船舶儲能系統設計關鍵技術綜述

王海江

（中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海 201100）

船舶是排放大戶，近年來各國航運業積極行動，不斷推動和拓展綠色船舶技術的應用，將電化學儲能系統作為一種典型的電源引入船舶電力系統中，通過等效折減常規柴油發電機組裝機容量（或輸出功率）的技術途徑，顯著降低船舶能效設計指數（EEDI或EEDX）和船舶廢氣排放量，必將在船舶電力系統中大范圍使用。

但是船舶電力系統作為一個特殊的微電網，工況復雜，環境復雜，電池的充放電策略更復雜，在船舶儲能系統的產品研發和使用過程中，需要不斷突破關鍵技術設計理念，完善系統集成技術，為船舶儲能技術在船舶上的廣泛應用提供技術基礎。

1 新型船舶電力系統組成

船舶電力系統是一個獨立的電力系統，配電裝置主要包括主配電板、應急配電板、電池充放電板、分配電板、岸電箱和交流配電板等，系統特點是輸電距離短、線路阻抗低、各處短路電流大和工作環境惡劣。

常規船舶的典型運行工況主要包括正常航行工況、進出港工況、裝卸貨工況、停泊工況和應急工況，船舶電力系統必須要為船舶在全工況下正常運行提供電力保障服務，并留有適當的裕量，確保長期連續可靠供電。

近年來，隨著各種清潔能源電能在船舶上的應用，不斷增加了船舶電力系統的復雜程度，對船舶電網的響應性和保護要求越來越高。綠色船舶電力系統的原理如圖1所示。

圖1 綠色船舶電力系統原理

2 船舶儲能關鍵技術

隨著鋰電池制造工藝趨于成熟和原材料價格大幅下降，儲能項目的投資成本和建設周期大大降低，同時國家也積極配套了相應的優惠政策措施，最終促成了大量陸地儲能項目的落地實施，根據實際運行數據測算，這些項目收到了良好的經濟效益和環保效益。

近年來儲能技術開始向船舶領域延伸，但是鑒于船舶海上運行工況復雜，船舶微網電力供應不穩定、不連續，以及隨船舶航線、氣候條件變化等特點，對船舶儲能系統電池的性能和系統控制策略提出了較高的要求，需要攻克相關關鍵技術才能促進船舶綠色健康發展。

儲能在船舶上的應用主要分兩方面：一是用于船舶動力推進，二是用于船舶常規配電，尤其是作為船舶動力用電池，對電池充放電特性和安全性有更高的要求，在電池選型和控制策略設計時需特殊考慮。

鑒于儲能技術在船舶應用上的特殊性，本文結合實際項目經驗，匯總船舶儲能系統設計時應考慮的關鍵技術，要求如下：

2.1 電芯選型及集成設計

電芯是儲能系統的核心部件和基礎部件，電芯的充放電特性和安全性直接決定了儲能系統的整體性能，尤其是對于船舶儲能項目，安全性是第一位的，選擇經過船級社認證的電芯和電池管理單元是門檻，也是確保項目順利執行的關鍵。根據項目不同需求進行系統集成設計，采用合適的電池管理策略，可以防止電池出現過充電和過放電，均衡單體電池間的能量，延長電池的使用壽命，在線監測各個電芯狀態，一旦出現異常及時采取措施，防止事態擴大，確保儲能系統穩定、可靠地運行。

2.2 電池艙熱管理方案設計

鋰離子電池的正極材料一般為鋰合金金屬氧化物，負極材料為石墨，電解質一般為非水類，鋰電池最適宜的工作溫度范圍為15~30℃。根據鋰電池電化學特性和產生機理，當電池工作在過高或過低溫度時會導致熱失控和熱散逸，會對電池的使用壽命造成不可逆影響。在船用儲能系統中，電池單元主要存放在兩個地方，機艙密閉艙室和甲板集裝箱內，都需要電池艙內配置合理的熱管理方案，確保電池工作在最合理的溫度范圍，保證系統長期穩定可靠地運行。

2.3 功率變換器設計

船舶電力系統母線主要有兩種類型，直流母線和交流母線，由于儲能鋰電池裝置充放電均為直流電，所以針對船舶母線的不同類型，可以選擇雙向DC/DC或雙向DC/AC變換器作為儲能裝置接入船舶電力系統的功率變換器，而且必須要在2個波動周期內完成儲能電能接入船舶母線，盡可能避免諧波的產生，保證船舶負載的連續運行，其轉換效率直接決定了儲能系統的運營成本、電流質量、電池使用壽命和系統可靠性等。

雙向DC/AC變換器常用的拓撲結構有三相半橋式、雙向Z源和模塊化多電平3種方式。三相半橋式結構簡單、成本低、應用多且技術成熟，缺點是交流側有大量諧波，實際使用時要加裝濾波裝置；雙向Z源是從橋式雙向變換器發展而來的，不同之處是在變換器與直流側之間添加了一個Z源網絡，缺點是體積大，啟動沖擊大；模塊化多電平是由若干個SM模塊和6個對稱的電感組成，配置靈活，供電穩定性好、諧波少，但成本相對較高。在進行系統集成方案設計時會根據不同項目的各自特點選擇不同的拓撲結構，但對于船舶儲能系統，由于三相半橋式加濾波裝置結構技術成熟、成本低等優點受到業界青睞。

雙向DC/DC變換器拓撲結構種類繁多，主要分隔離型和非隔離型。隔離型的拓撲結構主要有：雙向反激式、雙向正激式、雙向推挽式、雙向半橋式和雙向全橋式；非隔離型的拓撲結構主要有：雙向Buck-Boost、雙向Buck/Boost、雙向Cuk和雙向Sepic-Zeta。每種結構都有對應的應用范圍，在做系統集成方案設計時，需從拓撲結構特點、實現難易程度、體積重量以及綜合成本等方面綜合評估，選擇合適的方案。

2.4 電池艙消防安全系統設計

儲能系統的安全防護可以從3個緯度進行分析，一是本體安全，主要指選用安全的鋰電池；二是過程安全，主要指系統方案設計合理、BMS監控單元有效；三是消防安全，主要指火災預警和滅火系統設計合理，能夠早期預警并發揮滅火效果。對于船舶儲能系統，消防安全系統設計時要配置如下功能并獲得船級社的認可：

（1）感溫/感煙探測

通過監測集裝箱內煙霧濃度和頂部溫度判斷電池艙的火災狀態。

（2）CO/H2氣體探測

通過監測集裝箱內氣體的濃度判斷電池的安全狀態。

（3）自動氣體滅火

當消防主控制器收到感溫/感煙探測器和C0/H2氣體探測器的高濃度報警信號后，自動打開氣體噴射閥進行滅火。

（4）視頻監控

便于遠程監控電池艙內部電池狀態，一旦內部發現異常，可通過緊急啟停開關停止系統供電，并啟動滅火系統，防止事態擴大。

（5）強制排風

一旦電池艙內部出現險情，立即啟動強制排風系統，將電池艙內部危險氣體強制排出，防止有害氣體聚集，確保人員進入電池艙后安全。

（6）壓力泄放

當電池艙內部發生異常情況，導致內部壓力迅速升高，壓力增加到一定程度后，壓力泄放閥自動打開，防止艙室內壓力過高損害部件。

（7）防雷保護

對于安裝在船舶甲板上的集裝箱式儲能單元，為了防止直擊雷，應設置避雷針，確保裸露在戶外的儲能設備處于防雷保護范圍內，同時要在儲能變流器的交直流側和中壓母線進出線上裝設避雷器，對于其他電氣裝置也要裝設避雷器。

（8）接地

集裝箱外部殼體需提供螺栓安裝和焊接2種固定方式，螺栓固定點和焊接點與整個集裝箱金屬外殼可靠聯通，內部所有電氣柜底部位置需在集裝箱底部槽鋼或支架上焊裝接地柱，每個柜子底部接地柱數量不少于2個；集裝箱所有開門處內側和門柱梁底端也需加裝接地柱，門上接地柱跟門柱梁接地柱之間用銅編織帶連接。

3 船舶儲能控制策略

船舶儲能系統的控制主要包括4個方面：電芯的充放電控制和狀態監測、電池艙的熱管理和消防安全控制、儲能變流器控制和系統協調控制等，各層級采用的合理、高效的控制策略將直接決定儲能單元的性能和船舶運營經濟性。

（1）電芯的充放電控制和狀態監測主要包括儲能三級控制中的前兩級，主要功能是管理電芯的充放電、均衡各電芯實時狀態、監控電芯的電流電壓和單體溫度、監測各電池單元的短路和絕緣狀態。

（2）電池艙熱管理和消防安全控制主要功能是通過在線監測電池艙室內環境溫度，實時調整變頻空調的運行狀態來確保室內環境溫度在合適的范圍內，當有險情發生時，消防安全系統自動啟動，防止事態擴大，減少損失。

（3）船舶儲能用變流器主要是單級式變流器，有3種基本控制模式：有功無功解耦控制、恒率恒壓控制和下垂控制，由于船舶負載和船舶電能具有復雜性，船舶儲能變流器的控制策略要兼容并舉，根據工況需要在這3種模式間平滑切換，減少對船舶主電網的沖擊。

（4）系統協調控制是指船舶儲能單元跟船舶PMS系統之間的溝通協調策略，目的是為了有效連接儲能單元和船舶主配電系統，實現充放電快速切換，減少諧波，實時顯示系統運行狀態，記錄活動事跡及歷史數據等。

4 結論

進行船舶儲能系統集成設計時，需要針對不同的功能要求、不同的使用工況和不同的環境處所，采用不同的設計思路，抓住關鍵技術的設計要求，進行個性化設計，通過實船項目的實施，不斷積累設計經驗，提高船舶儲能系統的性能和可靠性，為“碳達峰，碳中和”助力。