電力推進船舶的鋰電池應用

侯錦福，張樺育

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

0 引言

相比于傳統的推進系統，電力推進系統具有經濟性良好、操縱靈活、安全性高、振動小和可靠性高等特點，還有利于船舶降低排放和控制環境污染。電力推進系統現廣泛應用于渡輪、挖泥船、拖輪和大型郵輪等。隨著電力推進系統在船舶行業應用的范圍不斷擴大，在世界各國都在追求可持續發展、倡導低碳經濟的今天，其將成為未來綠色船舶的前進動力。

然而，電力推進船舶一直面臨著一個技術難題：頻繁的負載擾動對推進系統的影響。這些負載波動對船舶電網和電站有著巨大的沖擊，使得船舶穩定性下降，電站中內燃機燃油得不到充分燃燒，對環境效益和經濟效益造成損害。在電力推進船舶中引入儲能單元是解決這一難題的可靠方法。在電力系統遇到擾動時，儲能單元可以在瞬時吸收或釋放能量，平復擾動給系統帶來的影響，改善系統性能[1]。

目前，使用最廣泛的儲能技術主要有蓄電池儲能、飛輪儲能、超導線圈儲能和超級電容儲能等[2]，在眾多儲能元件中，鋰電池應用于船舶電力推進系統中的前景被看好，原因是鋰電池壽命長、循環性能好、體積小、無污染，而且有很高的能量密度，可維持較長時間的放電或者充電狀態，有著良好的穩態性能[3]。

鋰電池既可以在電力推進船舶中作為儲能單元與柴油發電機等其他電源組成綜合電力推進系統，又可以單獨形成純電池動力系統，中國船級社（CCS）于2019年12月發布了《純電池動力船舶檢驗指南》（簡稱：《指南》），該《指南》“適用于以蓄電池為推進電源的船舶的設計、建造和檢驗以及蓄電池及其電池管理系統（BMS）的試驗和檢驗”，“混合動力電動船亦可參照本指南適用部分”[4]。鋰電池亦屬于《指南》中所述“蓄電池”中的一種。

1 鋰電池參數分析

用作動力源的鋰電池，按電芯材料分類，主要有三元鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等幾種，參數詳見表1。

表1 各類鋰電池參數對比表

目前主流應用的是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。三元鋰電池能量密度最大，但是出于安全原因，在電池管理系統需要投入更多資金，一定程度上限制了三元鋰電池在國內船舶的應用。磷酸鐵鋰電池技術已相當成熟，廣泛應用在陸用交通、太陽能和風力發電發電儲能、電動工具等領域，大規模的生產也使電池價格回落到較為合理的空間。結合國內船舶實際和電池產業現況，磷酸鐵鋰電池在船舶領域發展較快[5]。

2 鋰電池在綜合電力推進船舶的應用實例

近期，由中船黃埔文沖船舶有限公司建造的綜合電力推進近海船舶“深海01”輪已通過試驗驗收并交付使用，提供了鋰電池在綜合電力推進船舶的成功應用實例。

2.1 推進模式

該型船選用“柴油發電機組＋動力電池組”的綜合電力推進模式，其中動力電池組采用磷酸鐵鋰電池。這種模式可以實現以下功能：

1）綜合電力推進系統能夠滿足動力定位設備所需的大功率電能需求，并實現全船的智能化和信息化。

2）在船舶穿越LNG泄漏海域時，關閉柴油發電機組，由動力電池組提供動力并為船上設備供電。這樣可以避免柴油發電機工作時消耗大量的氧氣，從而能夠關閉船舶所有對外通風口，有效阻止外界可燃氣體滲入船舶內部。

3）根據需要，動力電池組通過逆變、變壓設備可與柴油發電機組在交流母排并網運行，當負荷波動時，電池會動態響應來阻止或減少其對在網機組的頻繁擾動，減少油耗和廢氣排放。

2.2 推進系統方案

該型船推進系統方案詳見圖1。

圖1 “深海01”輪電力推進系統單線圖

由圖1可以看出，本船設置3臺主發電機組、2組動力電池、2臺吊艙推進器和1臺艏側推，是典型的由柴油發電機組和動力電池組組成的綜合電力推進系統。根據不同工況的用電需求，3臺發電機組及2套動力電池組中的任意臺發電機及任意組動力電池，均可通過手動并車和自動并車方式進行并聯運行。

2.3 動力電池組的充電方式

圖1中的動力電池組、逆變器、隔離變壓器和能量存儲控制系統構成了能量存儲系統。可以通過2種方式對動力電池進行充電：

1）發電機組運行，經由主配電板MSB1的交流母排、隔離變壓器、逆變器對動力電池系統充電。

2）連接岸電（不啟動發電機組），經由主配電板MSB2、1號公用變壓器、主配電板MSB1、隔離變壓器、逆變器對動力電池系統進行充電。此方式類似于插電混動汽車利用充電樁進行充電。

充電狀態時，電池管理系統（BMS）系統通過通訊方式與能量管理系統（PMS）實時通訊，BMS通過通訊實時告知PMS充電電流和電壓等需求。由PMS控制逆變器對電芯系統進行充電。

2.4 動力電池組的工作方式及作用

2.4.1 工作方式

動力電池組的工作方式有獨立工作、與發電機并聯工作2種。

2.4.2 獨立工作時的作用動力電池組獨立工作時，主要起到以下作用：1）在LNG泄漏海域內為全船動力及部分負載供電。

2）在駐泊等工況下為全船設備供電，減少環境污染及提高船員舒適度。

2.4.3 與發電機并聯工作時的作用

動力電池組與發電機并聯工作時，主要有以下作用：

1）與柴油發電機組并網運行，加快航速，提升響應能力。

2）在用電負荷波動大時，通過電池組的并網，使其動態響應來阻止或減少負荷對在網機組的頻繁擾動。

2.5 動力電池系統設計

廣義上的動力電池系統，應包括電池組及相關配套的變流、變壓、監測、管理和保護裝置。以本船為例，主要配置了2套動力電池組、2個電池控制柜、2套電池管理系統（BMS）、2個隔離變壓器、2個電池逆變器、1套電池艙滅火系統（可分別對2個電池艙進行滅火）和2套可燃氣體探測系統。在單套動力電池組中，每套包含3個支路，而單個支路上包含16個電池箱和1個從高壓盒；支路與支路并聯，接入電池控制柜的主高壓盒。如下圖2所示。

圖2 電池子系統拓撲簡圖

2.5.1 電池系統緊急關斷功能設計

本船設計了2 套動力電池組，每套動力電池組的標稱能量達到840 kW·h。在電池控制柜內設有直流框架斷路器，輸入端為來自動力電池組3個支路的直流電，輸出端為至電池逆變器的單個電池子系統的直流電。而在主配電板上配備了經逆變、變壓后的電池電源，接入交流母排的交流框架斷路器。在駕控臺、集控臺以及電池控制柜/電池逆變器本體上都設計安裝了急停按鈕。當按下按鈕，能觸發電池控制柜/主配電板內相關框架斷路器的脫扣機構，用于緊急斷開電池系統與電網的連接。值得注意的是，此控制線路與其它控制、顯示和報警系統獨立。在急停的同時，通過電池控制柜至機艙監測系統的通訊，可在駕駛室機艙監測延伸報警板或值班室（一般是集控室）發出視覺和聽覺報警信號，如圖3 所示。滿足了《指南》3.2.3.3 中對電池系統需設置應急切斷的相關要求。

圖3 急停及報警設計

2.5.2 電池管理系統（BMS）設計

1）本船BMS功能主要集成在電池控制柜內，由推進系統UPS提供AC220 V電源，經BMS內部電源模塊轉換為DC24 V用作BMS主供電電源，設計上滿足《指南》中“BMS應由其監控蓄電池外的電源供電”的要求。

2）本船電池管理系統（BMS）從層級配備上，自上而下依次包含主電池管理單元（MBMU）、從電池管理單元（SBMU）、電池監控單元（CSC）、電流傳感器等。如圖4所示的架構，電池監控單元（CSC）集成在電池箱內，從電池管理單元（SBMU）集成在從高壓盒，而主電池管理單元（MBMU）集成進電池控制柜內的主高壓盒，通過“層級”配備相關控制、監測模塊，實現對電池系統的管理。

圖4 BMS 架構圖

3）通過BMS功能性的設計，其可用于檢測電池柜內電池電壓、溫度、電流，計算電池柜電池剩余電量，并與上一層BMS實時進行通訊以及傳輸電池運行狀態、報警信息給上一層管理系統，統籌整個所有電池進行自動均衡。此外，還能根據計算對剩余電量自動進行校準，實現智能化控制及管理。完全滿足《指南》中“電池控制單元應能夠接收蓄電池模塊/蓄電池包內監測電路含有的信息（如電壓、溫度等）”的要求。

2.5.3 消防設計

《指南》中要求動力電池艙內的排風機與可燃氣體探測裝置設置聯鎖，當探測到氣體濃度大于其爆炸下限的20%時，可自動啟動風機排出氣體。通過解讀可分為以下3個要求：

1）單體電池會釋放什么氣體？只有分析并實測出具體的氣體才能選擇配備何種探測裝置。

2）可燃氣體探測需進行爆炸下限的標定，在達到標定值時能輸出信號給外部設備。

3）動力電池艙內應配備應急排風機（由應急電網供電），同時其啟動單元能受外部信號聯動。

研究表明：電芯熱失控是導致可燃氣體蔓延的主要原因。本文中的動力電池供應商通過對單體電芯的熱失控試驗，測得各種成分氣體的釋放量見表2。

表2 302 Ah 電芯各氣體釋放統計表

由此可見，主要的可燃氣體是H2及CO，故每個動力電池艙相應的配備H2和CO氣體探測器。通過選擇具備兩路無源觸點報警輸出的探測器，并對探測器進行20%爆炸下限的標定。當探測到艙室內可燃氣體濃度大于其爆炸下限（體積分數）的20%時，探測器輸出2路觸點信號，1路信號至應急排風機啟動器用于自動啟動風機，1路信號至全船監測系統，以提醒船員注意，如下圖5所示。

圖5 電池艙可燃氣體探測系統

為滿足《指南》相關要求，在本船的2個動力電池艙中，均分別配備1個感溫探測器和1個感煙探測器，并串入本船的火災報警回路，接入了本船固定式自動探火和失火報警系統，當發生火災時能迅速探測到火情。

《指南》中對動力電池的安全級別分為2級。在電芯的熱失控試驗中，在釋放有毒可燃氣體的同時也釋放氧氣，認為其燃燒（爆炸）風險較高，安全等級為1；若只釋放有毒可燃氣體而不釋放氧氣，其燃燒（爆炸）風險較低，安全等級為2。

根據設備商的單體電芯熱失控試驗表明：本船所使用的電芯安全等級為2。《指南》里對該安全等級的動力電池，要求其電池艙應設有下列固定式滅火系統之一進行保護：七氟丙烷滅火系統、二氧化碳滅火系統或壓力水霧滅火系統。本船選用七氟丙烷滅火系統。當按下七氟丙烷控制箱的電池艙（左/右）的啟動按鈕，聲光報警器報警，系統自動延時30 s（0～60 s可調）后，七氟丙烷瓶頭閥的執行器被完全打開，則開始釋放氣體。

2.5.4 動力電池系統的布置

對于動力電池系統的布置，重點在于考慮動力電池柜的布置。結合本船實際情況并根據CCS《指南》要求，歸納一下主要有以下幾點：

1）對超過15 m長的船舶，若動力電池布設于船艙內，則應至少分設兩個專用艙室。對單個專用艙室的動力電池總存儲能量限制在2 000 kW·h以內。

2）艙內的動力電池與艙壁/甲板間應留夠空間以便電池的通風散熱。當船長不小于20 m時，與艙壁的間距應不小于150 mm，與上方甲板的間距不小于500 mm。

3）動力電池布設時盡可能遠離舷側，避免碰撞的影響。動力電池至船體外板的水平間距不小于500 mm。

4）應設有供船員方便到達開敞甲板上蓄電池箱（柜）的通道。

為此，為滿足相關距離尺寸要求，本船動力電池組布置在主船體中左、右兩側的動力電池艙內，同時考慮到了電池的散熱和防撞空間；動力電池艙布設有梯道，可以直通到達上層露天甲板。2個動力電池艙之間的艙室，則布置了電池控制柜、電池逆變器及隔離變壓器等。如圖6所示。

圖6 折疊門防火試驗

圖6 動力電池系統的設計布置

2.6 動力電池系統的安裝及布設經驗總結

動力電池系統的安裝主要是對動力電池組的安裝。安裝前需確保相關設備支架、基座、電纜貫通件、管系等舾裝件均已安裝到位且不再大規模動火；確保空調、通風系統具備開啟條件。對動力電池組的安裝主要包括電池箱的吊裝、轉運及固定于電池柜，以及對電池箱的等電位線連接、動力電池系統線纜連接等工作。

結合船廠施工過程及后期船東使用情況考慮，在前述設計過程中，除需要考慮電池的散熱、防撞及維修空間之外，電池柜的布置還應考慮電池箱的吊裝、安裝和后期更換、轉運的空間。本船單個電池箱重達130 kg，全船96個。如不提前考慮其吊裝及轉運方案，對船廠而言影響了安裝進度，且增加了安裝難度（狹小空間內容易撞壞電池箱）；對船東而言，也會給后期更換電池箱帶來不便。因此，在設計環節需考慮相關吊裝空間的預留，并提前規劃好轉運路線和方案。另外，由于動力電池組的線束較多，如電池箱與電池箱之間包括高壓線束（即正、負極電源線），加熱線束和低壓線束（包括通訊線等）。每個動力電池艙僅電池箱就數十個，且在電池柜內的排列也較為緊密，根據設計需要既有串聯也有并聯的關系，電纜敷設位置和接線空間也需提前考慮。要充分考慮這些電纜的布設位置和布設方法，使得電纜走線整潔、美觀，保證后期電纜拆卸和電池箱更換的便捷性。

2.7 動力電池系統的試驗

動力電池系統的試驗主要在于對動力電池組的功能驗證，由以下幾個方面組成：

1）上電前檢測。包括單個電池箱的短路檢測以及電壓檢測。

2）上電試驗和監測項目檢查。通過上位機檢測動力電池組內單體電芯壓差、溫差以及電芯數量；檢測單支路電壓、電池系統輸出電壓等。

3）通訊功能檢測。通過人為制造通訊故障（如拔掉通訊線）檢測電池系統在內部通訊斷開時是否報警；檢查BMS與PMS的通訊鏈路是否正常。

4）安全保護和聯鎖功能的試驗。包括高壓互鎖檢測以及急停開關功能檢測。

5）依據《動力電池組容量計算書》進行充放電試驗。

6）檢驗動力電池系統與柴油發電機組在交流母排并網的相關功能及穩定性。

經過電池系統的設計、安裝以及系泊試驗，本船最終在航行試驗中，驗證滿足了總體規格書所規定的“純動力電池供電的情況下在7 kn航速穩定運行不小于2 h”的要求，以及“動力電池系統與柴油發電機組并網使推進器全功率穩定運行”的要求。在航行過程中沒有發生影響安全的報警和故障，表明該電池系統滿足設計要求。

3 結論

本文介紹了“深海01”輪動力電池組的電站配置方案和作業方式。在動力電池系統的設計中，通過提取《指南》中對動力電池系統的緊急關斷、電池管理系統、消防和布置等幾個方面的要求，逐項解析、研究并落實具體方案和措施，做到滿足CCS的《指南》要求。在通過實船安裝動力電池系統過程中，分析總結了動力電池組的安裝條件、布設考慮因素以及試驗內容等。通過對“深海01”輪動力電池系統的設計與建造實踐，以期為今后設有動力電池組的船舶提供相關經驗借鑒。