艦船大容量電能儲存技術現狀與展望

鄭 曉，余 帆

綜述

艦船大容量電能儲存技術現狀與展望

鄭 曉，余 帆

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

大容量電能儲存是艦船電力推進系統關鍵技術之一，可為艦船提供各種負荷能源。本文闡述了研究艦船大容量電能儲存技術的重要意義，介紹了大容量電能儲存技術劃分種類，分析了艦船主要電能儲存技術，指出新型儲能材料、大數據、人工智能、新型氫能、制動能量回饋儲存等技術在艦船大容量電能儲存發展應用趨勢，得出了中國在大容量電能儲存技術方面良好發展態勢結論。

艦船電能儲存 蓄電池儲能 超級電容儲能 超導磁儲能 飛輪儲能

0 引言

航運業承擔了全球近9成運輸需求業務，同時排放全球約3%的二氧化碳和約15%的氮氧化物，若對航運排放不予控制，按照目前發展趨勢與速度，至2050年，該行業產生二氧化碳在全球溫室氣體排放總量的占比將翻1-2倍[1]。我國在十四五節能減排綜合工作方案中重點提出[2]，要“加強船舶清潔能源動力推廣應用，推動艦船岸電受電設施改造”。而推進和拓展電能等新能源在艦船領域的應用，可以促進艦船行業節能減排、綠色發展。強制性的節能減排要求給艦船各功能分區的設計運行帶來了巨大挑戰，促進了各類新技術的提出和應用，而大力發展艦船電力推進技術已成為艦船動力發展技術的主流趨勢之一。相比于傳統的艦船動力系統，電能動力系統具有對環境友好、使用壽命長等諸多突出優點。其中，大容量電能儲存是電力推進系統的重要環節，在艦船上采用大容量電能存儲裝置，可以將制動能量儲存起來，并在其他負載需要時（如啟動、加速階段）將所儲存能量提供給負載或當系統中其它負載需要時將存儲的能量進行高效輸出，可以有效地彌補燃料電池的缺點，減少燃料電池的輸出功率波動，從而提高電力推進系統的穩定性，延長電池的使用壽命等[3, 4]。

電能是艦船動力設備的能源，穩定、可靠的電能存儲系統是直接關系到艦船安全與效率。大容量電能儲存技術是艦船新能源革命至關重要環節，對推動艦船行業節能減排、綠色發展、提高能源利用率具有重要意義。同時，隨著各類諸如電磁彈射器、電磁攔阻、電磁炮、有源雷達等高功率設備在艦船上的應用[5-7]，也給艦船大容量電能儲存技術帶來了巨大的挑戰。

1 艦船大容量電能儲存技術現狀

1.1 大容量電能儲存技術種類

大容量電能存儲在艦船上的應用主要分以下幾個方面：一是用于艦船動力推進，二是用于艦船常規配電例如艦船動力，三是特殊裝備電力供應要求。艦船在不同工作狀態和工作場景下，對電能儲存特性和安全性有不同的要求。

一般地，依據艦船電能需求特性和工作時長等不同要求，艦船大容量電能儲存技術可以分為功率型電能儲存、能量型電能儲存和備用型電能儲存等不同類型[8]。其中，功率型儲能功率密度較高，以高放電率快速高效釋放電能，主要用于瞬間高功率放電場景，例如在電磁彈射，電磁炮等大功率裝備運行時瞬間高功率電能釋放場景。相對于功率型儲能，能量型儲能的能量密度更高，放電時間相對較長，主要用于高能量存儲、轉移的場景，例如采用電力推進系統艦船的正常啟動、制動、轉向等一般性能量釋放場景。備用型電能儲能在艦船一般性正常工作時不啟用，而是在供電網絡電壓跌落或者突然斷電故障時，能夠作為不間斷電源立即提供緊急電力，是保障艦船緊急場景下正常工作的備用電能。

1.2 艦船主要電能儲存技術

艦船電能儲存系統在應用方面的需求主要來自兩個方面：第一個方面，是對儲能設備的能量需求，例如因航速變化引起推進負荷變化，需要減小艦船負荷巨大的峰谷差以保障經濟運行。同時，電能儲存系統也可作為艦船的不間斷電源輔助艦船運行。第二個方面，是對各類艦船設備的功率需求，例如平抑海浪隨機性等對推進器的影響，調整艦船的電壓和頻率；電磁彈射、有源雷達等高能武器裝備的短時高功率電能釋放要求等。

1.2.1 蓄電池電能儲存

蓄電池電能儲存，顧名思義就是將電能以化學能的形式貯存并可將化學能轉化為電能的一種電學裝置，也成為二次電池。根據所采用化學物質的不同類型，主要可以分為鉛酸電池、鎳基電池和鋰電池等[9]。艦船領域所用蓄電池，必須鉛酸電池最早于19世紀60年代被發明，已經歷了近160年的發展歷程。鉛酸電池在我國使用時間較早，在早期艦船領域使用范圍最廣。鉛酸電池是目前技術條件最成熟、應用時間最久的能量型儲能技術。鉛酸電池最大的優勢是價格低廉、電壓穩定、自放電率低，但是其能量密度較低，大規模應用不可避免存在體積和重量過大等弊端。

鎳基電池主要分為兩類[8]，鎳鎘電池和鎳氫電池。相比其他類型電池，鎳基電池在低溫環境下仍具有較好的電氣性能，其能量密度比鉛酸電池更高，循環使用壽命也比鉛酸電池更長。同時，鎳基電池內阻較鉛酸電池高，需要控制定值電流充電，與鉛酸電池相比其成本較高。鎳基電池中，鎳氫電池相比于鎳鎘電池不含有毒的鎘元素，對環境更加友好；完全相同尺寸大小情況下，鎳氫充電電池容量比鎳鎘電池高約1.5～2倍。

此外，鋰電池作為蓄電池的一種興起于21世紀初期，是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰等鋰元素電極材料電池的統稱。鋰電池實質上是一種具有濃度差的電池，當鋰離子通過隔膜材料從化學電勢較高的插層材料電極向電勢較低的電極移動時，電荷補償電子通過外電路移動，進而形成電流以供輸出使用。相比于鉛酸電池和鎳基電池，鋰電池的能量密度更高，且具有極高的能量效率（>97%）和極低的自放電率（<0.3%/天）[10]，同時鋰電池不具有明顯的記憶效應。但是，鋰電池存在一定的安全性問題，由于其采用的是金屬電極材料，在高溫下電極有可能會融化而導致短路進而造成安全事故，且鋰電池的壽命又受放電深度和電流大小的影響，長期深度放電和大電流放電都會嚴重損耗電池壽命。一直以來鋰電池作為最具前景的能量型儲能技術受到眾多關注，相關儲能技術研究也取得了長足發展。

1.2.2 超級電容電能儲存

超級電容又稱電化學雙層電容器，是一種新型儲能技術，能夠提供強大脈沖功率的環保型物理二次電能存儲設備[11]。超級電容主要通過電極之間的電場儲存能量，主要由三部分組成，分別為電極、隔膜、電解質溶液。在能量的儲存與釋放過程中，既不發生氧化或者還原反應，只有正負電荷的有序移動。超級電容基本結構示意圖和經典等效電路示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 超級電容基本結構示意圖

圖2 超級電容經典等效電路示意圖

圖2示意圖中R為超級電容內阻表征充放電過程中的能耗，R為表征漏電流的漏電阻，因其數值較大，可忽略其影響。

超級電容是典型的大功率密度儲能單元，具有使用壽命長、工作范圍廣、無污染排放、狀態易監控等優點，超級電容在工作過程中，只依靠電荷和離子的高度可逆移動，而不是化學鍵的破壞來儲存電量，因此可循環充放電數十萬次，而不會對其性能造成損壞，適合混合動力艦船中吸收高頻功率波動，減少功率波動，穩定主線電壓。

1.2.3超導磁電能儲存

超導磁電能儲存是一種基于超導線圈的電能儲存設備，主要利用導體在超低溫下的超導特性，利用大電流產生的磁場儲存能量。直流電饋送到超導線圈建立強磁場儲存電能，隨后該磁場通過逆變器釋放和產生脈沖電力。超導電磁電能儲存最大的優勢是效率極高（>97%），幾乎沒有任何能量損耗，主要來自外部的電力電子器件，并且其具有很高的功率密度。

其最大的缺陷在于維持超導狀態需要極低的溫度環境（

1.2.4 飛輪電能儲存

飛輪電能儲存主要是利用高速旋轉運動的大質量飛輪將電能以動能的形式儲存起來。當需要儲存電能時，電能可以驅動電動機使飛輪加速運動；當需要飛輪儲能放電時，飛輪會反向驅動電動機以向外界供電，同時飛輪減速。飛輪以動能形式儲存能量，儲能密度是儲能裝置的關鍵要素之一，其表達公式可以定義如下：

式中，為飛輪系統儲存的能量大小（W×h），為飛輪的轉動慣量（kg×m2），為飛輪的轉動角速度（rad/s）。

由式（1）可知，飛輪的轉動角速度越大，其儲存能量越大；反之，其儲存能量越小。對于某種固定材料制成的機械轉子，其相應地其可承受地最大離心力是固定要求的，而離心力與轉動角速度成比例關系。因此，飛輪能夠儲存的電能上限是受到所選用材料等約束的。

與其他電能儲存設備相比，飛輪儲存電能具有一系列優勢，例如飛輪儲能設備設計使用壽命長，一般可以達到20年，遠超過化學電池的壽命。在工作期間，所需要的保養工作量小，壽命周期費用低。通過采用復合材料轉子，可以減小其尺寸和質量，能進一步提高其能量密度。飛輪電能儲存系統另一重要優點在于其運行狀態是可預見的，可以精確地根據飛輪運行速度來判斷其電能儲存狀態。其性能不會隨著電能充注/釋放的循環頻率、深度而變化，一般能夠運行幾萬甚至十幾萬個循環次數。此外，飛輪電能儲存結構設計緊湊，體積小，無污染，儲能密度高等優點，所以被公認為艦船電力系統中較為理想的脈沖功率電源系統。在艦船電磁彈射等高能裝置場景中，飛輪儲能系統作為大容量電能儲存設備，與其相關研究技術得到了長足的發展。

2 艦船大容量電能儲存技術發展趨勢

2.1 新型儲能材料

儲能材料是儲能系統的關鍵支撐基礎，效率、安全性和經濟性是儲能材料在船艦大容量儲能系統應用的重點因素。例如飛輪儲能材料方面，突破了新型高強合金鋼飛輪轉子技術；新型固態電解質方面，研制了Li2ZrCl6新型電解質體系以及超薄、高離子電導、高穩定性的鋰離子交換沸石 X(LiX)固態電解質膜(LiXZM)等新型材料。新型儲能材料的研發創新[12]，對于推動船艦大大容量儲能發展應用具有十分重要的意義。

2.2 大數據+人工智能儲能智慧管理

利用研究前沿的大數據和人工智能技術，通過大數據采集、分析及動態服務等功能模塊，能夠支持電能儲存分布式監測、互動節能服務等新型業務。同時通過分析不同運行狀態和類型儲能設備組的大數據，可以實現儲能設備優化組合，動態調整儲存、釋放狀態，整體提高能源利用率，實現資源有效配置。此外，隨著人工智能方法和算力硬件的不斷進步發展，通過分析計算大量樣本數據，可以解決儲能系統容量配置中成本最低、低碳效益最大等一系列優化問題，最大程度發揮不同系統儲能作用。

2.3 新型氫燃料電池技術

隨著國家對新型能源的大力扶持，氫燃料電池與制氫技術不斷取得進展和突破。有別于其他傳統燃料電池，氫燃料電池是將氧氣與氫氣的化學能轉換成電能的發電裝置，理論上生成物僅為水，具有高效、無污染、運行噪音低等諸多優點；同時，氫儲能在大規模存儲方面占有優勢，具備一定程度的快速響應能力，在新型電力系統各個環節均有較強的應用價值，在船舶大容量電能儲存方面具有廣泛的應用前景。

2.4 制動能量回饋儲存

艦船在制動時，在制動力作用下并結合船體本身阻力的作用，會使船體迅速減速停航。阻力所做的功會以熱能形式散發掉，制動回饋能量可以將船體動能轉化成電能并儲存。但是在船體迅速制動過程中，局部儲能器件電壓會急劇升高，主回路大功率器件和變頻器過壓保護裝置帶來很大的危害，當變頻器裝置的運行發生故障時，艦船制動將處于不可受控狀態，嚴重時可危害艦船以及船員的安全。因此，研究制動能量回饋儲存具有十分重要的現實意義。

3 結語

大容量電能儲存技術對于艦船行業節能減排、新能源革命具有重要戰略意義。本文針對目前艦船大容量電能儲存技術進行梳理，重點分析和討論了目前主要應用的不同類型儲能技術，并對大容量電能儲存技術的未來發展趨勢做出有現實意義的探討和展望。

中國大容量船艦電能儲能系統有望保持規模化發展的良好態勢。在國家新能源政策持續推動下，相關技術領域將會取得不斷進展，中國船艦大容量電能儲存技術將繼續保持向好發展態勢，繼續加速“跑進”國際儲能技術前列地位。

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Status and prospect of large-capacity electrical energy storage technology for ships

Zheng xiao, Yu Fan

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2022）10-0169-04

2022-07-08

鄭曉（1991-），女，工程師。研究方向：機械設計及理論。E-mail: 136252524@qq.com