新型鐵電池電力推進系統在船舶中的應用前景分析

李興宇 杜慶森

摘 要：本文結合對船舶行業節能環保的發展趨勢分析，通過對傳統柴油機推進、柴油發電機電力推進和新型蓄電池電力推進方案的綜合對比，分析新型蓄電池電力推進在船舶行業的應用。

關鍵詞：電力推進；蓄電池；節能環保

中圖分類號：U664.14 文獻標識碼：A

1 前言

隨著我國經濟的迅猛發展，環境污染日益嚴重，船舶行業作為二氧化碳排放大戶，推行節能減排的綠色船舶改革勢在必行。對于航行于內河的中小型客船及貨船，由于其航程和航行時間較短，采用蓄電池作為船舶動力，具有利用效率高、不排放有害氣體、噪音和振動較小的特點，達到綠色環保、節能減排的目的，是內河中小型客船及貨船最佳動力源的選擇。

近年來，電池技術有了很大進步，鐵電池作為其中一種，已經廣泛應用于通信、儲能系統、汽車等工業上。鐵電池具有能量轉化率高、結構穩定性好、原料豐富、綠色無污染等優點，其作為未來船舶電力推進動力電池的應用前景是光明的。

2 鐵電池原理及其特性

2.1 鐵電池原理

鐵電池是以磷酸鐵鋰為正極材料的一種鋰離子二次電池，其充放電的化學方程式如下：

（1）充電過程

Li+從正極脫嵌經過隔膜嵌入負極，同時電子的補償電荷從外電路（電源）供給到碳負極，保證負極的電荷平衡。

（2）放電過程

Li+從負極脫嵌，經過隔膜嵌入正極，而電子由外電路（負載）從負極到正極，從而實現電池對負載供電。

2.2 鐵電池特性

（1） 穩定性好

鐵電池具有良好的結構穩定性，充放電過程中，LiFePO4和FePO4相互轉化，兩者結構類似，因此電極結構非常穩定。

（2）倍率特性好

鐵電池的倍率特性：2.5C（放電倍率）。

以下倍率充電容量≥98%，放電容量≥99%。

（3）高、低溫性能好

鐵電池在-30℃～60℃均是有良好的輸出性能，可以滿足不同環境的使用要求。

溫度特性：0℃下0.5C充電容量>85%；-30℃下0.5C放電容量>90%。

（4）能量效率高

鐵電池即使在大倍率下，也具有極高的能量轉換效率。

（5）循環壽命長

3 鐵蓄電池應用分析

鉛酸蓄電池，技術成熟，作為船舶動力電池已經應用于船上多年，如杭州西湖游覽客船、云南滇池游船、長江游船及上海世博會游覽船等。鐵電池是最近幾年發展起來的新型電池，目前已應用于通信、電動汽車等行業，使用范圍越來越廣泛。

鐵電池與傳統鉛酸電池性能對比，見表1。

從表1可以看出，鐵電池對比鉛酸電池有以下優點：

（1）重量輕體積小；

（2）超長的壽命；

（3）高能高容量；

（4）可實現電流快速充放電；

（5）耐高溫，更符合船舶使用環境；

（6）不含重金屬，綠色無污染。

對于內河中小型船舶，鐵電池相比傳統鉛酸蓄電池，可以節省船上使用空間，減輕船舶自重，實現快速充電，使用壽命長，不用頻繁更換蓄電池，不含重金屬，滿足綠色環保要求；并且鐵電池經第三方試驗證明，在過充、過放、擠壓、短路、針刺、火燒的環境條件下，不會發生爆炸，安全性能滿足船舶使用要求。

鐵電池作為動力電池已應用于電動大巴及轎車上，但在船舶上尚未有使用先例，還未取得船舶產品證書，相應的船舶法規，規范中對鐵電池作為動力還未制定相關規定。目前已有廠家和船級社對鐵電池在船舶上使用進行論證，爭取早日應用于實船。另一方面，鐵電池短期內設備與原材料成本較高，初始投入遠大于傳統鉛酸蓄電池。不過鐵電池目前正處于快速發展期，隨著鐵電池大規模的應用，成本會快速下降，并且相比于傳統鉛酸蓄電池，鐵電池是有壽命長、對使用環境要求低、綠色環保、安全性好等諸多優點，所以鐵電池的應用前景還是廣闊的。

4 鐵電池動力船舶應用方案

以我院設計的廣州新型水上巴士為例，對傳統柴油機推進、柴油發電機電力推進和鐵電池電力推進方案進行綜合比較。

廣州新型水上巴士主要參數如下：

4.1 鐵電池電力推進方案

（1）電源

電源采用30只鐵電池模塊串聯組合成380 V鐵電池組，每組電池容量為200 Ah，全船共設置35組鐵電池系統可同時滿足全船動力及用電需要。單個鐵電池模塊為12.8 V、200 Ah，重量26.5 kg，體積475×286×170 mm，價格約1萬元。單組電池模塊為380 V、200 Ah，重量800 kg，體積30×（475×286×170 mm），價格約30萬元。

（2）工作原理

主要工作原理如下：航行時，35組蓄電池同時使用，使用功率管理系統實時監測每組蓄電池的電壓及電流，當某組蓄電池出現故障時，可將故障的電池組切除；設置二套智能逆變設備，動力蓄電池組經逆變后對主配電板提供AC380 V/50 Hz/3P電源。

充電設備采用陸上充電站對35組蓄電池組同時進行充電，充電時間最快為2 h。

動力蓄電池組容量滿足本船10 h航行要求，裝船蓄電池容量為2 660 kWh。

（3）配電系統

在機艙內，設有動力蓄電池逆變電源板1屏。動力蓄電池電源經逆變轉換成AC380V/3P電源，供主配電板使用，提供監測、控制接口至功率管理系統。

在機艙內設有蓄電池組充電接口，方便陸上充電站充電。

設有變壓器2臺，為船上AC220 V設備提供電源。

船上動力設備由主配電板直接供電。

（4）推進系統

本船配置AC380 V/3P主推進交流變頻電動機2臺，由主配電板直接供電，分別帶2臺固定螺旋槳。控制設備采用成熟的交流變頻技術進行起動及控制，保證船舶有良好的操控性能。

4.2 方案對比

柴油機推進、柴油發電機電力推進及鐵電池電力推進方案對比，見表2。

5 結語

鐵電池作為一種新型動力電池，相比傳統鉛酸蓄電池有較大的技術進步，應用于船舶上有很多優勢。鑒于鐵電池電力推進形式的特點，目前只能適用于中短途的客船、觀光船以及豪華接待船等船型。由于鐵電池本身屬于新型電池，目前產品還未取得船舶產品證書，相應的船舶法規、規范中對鐵電池電力推進還未制定相關規定，因此鐵電池推進技術方案目前還只能停留在技術構想階段，但考慮其綠色環保的顯著優點以及未來船舶發展方向，鐵電池未來在實船上應用還是很有前途的。

參考文獻

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