淺談純電池推進在珠江水域游船上的應用

李科沛 姚富文 柳春曉 潘海優 吳梓峰

摘? ? 要：隨著美麗中國建設的穩步推進，珠江游船開始向純電池動力方式轉型。本文主要描述純電池作為船舶動力方式在珠江水域游船中的應用情況，并對電池選型、電池系統安全性進行多方面的分析，為同行提供純電池推進船舶設計思路，對珠江水域純電池動力船舶的應用和發展具有一定的價值。

關鍵詞：純電池；珠江游船；磷酸鐵鋰電池

中圖分類號：U662.3? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Application of Pure Battery Propulsion in Tourist

Boat in the Pearl River Waters

LI Kepei1 ，? YAO Fuwen2，? LIU Chunxiao2，? PAN Haiyou1，? WU Zifeng1

（ 1.Guangdong Shipping Science Research Institute ，? Guangzhou 510050; 2. Foshan Branch of China Classification Society ，? Foshan 528000 ）

Abstract： With the steady progress of building a beautiful China in China， the Pearl River cruise ships began to transform to battery power. This paper mainly describes the application of pure battery as a ship power mode in cruise ships in the Pearl River waters， and analyzes the battery selection and battery system safety in many aspects， provides a design idea for pure battery ships for people of the same industry， and has certain value for the application and development of pure battery powered ships in the Pearl River waters.

Key words： pure battery;? pearl river tourist boat;? lithium iron phosphate battery

1? ? ?前言

眾所周知，石油是不可再生資源，目前世界石油儲量據估計為10 000億噸左右，一旦石油枯竭，將對生活產生巨大影響。隨著近些年新能源汽車的不斷推廣和使用，在同是交通工具的船舶上，如何利用新能源替代傳統能源，是未來船舶行業發展的首要課題。

隨著廣州旅游業的高速發展，珠江游這一極具羊城特色的文化品牌已成為廣州的特色旅游名片，近幾年珠江游旅客人數不斷增加，市場前景廣闊，根據目前各游船公司反饋的相關信息，珠江游運力需求巨大，增加珠江游船運力是一個極佳的市場切入點。

黨的二十大報告提到要推進美麗中國建設，加快發展方式綠色轉型，推動交通運輸、能源結構向綠色化、低碳化轉型，倡導綠色的生活方式及生產方式。并提到要推動能源清潔低碳高效利用，推進工業、建筑、交通等領域清潔低碳轉型，提升生態系統碳匯能力。

2023年5月，廣東省交通運輸廳印發《廣東省綠色港口行動計劃（2023-2025年）》，明確提出逐步推進港作機械和車船油改氣、油改電或改氫能源等綠色能源，加快在港區規劃建設充電、加氣、加氫站，優先在客運港口配置公共充電設施[1]。

廣東省在新能源汽車領域開展了廣泛的節能減排工作，作為另一種交通方式的船舶，目前珠江游覽船主要采用傳統柴油機推進或柴油發電機交流電力推進方式，航行時噪聲大、污油水排放量大、硫化物、氮氧化物和二氧化碳氣體等氮氧化物排放量高，對珠江兩岸景觀河道環境造成了污染，也影響了珠江兩岸市民的生活。采用純電池作為推進動力的船舶，具有零排放、低噪音等優點，應用到珠江流域將使該水域的空氣污染、水污染排放量大大降低，實現珠江生態建設健康發展。

2? ? ?電池選型分析

船用電池早期主要以鉛酸蓄電池為主，由于鉛酸蓄電池循環充電次數少、能量密度低、單位質量能量低、使用壽命低，很難在船舶中推廣使用。

目前在車用電池方面，主要有以下三種方式：鋰離子電池、燃料電池及超級電容。其中，鋰離子電池廣泛應用于電動車行業，在未來一段時間都會占據主要市場地位。表1為三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池及鈦酸鋰電池的優缺點對比表。

在船舶領域，《太陽能光伏系統及磷酸鐵鋰電池系統檢驗指南》（2014）及《鋼質內河船舶建造規范》（2016）公布后，已有數家動力鋰電池廠家及系統集成廠商取得了相關船舶產品認可證書，磷酸鐵鋰電池已經通過在船舶上使用的條件及技術上的檢驗，為純電池推進船舶提供了可靠的動力保障。2019年中國海事局發布《內河小型船舶檢驗技術規則》（2019），明確了內河船舶純電池相關設計及檢驗的要求；同年CCS新發布《純電池動力船舶檢驗指南》，明確了純電池船電池系統的相關設計指南；2022年中國海事局發布《國內航行海船法定檢驗技術規則》修改通報，補充了海上船舶使用鋰離子蓄電池的要求，為海船、內河船舶向純電池推進方式發展提供了技術支持。由此可見，隨著鋰電技術的發展，相關政策、法規、技術文件的不斷出臺與更新，純電池在珠江水域游船的應用將會越來越廣泛。

3? ? ?純電池動力船型分析

目前珠江水域游船受河道寬度、水深、橋梁高度等影響，普遍船長在35～50 m、吃水不超過2.5 m、主甲板上設二層上建，船型主要為單體船、常規雙體船。

常規雙體船由左、右兩個片體以及中間的連接橋構成，其特點是寬度較大，甲板以上空間較大，橫向穩定性能好；雙體船因主甲板以下分左、右兩個片體，片體較窄，艙室較多，底艙空間較難布置，艙底、消防、通風、透氣等系統均較單體船布置更復雜，且因電池組之間、電池組和片體外舷、內舷均有最小距離的要求，使電池艙布置難度較大。

單體船特點是甲板以下艙室較寬，電池組、電柜、泵組機械件較好布置，底艙管路相對較少，但甲板面相對較窄，橫向穩定性能相對較差。

我們設計的三艘純電池動力珠江游船，其中“金龍魚”號、“珠江王子”號為雙體船，“珠江公主”號為單體船； “金龍魚”號總長38 m、型寬12 m、型深3.2 m、設計吃水2.2 m；“珠江王子”號總長42.5 m、型寬12.5 m、型深3.3 m、設計吃水2.26 m；“珠江公主”號總長36 m、型寬8 m、型深3 m、設計吃水1.9 m。圖1～3分別為三艘船的外形圖。三艘純電池推進珠江游船整體性能良好，全船振動、噪音較原有的柴油動力船有了極大的改善。

4? ? 純電池電力推進系統的優勢

4.1? ?環保減排方面

使用純電池作為船舶動力，取消了柴油發電機組，實現了廢水、廢氣零排放。以“珠江王子”號游船為例，其在最大航速10 kn下航行時間可達3 h，在經濟航速7 kn下航行時間可達7 h，實現了零排放。參考同為40 m級的“穗港之星”號游船，其動力為柴油主機型，配置2臺237 kW主機用于推進，最大航速為10 kn，2臺240 kW的柴油發電機組用于船上設備及生活用電，其中一臺使用一臺備用，按其實際運營情況，每天經濟航速7 kn運營時間約6 h，其在經濟航速7 kn時的主機功率約為90 kW，用于船上設備及生活用電的柴油發電機平均消耗功率約為200 kW，柴油機耗油量按0.2 L/kW.h計算，每天所需燃油約456 L，按每年運行330天計算，每年消耗燃油約128 t，產生的二氧化碳排放量約為409.6 t。

由此可見，珠江水域40 m級游船采用純電池作為動力，每年可減少約400 t的碳排放量，在環保減排方面起到了很好的示范作用。

4.2? ?運營成本方面

參考 “穗港之星”號游船，其一年消耗柴油約128t柴油費用約為921 600元。

按“珠江王子”號游船取與“穗港之星”號游船相同的船舶使用功率進行分析，其每天使用推進設備及發電設備總功率為 380 kW，運營時間同樣按6 h計算，每天消耗電量為2 280 kWh，“珠江王子”號游船一般在晚上低谷時進行錯峰充電，根據廣州市電價價目表，按全年工作330天測算，年動力成本僅為251678元，較“穗港之星”號游船每年節省動力成本約67萬元。

“珠江王子”號游船，其動力系統及電池成本約為1200萬元，比“穗港之星”號造價高約1200萬元，因廣東省政府對純電池動力船有50%的補貼政策，即采用純電池動力系統僅比采用柴油機動力系統只高約600萬元。考慮電池組充放電循環次數為4 000次，按每天充電1次，電池正常使用可達10年以上，純電池船使用10年可節省動力成本約670萬元，即10年可將增加的動力系統成本回收。按電池組按每10年更換1次，更換電池組費用約550萬元，更換電池組后使用10年節省的動力成本也可回收電池組更換成本。

由此可見，純電池動力游船雖然初始投入成本較傳統柴油機動力船要高，但后期可為船東大大節省運營成本，所以總的來說純電池動力游船的投資及后期運營成本與柴油機動力船相差并不大，且純電池動力船在晚上錯峰充電，對城市優化電力配置也起到了重要的作用。

5? ? 純電池動力系統安全性分析

5.1? ?動力源失控對電池艙布置的影響

對于純電池動力船舶而言，動力電池作為全船唯一的動力源，一旦發生火災或其他造成電池失控的緊急情況，船舶將失去動力，這對船舶的自救造成巨大的困難，同時在內河中容易阻礙航道發生其它次生事故。為此，我們在設計時應將電池進行分艙處理，分為左、右舷兩個獨立電池艙，兩套推進系統分別與同側的電池艙相連，船上動力系統采用獨立分區供電的系統結構，當一套推進支路發生故障時，其余一套推進支路仍可正常運行。當單個電池艙室發生意外事故切斷電源后，僅會使一套推進設備失電，另一個電池艙仍可以為另一套推進設備供電，為船舶避險或返航提供動力保證，同時配備24 V鉛酸蓄電池作為應急電源。

5.2? ?浮態與穩性對電池艙布置的影響

由于蓄電池組重量大、重心低，對穩性有利，使船舶具有良好的浮態。在設計過程中，根據蓄電池組的布置、安裝檢修通道寬度、散熱空間裕度初步推算單個電池艙的艙長，同時初估船舶的重心位置以確定電池艙組的縱向位置，將電池艙設置于艙底，使整船重心盡可能降低，保證船舶具有良好的浮態和穩性。

5.3? ?碰撞對電池艙布置的影響

碰撞是船舶航行及使用過程中較為常見的事故，船舶發生碰撞會造成船體變形或破損，并可能造成對電池的擠壓，甚至造成電池艙進水，對電池單體及電池系統形成巨大的安全隱患。

在設計時電池艙底部應設置雙層底，一方面雙層底結構較強可以更好地支撐電池組框架，另一方面可減小船底進水的影響；電池艙縱向布置應在首、尾端防撞艙壁之內，電池箱柜盡可能遠離船舶舷側，以減少碰撞的影響。

5.4? ?消防需求對電池艙布置的影響

電池由于自身的特性，使電池艙具有較高的失火危險性。為降低其在發生火災時造成的影響，內河法規中要求電池艙內部作全圍蔽A60防火分隔，與客艙分隔開；且有脫險通道直通開敞甲板，當船舶電池艙內出現險情時，能夠為電池艙內可能存在的檢修維護人員提供安全、快捷的脫險通道，保障人員盡快逃生；逃口處設置斜梯，縮短人員脫險時間；（下轉第頁）（上接第頁）

在電池艙內部設置獨立的七氟丙烷滅火系統，在脫險斜梯口設置消防水接口，多重保障船舶安全。

5.5? ?電力推進系統對電池狀態的影響

從整個電力系統出發，保障實時不間斷地對每個電池模塊狀況的監控；正常使用及充電時，電力系統會實時調整各個電池簇的充放電平衡，保證電池的一致性；停船靠岸及充電時，電力系統仍能監控各電池狀態，謹防停放及充電時電池故障。

6? ? ?結語

本文主要描述了純電池動力在珠江水域游船中的市場前景及政策推動、電池選型、電力系統的優勢及安全性、純電池動力船型設計等問題。純電池動力船舶在珠江水域極具優勢，實現了零排放、零污染，又降低了珠江兩岸的傳統柴油推進噪音污染，且采用錯峰充電的方式為船舶電池充電，很大程度上減少了船舶動力成本。

隨著交通方式不斷向綠色、低碳化轉型的力度逐步加大，純電池動力船舶在珠江水域的發展將按下加速鍵，并推動珠江水域兩岸充電樁的發展，對其他船型向純電池方向轉型提供技術支持，相信未來珠江水域游船純電池推進占比會越來越高，為珠江水域帶來更好的生態效益和經濟效益。

參考文獻

[1] 王曉玉，? 蘇普遠.基于SCP視角的動力電池行業分析[J].物流工程與管理， 2020.

[2] 廣東省交通運輸廳.廣東省綠色港口行動計劃（2023-2025年）[Z].?2023.