tǒng)可在實踐中和超級電容結合使用。通過此項結合可實現(xiàn)最佳的工作分配：在電池為連續(xù)運行提供穩(wěn)定能量的同時，超級電容將接收短時間內出現(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離開其最優(yōu)運行范圍。通過采用這種“保護運行”方式，其使用壽命最高可延長1倍。此外，電池內部溫度上升較小或沒有升溫現(xiàn)象，從而可再次提高使用壽命。

此項研究的成果主要得益于一個新型的、可對單個能源存儲元件進行智能連接的電路拓撲結構。而該電路現(xiàn)在也可通過在此次研究項目中研發(fā)的數(shù)字化電源管理系統(tǒng)進行最優(yōu)化的控制。由此可不受充電狀態(tài)影響，對電池超級電容組合隨時進行充電，并在數(shù)秒內完成，且不會對電池造成損壞。此外通過此系統(tǒng)還可在整個使用期限內實現(xiàn)全負荷使用。已充電的電池超級電容組合即使在閑置數(shù)月后，也能立即投入使用，因為超級電容的自放電極小。電量已空的超級電容可在數(shù)秒之內再次充滿電量。此外，其結構十分堅固，即便在零攝氏度以下的溫度使用，也不會出現(xiàn)性能損失。這意味著系統(tǒng)可靠性將明顯提高。

超級電容：堅固、使用壽命長

超級電容的能量儲存在雙層電解質，即赫爾姆霍爾茨層中進行。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

具有傳導性的聚合物

圖1：超級電容原理構造示意圖

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

此類型的電容器每個單元現(xiàn)在可達到數(shù)千（?。┓ɡ碾娙葜?。和電池不同的是，超級電容可在數(shù)秒時間內加載和卸載大量的能量。其10年的使用壽命以及至少50萬次充電循環(huán)次數(shù)，比鋰電池或含鉛電池高出數(shù)倍。此外，其擴展工作溫度范圍為-40°C 至70°C，對于溫度的敏感性明顯低于電池。超級電容可能具有的唯一不足之處，就是其相對較低的能量密度。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%，則超級電容為75%。即便低于此數(shù)值，也不會像電池那樣產生持續(xù)性損壞，而只是減少了充電循環(huán)次數(shù)而已。

為了能將兩個能源存儲設備的最佳特性融合到一個系統(tǒng)中，必須對電池和超級電容的充電和電流特性進行測量，并通過混合型降壓/升壓轉換器進行均衡。其原理基礎是依據(jù)相應特性曲線為兩個能源存儲設備進行闕值定義。

針對此類系統(tǒng)設計，已有多種不同的基礎性拓撲結構，如采用并行電路的電池和超級電容，或雙向變壓器，其中超級電容位于初級，電池位于次級，或采用單向和雙向變壓器組合。所有這些拓撲結構的共同點是復雜程度較高，因此研發(fā)周期較長、成本壓力較大。

使用升壓轉換器均衡設計

為了降低復雜性，研發(fā)合作雙方在選定的目標應用中采用了單向直流-直流轉換器的拓撲設計。由此可實現(xiàn)相對緊湊和高效的電路結構。研發(fā)時間和成本以及所需元器件數(shù)量可由此得以減少。通過數(shù)字化解決方案，此系統(tǒng)在許多方面均可進行簡單自由的參數(shù)設置。

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

演示裝置拓撲結構

在很多應用領域，對于電池驅動的專業(yè)電動工具，生產商必須面對在保障、甚至提高電池使用壽命方面的相應挑戰(zhàn)。為了應對工業(yè)領域的實際需求，我們對待研發(fā)的演示裝置（專業(yè)電池驅動的螺絲刀）進行了基于應用的定義與設計。

圖2 演示裝置- 基本結構

演示裝置拓撲結構基于在此領域首次應用的組合式降壓或 MOS升壓結構[6]，其中配備完整數(shù)字化可執(zhí)行的電源管理和相關控制裝置，并可通過軟件任意配置參數(shù)。由此，這個具有較高阻抗的電池系統(tǒng)可表現(xiàn)較低阻抗的特性。結果如下：

更長的電池使用壽命

可調節(jié)的電流限制

出色的最大電流特性

可預測電池使用壽命和健康狀況（SOH）

除超級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成了拓撲結構的關鍵部分。另外還有速度超快的電流方向邏輯電平電路作為補充，該電路在超級電容輸出的能量流導入時啟用。此外還對鋰電池和超級電容的模擬電流和功率信號進行監(jiān)控，以便能根據(jù)經濟性能量利用率的要求對其進行處理。通過高性能微控制器或信號處理器，對信號要求進行定義，同時此裝置將相應地生成用于功率場效應管（Power-MOSFET）的脈沖寬度調制（PWM）時序，這里的場效應管制造商是Infineon，并由此實現(xiàn)定時電源供給。如無需峰值電流，則通過一個特殊開關將電流直接從鋰電池導入電機。超級電容經過適當?shù)谋壤糯蠛?，可在運行間歇階段隨時通過電池進行再次充電。

圖3：電路拓撲結構和設計流

控制裝置

相應的控制算法的最終開發(fā)是在經過廣泛全面的系統(tǒng)理論預測試基礎上完成的。由此可對控制技術行程模型進行合成，從而根據(jù)目標硬件特性，在相應的模擬裝置預測試基礎上，開發(fā)出所需的時間離散式算法。

圖4 基于EVANS的根軌跡曲線方法進行全面系統(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的基于模型的設計方法。包括對整個電源管理在VHDL-AMS中進行建模。通過經IEEE標準化處理的模型描述語言，也可根據(jù)硬件特性對控制系統(tǒng)進行建模和模擬，以及通過自動編碼將控制系統(tǒng)以自動化方式轉移到目標硬件。

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

建模和模擬的難度在于，需要對控制器、電池、超級電容和性能等級的實際特性進行極其精準的描述和繪圖。

文章來源：AI汽車制造業(yè)

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