一型電動船總體設計和電池選型探討

胡始弘 杜 睿

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

電動船是一種電力推進的船舶，其動力源是由蓄電池或船用發電機產生。作為一種新型綠色交通工具，與傳統柴油機推進船相比，電動船具有節能、低排放、低污染、清潔、低噪聲、可利用能源多樣化等優點。隨著環境污染問題受到廣泛關注，為擺脫對燃油的依賴，采用電能作為驅動方式是一種實用可行的模式。

現有的電動船主要種類有三種：第一種為太陽能電動船，即采用太陽能電池直接將太陽光轉換為電力取代燃油產生動力，但其存在太陽能轉化效率低，以及太陽能板易被海水腐蝕等缺點；第二種為純電池電動船，即采用蓄電池作為動力源，但基于目前技術，電池的能量密度和儲能較之于傳統燃油仍處于較低水平，且電池本身質量較大，對全船載重量會有一定影響，故純電池電動船更適用于航程較短、定點航線之間的渡輪；第三種為混合動力電動船，即使用船用發電機加蓄電池組的形式，正常航行時由蓄電池提供動力，當電池處于電量不足或故障時，船用發電機可提供電能維持船舶的正常運行。

與采用傳統柴油推進形式的船舶相比，混合動力電動船因蓄電池的存在，大大降低了對柴油的消耗，降低了對環境的污染。相比較前兩型電動船，該類船也不會因為電池容量的限制，降低全船的續航力。因此混合動力電池船在當前市場環境下具有更好的適用性和可靠性。本文將基于某型庫區混合動力電動巡視執法船，論述該類船的總體設計。

1 船型總體設計

1.1 主尺度及線型

影響船舶主尺度的因素有：功能要求、航速、經濟性和適航性等。本例中的電動船主要承擔巡查、執法等庫區應急指揮任務的需求，因此在設計時應考慮較好的快速性和適航性。同時，由于本船需足夠的艙室面積用以布置電池，且應具備較好的穩性，故對船型尺度作如下考慮。

1.1.1 排水量

本船排水量需滿足續航力、承載結構以及人員和設備等的總質量。分析同類型船并進行綜合考慮，確定其排水量為150～170 t。

1.1.2 船長L

本船船長需滿足艙室內乘客舒適性的要求，并兼顧底部電池空間布置的要求。同時，針對船舶快速性，在選擇船長時需考慮所選主尺度和航速能否避開阻力峰。因本船最大航速為12 kn，傅氏數Fn約為0.34。根據相關船型經驗，該類型船舶主要船型為圓舭型。通過查閱該船型阻力曲線（見圖1）［1］，可以發現在所選Fn區間內，船舶未達到阻力峰；同時，根據巴士裘寧經驗公式，可估算得出本船水線長約31 m。

從耐波性的角度考慮，船長與波長之比L/λ應大于1.3。根據庫區內水文資料統計，庫區內波浪平均波長約為20～25 m，因此本船的水線長宜在28 m以上，以避免船舶在最大平均波長附近產生較大的縱向運動。

1.1.3 船寬B和型深D

因電池尺寸較大，且需預留出足夠檢修空間，因此本船船寬B的選擇需滿足電池的布置要求。同時考慮到全船穩性要求，對船寬的選擇應適當加大。型深D的選擇主要取決于主發電機安裝布置的要求；同時，在滿足穩性和浮力儲備的情況下，型深越小，對降低船舶整體高度越有利。

1.1.4 吃水T

吃水T的選擇主要從滿足排水量、快速性、穩性、螺旋槳沉深、抗風力和吃水線與上甲板之間的高度等因素考慮。本船的設計吃水選取約為1.3 m，結構吃水取1.5 m。

通過上述對主尺度的分析，綜合考量，確定本船主尺度如下：

圖1 荷蘭水池試驗圓舭船型剩余阻力系數CR 和Fn的關系

本船主尺度和排水量較小，但相對速度較高，根據本船的Fn， 可將其歸為高速排水量型船舶。根據荷蘭水池發表的資料，該類型船舶為圓舭型時，阻力性能較好。但是由于圓舭型橫搖阻尼較小，因此必須在舭部設置舭龍骨，以改善其橫搖性能，但是相對應的其船舶阻力也會增加。為此，有時也采用圓舭折角線型，即前體為圓舭型，后體接近尾段部分為尖舭型，中間逐步過渡。尖舭部分起到舭龍骨作用，可取消舭龍骨來抵消尾端尖舭型所增加的阻力。通過使用CFD對這兩種線型在設計吃水、巡航航速下進行阻力計算和比較見表1。

表1 圓舭與圓舭折角線型在設計航速時阻力對比

由表1可見，采用圓舭折角線型或圓舭線型，本船的阻力相近。考慮到圓舭折角線型具備更好的耐波性，同時結合全船布置等方面考慮，最終選擇該線型作為本船線型。

1.2 主推進模式

考慮本船主要在庫區內航行，為保證庫區水質的安全，采用電力推進（蓄電池+柴油發電機）代替傳統柴油機推進形式，減少排放對環境的污染。當柴油機運行在低負荷狀態時，燃油得不到充分燃燒，其后果是產生大量的氮氧化物和固體顆粒物，會對大氣環境造成較大的污染；而船舶使用蓄電池推進時，對周圍環境產生零污染和零排放，可實現真正的綠色航行。當采用柴油發電機所發電力推進時，則可根據不同的推進負荷調整蓄電池充電負荷，使運行的柴油機處在較佳燃油消耗率狀態下，使燃油燃燒充分，產生的氮氧化物和固體顆粒物較少，大大地降低了廢氣的排放，減小對水庫環境的污染。

本船主機選用2臺250 kW發電機，同時配備960 kW容量的鋰電池，推進器采用2臺160 kW全回轉推進器。在該動力模式下，本船正常航行時采用蓄電池提供動力，巡航航速約為10 kn，續航力約為50 km，能滿足庫區正常巡邏要求；但是當電池處于電量不足或故障時，船用發電機可提供電能維持船舶的正常運行，能保證其繼續完成任務并安全返回港口。

1.3 總體性能

本船的設計建造遵循中華人民共和國海事局《船舶與海上設施法定檢驗規則 內河船舶法定檢驗技術規則》［2］，中國船級社（CCS）《鋼質內河船舶建造規范》（2016）及其變更通報［3］，以及《內河雙電（磷酸鐵鋰電池、超級電容）純電動電力推進游覽船審圖、檢驗指南》［4］等。

在設計吃水狀況下，本船巡航航速約為10 kn，最大航速可達到12 kn，滿足設計任務書需求。同時，其各種裝載情況下穩性均滿足規范中B級航區船舶的穩性要求，且滿足一艙不沉（除機艙）的破損穩性要求。

本船為全焊接式鋼質船，具有單層連續甲板、長艏樓、全景式駕駛室以及前傾首柱、方尾，采用柴油發電機和磷酸鐵鋰電池動力源，全回轉舵槳推進裝置作為其推進驅動和操縱裝置。

1.4 總布置設計

本船主船體內設有7道水密艙壁，將其分隔成8個水密艙室，從首至尾分別為：艏尖艙、1號艏空艙、2號艏空艙、1號蓄電池間、2號蓄電池間、發電機室、電氣設備間和推進器間。

本船共設置2層甲板，分別為主甲板和駕駛甲板。主甲板從前往后布置有：執法指揮室、執法人員休息室、衛生間和會議室等；駕駛甲板上布置有駕駛室、綜合執法室等。全船艙室布置時，注重功能分區，同時綜合考慮航行安全，通道寬敞和人員舒適性等要求。

本船總布置圖如下頁圖2所示。

1.5 環保設計

圖2 總布置圖

本船主要航行區域為封閉水域，為保證不污染該水域的水質，本船的環保設計尤為重要。在船舶運行過程中，洗手、沖洗馬桶等洗滌用水會產生一定量的生活污水，這些生活污水將通過管路卸至位于艙底甲板的污水艙；待船舶靠岸后，通過生活污水駁運泵將污水艙內的生活污水排岸處理，從而避免了船舶生活污水對水庫造成污染。另外，在污水艙頂部設置透氣管，透氣管接至羅經甲板上，并在透氣管出口端設置活性炭除臭裝置，進而消除由生活污水產生的異味。

對于船艙艙底可能產生的油污、艙底水等，本船在船體艙底首部、中部、尾部各設置一個污水井，然后通過艙底水泵將艙底水收集至艙底水艙；待船舶靠岸后，通過艙底水泵將艙底水排岸處理，從而達到船舶油污水環保處理目的。

2 電池選型和安全

2.1 船用電池的選擇

目前主流使用的船用電池種類有三元鋰、磷酸鐵鋰和鉛酸電池等，其主要性能參數詳見表2。［5］

表2 鋰電池性能參數對照表

由表2可見，三元鋰電池雖然能量密度較大，但安全風險比磷酸鐵鋰電池高。目前國內船級社規范暫時沒有頒發三元鋰電池證書，一定程度上限制了三元鋰電池在船舶上的應用。鉛酸電池價格較低，但是能量密度太低，在同樣能量密度下，比磷酸鐵鋰電池重3倍，體積約為其3～4倍。以本船為例，本船電池組容量約為960 kW h，使用磷酸鐵鋰電池時，其重約8 t，體積約為4.5 m3；然而使用鉛酸電池時，其重達24 t，體積更是達到14 m3左右。由此可見，對于排水量與空間布置較為敏感的船舶來說，磷酸鐵鋰電池的優勢遠大于鉛酸電池。此外，鉛酸電池還存在使用壽命短、充放電次數低、廢棄后會對環境造成污染等缺點，所以基本上不推薦作為船舶動力電池使用。磷酸鐵鋰電池經多年來的發展，技術已相當成熟，且已廣泛應用于陸用交通、太陽能和風力發電儲能、電動工具等領域，大規模的生產也使其價格回落至較合理區間。正因磷酸鐵鋰電池具有較低的成本、較穩定的電壓和較高的安全性（熱失控溫度在800℃以上）等優點，所以本船選用該類型電池作為動力源之一。

本船磷酸鐵鋰電池系統配置容量約960 kW h，由3.2 V、22 Ah單體組成。因庫區地理位置原因，對電池系統在寒冷天氣下的充放電性能提出較高要求。不同溫度下的磷酸鐵鋰電池放電能力見圖3。

圖3 磷酸鐵鋰電池不同溫度下的放電能力

圖4 電池架形式

該型電池能量密度在123 Wh/kg左右，其容量保持率在環境溫度為0℃時約92.38%，-10℃時約86.67%，-20℃時約80%，-30℃時仍能達到60%以上，完全能夠滿足電池在-20℃環境下的正常使用。如果使用工況良好（放電電流低于1C倍率，或者保護板截止電壓下降到2 V以下），則放電效率能夠保持在90%以上。配合BMS管理系統，可實現-20℃低溫環境下穩定充電。

本船電池組采用標準化模塊化設計。由電池單體組成電池模組，再由模組拼裝成電池組形式。其尺寸完全一致，具有極高互換性，并采用全極耳焊接工藝以及電池架式設計，后期維修較為便利。此外，每個電池架頂部均設有風冷裝置對各模塊進行并行冷卻，以保證系統時刻處于恒定工作溫度下。

2.2 電池安全性

區別于傳統柴油機推進船上蓄電池間安全要求，當電池作為動力源時，電池艙及艙內電池的安全要求更加嚴格。目前主要通過滿足以下幾種方式來保證船用動力電池的安全和使用。

2.2.1 總體布置安全性設計要求

目前國內混合動力船舶的電池艙設計主要以CCS《內河雙電（磷酸鐵鋰電池、超級電容）純電動電力推進游覽船審圖、檢驗指南》［4］作為規范依據，其中要求當電池艙作為動力源時，需滿足以下要求：

（1）環境不應存在過冷、過熱、濺水、蒸汽等損害電池性能的情況；

（2）不安裝其他與電池無關熱源，并采用機械通風，避免電池間溫度過高；

（3）電池艙和其他艙室的防火分隔應滿足相應法規對機艙要求；

（4）電池艙內設置獨立的溫度探測裝置，當溫度高于設定值時，能在駕駛室發出聲光報警信號；

（5）需設置火警報警探頭，當艙內發生火警時能送出聲光報警信號到駕駛室；

（6）需配備固定式七氟丙烷滅火系統，用于撲滅磷酸鐵鋰電池引起的火災，并在電池艙外設遙控釋放按鈕。

2.2.2 電池管理系統

電池管理系統（battery management system，BMS）是保證鋰電池安全的另一個重要組成部分，主要負責電池的監測保護和能量均衡功能。該系統由SOC估測、動態監測和電池均衡這三個模塊組成。在電池充放電過程中，電池管理系統實時采集蓄電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池組總電壓，防止電池發生過充電或過放電現象。當電池組偏離正常值時，該系統能就地并同時在駕駛室發出聲光報警；而當電池出現故障時，該系統能夠及時切斷故障電池模組，保證其他電池正常工作。

2.2.3 電池硬件保護

電池艙內每一節電池都有保險絲保護，當電流過大時快速熔斷，切斷故障電池連接。此外，每個電池模塊和系統均接有開關保護，當發生過流或短路時，便立即斷開整個模塊和系統的連接。

本船蓄電池間布置在全船中部，前后分別設置水密艙壁進行分隔，同時該艙室采用A級防火分隔，滿足相應法規要求。艙室內布置機械通風，能及時將電池產生熱量排出，保證電池艙溫度始終處于合適范圍，同時按規范配備七氟丙烷滅火系統。當電池艙內感煙、感溫火警探頭發出火警報警信號，駕駛室人員同時也可以通過船上閉路電視系統觀察電池艙情況，人工啟動釋放按鈕，達到電池滅火目的。

本船電池組配備電池管理和硬件保護系統，每套電池系統包含一套電池管理系統。電池管理系統采用分層級構架，其包含系統主控單元、管理各電池簇的二級主控單元，以及各個電池模塊中的從機模塊，各種配套熔斷器、繼電器等。系統主控模塊主要對系統的主開關進行控制，監測系統總電流，評估各簇乃至各單體鋰電池系統狀態（電壓、電流、SOC等），并管理各電池簇的投入和故障斷開；二級主控單元主要接收各從機模塊信息，監測各簇的電流，并接收系統主控模塊對每簇開關的控制。保證電池在發生故障時，能及時切斷電源并發出警報。

3 結 語

本文以電動船舶作為研究對象，討論一型庫區混合動力電動船的總體設計。主要介紹了該船型的船舶主尺度、總布置、總體性能和環保設計等方面，并總結了關于船用電池的選型、安全及能耗等方面的探討，對電動船的總體設計有一定借鑒意義。