小型化船舶動力電池技術展望

彭澎，司鳳榮，葉烽

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

未來是海洋世界，海洋資源保護十分重要。特別是國際關系發生了巨大變化，鄰海國家都在爭奪我國領海海域和石油資源，我國海岸線長，未來船舶近海作業綜合能力急待提高，其性能也將發生較大演變，主要最求小型化、安靜型、低能耗等技術，具備速度高、機動性強等特點。

目前電力推進船舶最大航程已達到數千海里，排水量約數千噸，最大航速數十節，具有較強的綜合能力。目前全電力船舶電源都使用鉛酸蓄電池，蓄電池組重量占船舶排水量5%～10%左右。目前使用的蓄電池主要性能見表1。

由上所述，國內船舶用鉛酸蓄電池能滿足目前電力船舶推進需要，蓄電池性能也達到國際先進水平，但是隨著船舶向小型化方向發展，蓄電池技術必須進行大的變革。鉛酸蓄電池必須大幅提高比能，降低重量。同時，根據今后20年電池技術發展，可將鋰離子電池、燃料電池、閥控鉛酸電池、超級電池、超級電容器技術和裝備應用在未來安靜性、小型化船舶上，作為其推進電源。

我們先設定未來安靜性、小型化船舶排水量，并由此設計推進電源技術狀態。其最大航速、航程通過和使用鉛酸電池的船舶比較得出：

小型化船舶最大航速=(新型電池1 h率能量/鉛酸1#電池1 h率能量)*（船舶重量比）*節數；

小型化船舶航程=(新型電池 50 h率能量/鉛酸1#電池5 0h率能量)*（船舶重量比）*海里數。

由于新型船舶尚未定型，推算時未考慮整體阻尼系數變化和其它情況。

1 未來小型化船舶動力電池技術

根據目前技術現狀和發展趨勢，未來小型化船舶動力電池主要選擇鉛酸蓄電池、鋰離子電池、燃料電池等高性能電池。

1.1 鉛酸蓄電池

選擇鉛酸蓄電池作為未來小型化船舶動力電池，主要是因為目前它在國內外電力船舶上的成熟應用。鉛酸蓄電池歷史悠久，技術成熟，成本低廉，應用廣泛，使用方便，沒用復雜的輔助系統。目前鉛酸電池具有大容量、較高比能、長壽命等特點，具備快速充電能力，而且技術仍然具有較大的提升空間，可以作為未來小型化船舶動力電池使用。

鉛酸 1#電池和它剛替代的舊型電池相比，比能提高了 30%。未來 10～20年，還可以在現有基礎上提高40%，1 h率比能達到32. 2 Wh/kg。按照現有電池的重量來設計，其1 h率實際容量可以達到15000 Ah，一條船裝備200只該電池，重量160 T，1 h率能量達到5400 kWh。裝備該組電池，可使小型化船舶航速達到40節，航程達到 1500海里。我們將該型號電池命名為鉛酸 2#電池。也可以提高蓄電池組電壓，設計鉛酸3#電池。鉛酸2#、鉛酸3#電池主要性能參數見表2。

鉛酸2#、鉛酸3#電池關鍵技術有：

1）采用輕質金屬(鈦、銅)制造正負板柵，代替原來的鉛板柵，大大減輕板柵重量，同時將減輕的重量增加到活性物質上，可以大大增加活性物質量；

2） 采用高性能添加劑，提高活性物質利用率；

3）適當提高電解液比重；

4）采用新型輔助系統；

5）采用鎧甲式正極板；

6）具備快速充電能力。

鉛酸2#電池最大充電電流可以達到10000 A，采用新型脈沖充電方法，過渡電壓為2.6 V，充足電時間只需2 h。應急充電15～30 min。提高鉛酸蓄電池比能，采用多項關鍵技術，且具備快速充電能力，管理系統簡單，未來將其裝備在小型小型化船舶上，可以大大提高航速和機動性，降低能耗，符合未來小型化船舶戰技術要求。

1.2 鋰離子電池

未來小型化電力船舶使用鋰離子電池作為動力電源是歷史的必然。

首先是基于鋰離子電池的高比能，目前實際的比能在（100～120）Wh/kg,未來實現其理論比能（160～300 ） Wh/kg非常可能。鋰離子電池的比功率非常高，最高可達320 W/kg，單體電池的電壓在3.7 V左右，大大高于鉛酸蓄電池。具體情況見下表3。

其次是鋰離子電池技術發展神速，近十年來手機用鋰離子電池的發展就能說明問題，其比能、安全性都大大提高，成本大大降低，應用已十分普及。目前國家正在大規模投入鋰離子動力電池研發，特別是純電動汽車，鋰離子動力電池已作為使用和發展的首選，目前在提高單體電池容量、功率、安全性方面正進行國家級專項研究，未來10年估計可以較好地解決這些問題。

未來小型化船舶采用鋰離子動力電池，單體電池電壓3.7 V，1 h率容量14400 Ah，重量240 kg。使用200只電池組成電池組，總重量只有48 T，船舶航速達到 60節，航程達到 1600海里。我們將該型號電池命名為L電池，性能參數見表4。

L電池關鍵技術有：

1）高性能正極材料。目前使用的正極材料包括磷酸鐵鋰、氧化錳鋰等，未來可參雜稀土材料，進一步提高正極比能。

2）安全性。大容量鋰離子電池安全性是最大的問題。鋰離子遷移、結晶、穿刺、高溫燃燒、甚至爆炸等問題是目前鋰離子電池發展研究中急待解決的重要問題。使用新型隔膜和鋰負極，采用新型生產工藝，通過大量投入、研究、試驗、使用，未來20年這些問題可以解決。

3）電池管理系統。鋰離子電池串并聯使用對其均勻一致性要求非常高，成組電池溫度、散熱技術也很重要，電池監控系統技術也要成熟。

提高鋰離子電池容量，保證其使用安全性，完善電池組管理系統，未來20年內，將其裝備在小型小型化船舶上，可以大大提高航速和機動性，降低能耗，符合未來小型化船舶戰技術要求。

1.3 燃料電池

德國M型船舶使用質子交換膜燃料電池，總功率為300/24 kW。基于燃料電池的高比功率、安靜性、零排放等技術優點，和目前世界范圍內對燃料電池電動車的大力研發，未來其系統集成度、氫源技術、安全性等將飛速發展，可以直接將燃料電池用作小型化船舶的動力電源，無需裝備柴油機發電系統，節約船舶空間和重量。

小型化船舶使用燃料電池作動力，可使用10個300 kW質子交換膜燃料電池模塊串并聯使用，總功率3000 kW,過載率120%。使用金屬貯氫（或者甲醇重整）作氫源。未來金屬貯氫重量比提高到10%以上，只要30 T貯氫金屬，貯備的氫氣即可使船舶經航能力達到1500海里。如果將柴電系統的空間用來裝備貯氫金屬，則可使船舶航速達到30節，續航能力不受限制。

燃料電池關鍵技術有：

1）大功率電堆和模塊。質子交換膜燃料電池可根據電壓和功率要求來設計堆型和模塊。大功率模塊的信息管理、熱管理、水管理、氣管理技術已經比較成熟；

2）提高系統集成度和可靠性；

3）安全性。由于船舶大量貯氫，必須保證其安全性。

提高燃料電池技術，保證安全性，完善管理系統，未來20年內，將其裝備在小型小型化船舶上，可以大大提高航速和航程，且無需充電，降低能耗，符合未來小型化船舶戰技術要求。

2 其它電池

2.1 閥控密封鉛酸蓄電池

船舶用鉛酸蓄電池目前都是富液式，給使用維護帶來一定困難。特別是液面高度在充放電過程中波動較大，受溫度和船舶狀態的影響也較大。閥控密封鉛酸蓄電池的特點就是免維護，目前在汽車起動、固定用、電動車驅動方面已廣泛使用。目前針對船舶使用的大容量閥控密封鉛酸蓄電池正在研發中。將其應用于未來小型化船舶，單體電池1 h率容量3000 Ah，一組使用480只，可使船舶航速達到22節，航程1200海里。同時由于其具有免維護的特點，可以大大減少艇員工作量。

2.2 超級電容器

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超級電容器是 20世紀70、80年代發展起來的一種電化學電容器，它是依據界面電化學原理研究出的一種全新儲能器件，目前已經引起廣泛關注和研究。俄羅斯ESMA公司推出的活性炭/氧化鎳混合電容器，比功率超過1000 W/kg。由于其比功率高、壽命長、使用溫度范圍寬、充電迅速，既可單獨充當電源，也可通過系統控制技術與蓄電池或燃料電池組成混合電源。基于目前發展趨勢，提高其比能量，制造大容量超級電容器，應用于未來小型化船舶，可以大大提高船舶航速。

2.3 超級鉛酸蓄電池

超級電池時將電池和超級電容器技術合二為一、目前快速發展的新型電池，具有比功率高、充電速度快等特點。未來20年技術將不斷成熟，容量和比能量不斷提高，應用于未來小型化船舶是可能的。

3 結論

1） 提高鉛酸蓄電池比能，具備快速充電能力，將其裝備在小型小型化電力船舶上，可以大大提高航速和機動性。

2） 提高鋰離子電池容量，保證其使用安全性，完善電池組管理系統，將其裝備在小型小型化船舶上是可行的。

3） 提高燃料電池技術水平，保證其安全性，將其裝備在小型小型化船舶上是可行的，可以大大提高航速和航程，且無需充電，降低能耗，符合未來小型化船舶戰技術要求。

4） 閥控密封鉛酸蓄電池、超級電容器、超級鉛酸蓄電池等經過將來20年發展，技術水品不斷提高，具有應用于未來小型化船舶的可能性。

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[1]桂長清. 實用蓄電池手冊, 機械工業出版社，2010.

[2]郭炳焜，李新海，楊青松. 化學電源， 中南大學出版社，2009：446-502.

[3]Bei Gou，Woon Ki Na，Bill Diong. Fuel Cells Modeling. Control and Applications, 2011：107-109.

[4]桂長清. 動力電池, 機械工業出版社，2012：398-399.