船用模塊化集裝箱式動力電池的運營模式設計

張文芬　湯旭晶　嚴新平　史旭初

摘 要：純電池動力船舶是實現清潔能源動力技術之一，近年來發展迅速。由于船舶電池動力模組容量大制造成本高，船東難以承受初裝投資，以及充電和維護需專業人員管理等應用推廣困難，解決這一問題的有效辦法是將電池動力組做成集裝箱式的模塊化，采用換裝方式為船舶提供電池動力，變傳統柴油動力船舶買油開船為純電池動力船舶租電航行，并實現快速續航。這一電池動力營運模式的變革具有重要意義。本文提出了“船電分離、換電租賃”的新型船舶運營模式，并結合內河64TEU集裝箱綠色智能示范船舶項目進行分析，這種新型運營模式可以提高純電池動力船的運營效率和動力電池利用率，實現交通網和能源網的協同優化。

關鍵詞：船電分離;電動船;運營模式;減排

中圖分類號：TK01? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0006-04

“3060”碳達峰碳中和的發展目標使航運業按下碳減排的“加速鍵”。電動船舶是船舶智能化、綠色化發展的必然產物，也是船舶行業實現節能減排和轉型升級的重要路徑。近年來，電動船舶在內河貨運船舶、景區游船、城市渡輪等得到了廣泛的應用[1-3]。

2020年中國電動船舶用鋰離子電池出貨量達到75.6MWh，市場規模達0.95億元，同比增長67.1%。近年來動力電池技術性能的不斷提升，《中國制造2025》、《產業結構調整指導目錄（2019年版）》、《純電池動力船舶檢驗指南》、《內河綠色船舶規范》等一系列政策標準的出臺，有力支撐了電動船舶發展。

截至2020年底，全國擁有水上運輸船舶12.68萬艘（內河11.5萬艘，占比90%），未來純電動船的推廣應用，將改變水運能源結構。2016年以來，全國各地船舶電動化發展需求非常旺盛，按照2025年船舶鋰電化滲透率20%測算，我國電動船舶市場規模將達到550億元。

盡管我國電動船舶市場潛力巨大，但推廣應用中面臨著諸多難點和阻礙。其一是經濟難點，由于電池動力制造成本高，船東難以承受昂貴的動力電池初裝費用。目前船用磷酸鐵鋰動力電池的價格在2000元/kWh左右， 即容量為1000kWh動力電池價格近200萬，比肩千噸級傳統內河船的造價成本，且經初步估算，1000kWh動力電池僅能維持千噸級船舶航行100km，船舶噸位和航行距離的增加還會使得電池容量需求倍增。其二，電池后期的維護保養及老化退役問題，讓船東們對電動船望而卻步。電池購買后并非一勞永逸，目前船用動力電池的循環壽命3500次左右，電池容量衰減到80%將不能作為動力電池，理想情況下電池使用壽命也僅8年左右，若電池維護保養不當還將加速電池的電池老化、衰減，這意味著若干年后，船東將面臨更換電池的難題，電池使用越久，電池退役的問題會暴露得更加明顯[4-6]。其三，傳統的靠岸充電運營模式影響了船舶運營效率，也制約了電動船舶的推廣應用。一方面，船舶能量需求大，航行環境復雜，里程焦慮問題比電動汽車更突出;另一方面，船舶搭載的動力電池容量大，充電時間長，長時間等待充電將嚴重影響船舶運營，也占用寶貴的岸線資源，不適用于電動船舶未來的發展。

解決這一問題的有效辦法是“船電分離、換電租賃”的運營模式，即船舶不配備固定電池動力組，將電池動力組做成可移動的模塊化集裝箱式，采用換裝方式為船舶提供電池動力，變傳統船舶買油開船為電動船舶的租電航行。這一動力電池營運模式的變革具有重要意義。一來船東只用支付租金，解決了船舶電池動力初始投資成本高的難題，另外電池租賃模式下電池廠家負責電池日常維修保養，船東無需承擔電池退役風險，此外，由于換電操作時間相對短，可實現快速續航，可以提高船舶的運營效率和動力電池利用率，實現交通網和能源網的協同優化。

1船用模塊化集裝箱式動力電池運營模式設計

“船電分離、換電租賃”的新型船舶運營模式能有效解決電動船初始投資成本高的難題，且具有方便快捷，節約充電等待時間的優勢，對于電動船舶未來的發展有很好適應性。

1.1模塊化集裝箱式動力電池

模塊化集裝箱式動力電池因具有國際標準化尺寸和接口，適應于各種運輸工具和裝卸設備，且具有容量大，安全可靠的特點，在船用動力電池領域有廣闊的應用前景。模塊化集裝箱式動力電池是指以磷酸鐵鋰電池為能源載體，采用20英尺標準集裝箱為成組單元的高度集成、大容量、可移動的通用模塊化電源系統。集裝箱式動力電池包括電池管理系統、空調系統、消防系統、配電系統等，可實現模塊與電網間便捷、安全地快速接通與脫離，從而使這種更換模塊實現船舶能量快速補充的換電模式得以實施。近年來，寧德時代、億緯鋰能、國軒等許多動力電池龍頭企業都在積極研發生產船用集裝箱式動力電池。

以億緯鋰能公司為例，研發的20英尺船用集裝箱動力電池容量為1080kWh左右，采用兩層鋼板中間填充A級防火阻燃巖棉的集裝箱殼體，集裝箱尾部配置2個內嵌式10kW空調，內部溫度實時監測，在超過限制溫度35℃后啟動空調運行，電池箱額定輸出電壓576V，額定輸出頻率50Hz，容量1890AH，防護等級為IP67， 采用主動式七氟丙烷消防系統，能量密度為170Wh/kg左右，一個標箱的動力電池重量在15t左右。

1.2模塊化集裝箱式動力電池運營

本文設計了一種船電分離的模塊化集裝箱式動力電池運營模式，船舶上不配備固定電池包，而是裝載模塊化集裝箱式動力電池，當電池電量不足時船舶航行至換電站，進行換電作業，待充電池運送至充電站充電，滿電電池運送至換電站，考慮各充換電站用電需求的隨機性，滿電電池也可以在不同的換電站進行調運，運營模式示意圖如圖1所示。

1.2.1模塊化集裝箱式動力電池換裝

船舶航行至換電站，利用港口裝卸設備將虧電（待充）電池箱從船上卸下至換電站，再將換電站的滿電電池箱更換至船上，轉運工具將虧電電池轉運至充電站進行充電，在保證電池正常周轉的前提下，結合區域分時電價表合理規劃充電時間，一方面節約充電成本，另一方面給能源網進行削峰填谷。滿電電池箱提前運送至換電站，并利用正面吊、叉車等輔助設備進行集裝箱的堆疊和運輸作業;虧電電池箱從船上卸下后再通過集裝箱汽車轉送至就近充電站充電。由于模塊化集裝箱式動力電池裝卸過程中要進行集裝箱接口對準、電池箱網線拔插、接口保護等環節，裝卸時間會略長于普通集裝箱貨物，換電時間約30min。

1.2.2箱式電池的站內配置和站間調度

綜合考慮船舶換電需求、換電站和充電站容量、轉運時間等因素，采用聯合儲備的方式，合理規劃滿電電池箱在換電站、充電站的儲備量。船舶通航環境復雜，充電需求隨機性較大，電池箱需要在各充換電站間進行調運，調運包括水上調運船舶和陸上調運車輛兩種形式，考慮經濟性和便捷性，可將過路船、順路車作為調運交通工具，支付調運費用，委托完成調運。

1.2.3充電模式

按照充電站的位置，電池充電模式可細分為岸邊充電、集中充電（充電站），兩種方式。岸邊充電是指充電站建設在該換電站內或附近岸邊，充電在換電站內或附近完成，通過正面吊或者叉車即可完成虧電和滿電電池箱運輸作業。集中充電是一個充電站覆蓋若干換電站，通常充電站建設在港口內陸地區，將多個換電站電池集中起來充電，完成充電后統一配送?，F階段尤其是少量電動船通行時，換電站間距較大，動力電池調運時間長，調運成本高，不適合集中充電，多在換電站附近岸邊建設充電站，隨著充電網密度增大，可考慮集中充電產生規模效益。關于充電速度，目前200A左右的充電電流的充電樁，理論可以在5h左右完全充滿單個集裝箱。

1.2.4電池租賃的商業運營模式

船東是船舶所有者，是電動船推廣應用的主角。從商業運營的角度，船電分離的運營模式可使得船東無需承擔動力電池的初裝費用，購船成本低，且從換電站租賃電池同時享受換電站的專業服務和技術支持，換下來的虧電電池由廠家收集并負責后期維護保養，這種“船電分離、換電租賃”的新型船舶運營模式變傳統船舶買油開船為電動船舶的租電航行，節省船舶充電等待時間，船舶運營效率高，且隨著電池使用壽命下降和性能價值降低這種租賃需求會顯得更加迫切和明顯。

2實踐案例

2.1項目概況

內河64TEU集裝箱綠色智能船舶是國家重點研發計劃“綜合交通運輸與智能交通”專項的示范工程。浙江省湖州市安吉縣是習總書記“兩山”重要理論的發源地，湖州市也是全國首個獲批建設生態文明先行示范區的地級市和國內唯一一個國家內河水運轉型發展示范區。2020年湖州港集裝箱吞吐量達55.8萬標箱。

示范船為64TEU集裝箱的敞口集裝箱純電池動力船舶，主要航行于浙江湖州安吉縣上港川達碼頭（位于湖梅線暨長湖申西延航道）至上海外高橋航線，該航線全程約為274公里，年吞吐量接近25萬TEU，航線上有25艘柴油動力集裝箱船在長期定點營運，其中單船月平均航次為7-8次。

2.2? 64TEU集裝箱綠色智能示范船舶運營模式設計

64TEU集裝箱綠色智能示范船舶設計航速6kn，載重量1803t，額定功率為2×150kW，船上可同時搭載4個標準20尺集裝箱動力電池，單個電池箱容量為1083kWh。船舶在目標航線上航行的典型工況為下行載重量800t，26.4h到港;上行載重量930t，30.8h到港。

2.2.1充換電站的選址

從起始港安吉上港到外高橋碼頭沿途水上服務區、碼頭4座，可考慮布局充換電服務站，但基于各充換電站建設可行性，包括政策、經濟、配套基礎設施等方面的因素[7-8]，且為滿足64TEU純電池動力船舶航行需求，示范船岸基充換電站建設一期工程的選址為安吉上港碼頭（簡稱安吉站）和閔行吳涇電廠（簡稱閔行站），如圖2所示。

通過在傳統柴油船舶上進行隨船測試得到實時柴油消耗數據，并運用海軍系數法折算為電能需求，測算船舶上下行分段航行能耗需求，并考慮配置電池時需要有20%的富余量，最終得到船舶典型工況下電池容量需求如表1所示。

2.2.2 集裝箱式動力電池營運作業

示范船模塊化集裝箱式動力電池艙位有四個，即最多同時裝載4個模塊化箱式電池，考慮磷酸鐵鋰電池的放電深度不能超過80%，即單個模塊化集裝箱式動力電池的可用電量約為860kWh左右，結合船舶典型工況下電池容量需求表1，設計集裝箱式動力電池營運作業如圖3所示。

分析各航段的電池運營作業情況如下：

安吉站閔行站：船舶在安吉站裝3個滿電電池箱航行至閔行站時，兩個電池箱的可用電量用完，第三個電池箱預計剩余電量為639kWh。

閔行站外高橋閔行站：在閔行站卸2個耗盡電的電池箱，裝2個滿電電池箱航行至外高橋并折返回閔行站，兩個滿電電池箱用完，第三個電池箱預計剩余電量為620kWh。

閔行站安吉站：在閔行站卸2個耗盡電量電池箱，裝3個滿電電池箱航行至安吉港，航行至安吉站，完成整個往返航次，預計剩下電池余量為365kWh。

綜上，示范船從安吉站出發后，下行到閔行站租賃換電一次，到達外高橋折返上行，上行至閔行站租賃換電一次，繼續上行至安吉站。若考慮提高集裝箱式動力電池利用率，船舶下行至閔行站卸下2個虧電電池箱能在船舶返航至閔行站時充好電，則可配置6個電池箱保證一艘示范船營運周轉，實現交通網和能源網的協同優化。

2.3 效益分析

2.3.1船舶運營效率分析

與傳統的充電模式相比，換電模式的運營效率大幅提升。換電運營模式下，示范船往返一個航次，需要進行三次換電作業，換電時間合計約1.5h;若采用傳統靠岸充電的方式，假設岸基配備3個充電樁，往返一個航次也需要10h，船舶營運效率下降，且船舶充電占用岸線資源，影響泊位作業計劃和船舶調度。

2.3.2 經濟效益分析

據統計，該航線上船舶年航次數78次。傳統64TEU柴油動力船舶往返一個航次的能耗為1612L，按照柴油6.5/L的價格計算，船舶每年的能耗費用是81.73萬元;電池動力船舶往返一個航次所需的能耗為5642 kW·h，按照當地政府提供的優惠岸電電價0.33元/kW·h，加上岸電服務費0.7元/kW·h，船舶每年的能耗費用是45.32萬。因此，與傳統的柴油機船舶相比，一艘64TEU船電池動力船舶一年可節約36.41萬元的能耗費用，未來航線上的25艘燃油船舶都更新為電池動力船舶，每年可節約910.25萬元。

2.3.3 社會效益分析

單艘傳統在航64TEU船舶年耗油量為108.55t，參考發改委、環保部頒發的污染物排放計算公式，可得傳統64TEU柴油機船舶年二氧化碳排放量GCO2為336t，年二氧化硫排放量為GSO2為140kg，年氮氧化物排放量為GNOX為1044kg，年顆粒物排放量GPM為258kg。由于64TEU集裝箱綠色智能示范船舶為純電池動力船舶，不存在油水污染、大氣污染，將大幅度減少噪聲污染，跟傳統的柴油機船舶相比，每年可減少二氧化碳排放336t，硫氧化物和氮氧化物排放1184kg，最小顆粒物排放258kg，且無油水污染，具有較好的市場應用前景。該示范船舶也可在我國其他內河水網地區推廣應用。

3結論

國內外電動船舶運營管理處于起步階段，尚未建立成熟的電動船舶運營管理模式。基于船東初始投資、電池保養維護、船舶運營效率等因素考慮，傳統靠岸充電的方式不適應未來電動船舶發展需求。如何科學規劃組織電動船舶運行，提出適用于電動船舶發展的動力電池的充換電運營管理模式，是電動船舶實際運營中亟待解決的現實問題。本文提出了“船電分離、換電租賃”的新型船舶運營模式，試圖解決電動船初始投資大、充電等待時間長等難點。隨著電動船舶批量下水運營，在充換電設備接口標準化、電源接口拔插、多站點融合一體化管理、船員值班制度、現代船員培訓等方面仍面臨著諸多挑戰[9-10]，需要相關從業人員和科技工作者統籌謀劃、精準施策，為電動船舶發展創造更加和諧的運營環境。

參考文獻：

[1]張文芬， 嚴新平. 基于事故樹法的船舶動力電池充換電安全分析[J].交通信息與安全， 2018， v.36;No.215（06）：45-52

[2]瞿小豪， 袁裕鵬， 范愛龍. 動力電池系統在運輸船舶上的應用現狀與展望[J]. 船舶工程， 2019， v.41;No.272（10）：117-123

[3]瞿小豪， 袁裕鵬， 嚴新平. 發展電池動力船舶技術 助推長江經濟帶綠色航運發展[J]. 中國水運（上半月）， 2018， （09）：14-16

[4]孫玉偉，胡克容，嚴新平，等.新能源船舶混合儲能系統關鍵技術問題綜述[J].中國造船，2018，59（01）：226-236

[5]Hui Chen ， Zehui Zhang ， Cong Guan ， et al. Optimization of sizing and frequency control in battery/supercapacitor hybrid energy storage system for fuel cell ship[J]. Energy， 2020， 197（1）：117285

[6]Peng Wu， Julius Partridge， Richard Bucknall. Cost-effective reinforcement learning energy management for plug-in hybrid fuel cell and battery ships[J]. Applied Energy， 2020， 275：115258

[7]孫秉珍，楊佳楠，白軍成等.充電中斷情景下電動汽車充電站兩階段多目標區間選址優化決策[J].2021.03：1-10

[8]張海靜，楊雍琦，趙昕等.計及需求響應的區域綜合能源系統雙層優化調度策略[J].中國電力，2021，54（4）：141-150

[9]嚴新平，實施自立自強科技創新 開拓長江航運高質量發展新局面[N].中國水運報，2021.08-25

[10]呂衛國，加快電動船舶發展 助力交通行業碳達峰[N].中國水運報，2021.04-09.

基金項目：湖北省發展戰略咨詢項目HB2021B09;湖北省教育廳哲學社會科學研究項目20Q070;湖北省高等學校人文社會科學重點研究基地企業決策支持研究中心項目DSS20190104。