基于大功率鋰電池電動船的電站設計研究

陳立新 付銀河 黃 鑫 嚴曉軍

（1.杭州現代船舶設計研究有限公司 杭州310053；2.廣州發展瑞華新能源有限公司 廣州510000）

引 言

目前，運輸船舶大多是柴油機推進。柴油在燃燒過程中，會產生大量的硫化物、氮氧化物和二氧化碳氣體以及粉塵等污染物，船舶排放的廢氣及噪聲已成為環境污染不可忽視的問題。2011年，國際海事組織海洋環境保護委員會通過了國際海運溫室氣體減排措施強制規定，確定了“新船設計能效指數EEDI”以及“船舶能效管理計劃SEEMP”兩項船舶能效標準［1］，對運輸船舶的能效指標、排放控制及噪聲污染等都提出了明確的要求。2018年1月1日，交通部《長江經濟帶船舶污染防治專項行動方案（2018-2020）》也正式頒布實施，因此，加快開展船舶的防污染及節能減排工作，推進船舶清潔能源的應用，已成為刻不容緩的一項重要工作。

采用大功率磷酸鐵鋰電池（下文簡稱“鋰電池”）作為船舶動力，具有零排放、低噪聲的優勢，可徹底解決船舶的污染和噪聲問題。本文基于大功率鋰電池作為船舶動力，研發一種新型的船舶電站系統，這種新型電站系統適用于各類中小型純電動（鋰電池）內河運輸船舶，如渡船、貨船、短程客船、觀光旅游船、游艇等內河區域或島嶼間船舶。該新型船舶電站系統集新能源、新產品、新技術于一體，可最大限度地提高船舶運行的安全性和可靠性。

1 電站組成及設備選配

1.1 電站組成

鋰電池電動船的電站主要由兩大部分組成（見圖1）：一部分是動力源即鋰電池組，包括岸電充電樁、岸電接駁箱、充電控制柜及鋰電池管理器等；另一部分是配電系統，包括直流配電柜、逆變器及正弦波裝置、交流配電柜等。兩部分均由電站管理系統進行協調管理。

圖1 鋰電池電動船的電站組成

當船舶靠岸時，由岸電充電樁（人工或自動）對接船上充電接駁箱，并通過充電控制箱對鋰電池進行充電并智能管理，充滿電后岸電將自動斷開，同時允許鋰電池與直流母排合閘。

1.2 設備選配

1.2.1 鋰電池組及電池管理系統BMS

鋰電池動力船與燃油船的造價主要差距在于鋰電池的配置數量。目前鋰電池價格比較昂貴，約2~2.5元/W·h，對于一般中小運輸船舶而言，僅鋰電池一項估算需要幾百萬元的巨大投資，因此選擇鋰電池尤為重要。目前鋰電池有多種形式，如三元鋰電池、錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池等，其性能也各不相同，但到目前為止，中國船級社僅對磷酸鐵鋰電池進行了型式認證，且國內只有7家供應商生產的磷酸鐵鋰電池獲得CCS證書，能夠應用于船舶（如表1所示）。

表1 中國船級社形式認可的鋰電池廠家

上述7家供應的磷酸鐵鋰電池，其單體容量、標準充放電倍率、最大持續放電及瞬間放電能力、能量密度和殼體材料等也有很大差異。如何選擇并合理配置，使之既能確保適應推進負載的突變，又能使鋰電池單體配置數量最少，而且電站安全冗余度最高，這值得我們深入研究。

1.2.2 岸電充電樁

鋰電池動力的船舶都面臨靠岸充電的問題。由于目前船舶規范中沒有對于船舶岸電充電樁的技術要求，也沒有相關的船用國家標準，因此只能參照汽車充電裝置的國家標準（GB/T 20234-2011）［2］中直流充電安全保護系統的要求進行考量。國標要求充電樁應具備與電池管理系統BMS通信的功能，且能判斷與BMS是否正確連接，并應能獲得BMS系統充電參數和充電實時數據，還應具備與上級監控管理系統通信的功能。而對大功率鋰電池的船舶來說，岸電充電樁不僅要滿足上述要求，還要研究船岸的不同之處：如大功率鋰電池的分組和充電電流，充電時間與船舶靠岸裝卸貨時間的協調，充電槍的插拔方式，船岸之間可移動的大電流充電電纜的遞送、固定、充電過程中船舶的制動等，都是需要解決的問題。

1.2.3 交直流配電柜

大功率鋰電池動力船舶通常采用交直流混合電力系統。直流配電柜的作用是對全船直流電進行供配電管理，主要負責對鋰電池的充放電、推進設備的供電、低壓24 V的供電以及交流380 V的逆變供電的配電及保護；交流配電柜的作用是對全船380 V及220 V的常規用電設備進行配電及保護。

1.2.4 逆變器及正弦波裝置

與交流電力推進相比，直流電力推進設備體積大、質量重、結構復雜、效率較低，而且設備相對復雜，可靠性和可維護性等方面也不如交流電力推進。而且近年來，交流變頻調速克服了交流系統調速性能差的缺點，在大部分領域已替代了直流電力推進［3］。所以，目前鋰電池船舶的推進電機采用交流的較多，再加上船舶上使用的大多數設備都以交流為主，所以在鋰電池動力船上必須配備電源逆變裝置，以獲得較理想的正弦波交流電。為船舶供電安全考慮，一般這種正弦波逆變裝置需一用一備。

1.2.5 電站管理系統

與傳統的柴油機推進不同，電力推進船舶的關鍵是船舶電站管理系統，主要包括電源即鋰電池的充放電監測及安全管理、交直流配電系統的操作及協調保護等。

2 案 例

下文將以本項目組研發的內河2 000噸級純電動自卸貨船的電站為例，對大功率鋰電池動力船舶在電站設計時，研究及解決的主要技術問題進行論述。

本船配備2 400 kW h鋰電池作為全船動力和電力的能源，2臺160 kW變頻電機+直翼舵槳推進，電力及生活用電設備負荷33 kW，航距80 km，設計航速12.8 km/h，鋰電池續航力約7.3 h，碼頭裝卸貨時間2 h，港內停泊待港（不接岸電）時間最多8 h。

本船經實船航行試驗測試，其電力系統運行穩定、性能安全可靠，技術參數計算正確，設備選擇合理，技術設計方案也得到驗證。由于實船航行測試是在主航道進行，經常需要避讓船只，推進電機功率不能持續保持額定功率，再加上氣候適宜且在白天進行測試，有些用電設備如空調、照明等負載不足，因此試驗結束時的剩余電量較電力負荷及鋰電池容量計算值多。

2.1 鋰電池容量計算及選配

一般船舶電站設計時首先需要進行電力負荷計算，通常計算結果是以功率表示，按此功率選擇相應的發電機，只要船上配置足夠的油和水，發電機便可持續提供用電功率。但是鋰電池動力船舶不同，電量用完必須靠岸充電，因此我們在設計時必須引入一個全航程用電時間的概念，這是與柴油發電機電站的不同之處。根據本船用電總負荷較大，且多為交流380 V的特點，結合目前船用變頻器和交流電網逆變器的成熟產品考慮，確定本船直流平臺電壓為600 V?？紤]不同工況及各工況的同時使用系數，以及推進和電力逆變器效率（按95%計），本船所需電量計算公式如下：

式中：Q為電量，kW h；P為功率，kW；η為效率，%；N為推進電機數量，臺；k1為電網損失，通常取0.05；H為航行時間，h；k2為鋰電池放電系數。

根據鋰電池廠家提供的鋰電池放電特性曲線（見圖2）［4］，可見鋰電池的放電特性與鉛酸電池不同。雖然其放電終止電壓為2.5 V，但是從放電特性曲線來看，放電過程中電壓幾乎保持不變，直到電池電量接近放完時電壓才會產生突降。因此在計算鋰電池容量時，理論上只要放電倍率在電池許可范圍內，其放電系數可以取1。為保險起見，計算時按剩余電量預留5%考慮。計算結果：本船所需電量∑Q總=2 232 kW h。

圖2 500 Ah鋰電池1C、2C倍率放電曲線圖

因為船舶規范要求對每一塊單體鋰電池要進行監控管理，如對電壓、溫度等各種參數的監控，因此單體鋰電池的選擇非常重要，在兼顧其外形尺寸、質量、充放電倍率的同時，要盡量選擇單體容量較大的，這樣可以減少傳感器和相應的BMS數量配置，也可減少整個電站監測點的數量，從而使船舶通信網絡的數據傳輸量大幅下降。既降低了成本，也提高了系統的可靠性。

在對現已取得CCS船級社證書的各種單體鋰電池的特性及參數進行比較后，我們選取188塊3.2 V、500 AH的單體鋰電池組成一組鋰電池（600 V，500 AH）300 kW h，共8組，總供電量為2 400 kW h，能滿足本船續航力的要求。

2.2 供配電系統的冗余及保護

2.2.1 并聯供電模式

電站的供電系統可以采用8組鋰電池同時供電，也可采用“一組放完電另一組接續放電”的模式，這主要基于以下三個原則：

（1）從船舶安全性考慮。在運行過程中即使有一組鋰電池故障也不影響船舶的正常航行，只是船舶總供電量由于切除故障鋰電池而有所下降，這樣電站的冗余度便得到保證。

（2）岸電給各組鋰電池充電的時間盡可能均勻一致，有利于岸電充電系統的安全管理。

（3）盡量提高鋰電池的使用壽命，并聯供電可使每組電池同時均勻一致的小電流充放電。因此我們采用8組同時并聯供電模式。這種并聯供電模式對單體電池的一致性（電壓、電流、溫度、內阻、剩余電量等）及組電壓的一致性要求很高，因此在實船時通過BMS應能隨時自動監測和均衡單體電池及組電池在任何時候的各項性能指標，保證鋰電池組并聯運行的穩定性。

2.2.2 分段母排

電力推進船舶的電站可以采用公共電站的形式［5］，即全船的動力推進及電力設備用電均取自同一組或幾組并聯的鋰電池；也可以選擇將船舶動力及電力分開，動力鋰電池組主要為整船的推進提供動力的能源，電力鋰電池組主要為全船的生活工作等用電設備提供能源。

考慮船舶推進負載的不穩定性，甚至會有較大波動，為確保船舶電站系統的安全并保證交流380 V電源質量，我們首先將直流母排分為動力母排和電力母排，動力母排又分成兩段，鋰電池也分開連接，如圖3所示。

圖3 2 000噸級鋰電池電動船供電系統

直流母排設隔離開關K1及K2，將母排分成A、B、C三段。其中A、B是動力匯流排，由常閉開關K1連接；C是電力匯流排，由常開開關K2分斷。這種供配電的方式主要是基于以下兩點考慮：

（1）推進供電具有充分的冗余度。K1閉合，6組鋰電池任意一組出現故障切除都不影響船舶航行安全。而當A或B段匯流排上的電器出現故障又一時無法排除時，可通過切斷隔離開關K1來保證無故障的匯流排正常供電，保證供電的連續性。

（2）由于K2平時是斷開的，電力匯流排與動力匯流排物理隔離不僅可以充分保證電力匯流排的電壓瞬態波動不受推進負載變化的影響，而且大功率變頻器產生的諧波分量及電磁干擾，也不會影響交流380 V電源質量。K2的作用是在極端情況即船舶失去全部推進動力源時，可由電力鋰電池短時供電給推進負載，使船舶可以安全靠泊，即提供了一種船舶應急返航的方法及能力。需注意的是，K2只有在確認動力匯流排電池全部切除后才可閉合，否則不同電壓的鋰電池組并聯將會產生較大環流，引起短路或鋰電池發熱的故障。

本船根據電力負荷計算，得出推進負載所需總容量為1 640 kW h，電力負載所需總容量為592 kW h。選擇6組鋰電池并聯為推進負載供電（可供1 800 kW h），2組鋰電池并聯為電力設備供電（可供600 kW h），可滿足船舶正常航行需求。

2.2.3 充電與充電聯鎖

鋰電池的充電時間和充電電流是鋰電池動力船舶的一項非常重要的技術指標，主要取決于鋰電池自身的充放電能力、岸電的配套以及船舶裝卸貨時間的考慮。從鋰電池的角度來說，應盡量用較小的電流充電，為不影響其使用壽命，通常建議以不大于1 C的電流充電。如果按照1 C充電，其充足電的時間為1 h，這對于船舶短時靠岸充電的情況來說較為理想。從船舶的實際需求考慮，不同的船型要求是不同的，對于貨船來說，船舶靠岸作業（裝卸貨）時間與充電時間最好吻合。由于本船是按照2 h卸貨完畢進行設計的，因此最后確定充電時間不超過2 h，充電電流為0.5 C 250 A，可以保證鋰電池的安全充電和使用。

船舶在充電時，岸上的充電樁（充電槍）通過移動電纜與船上的充電接駁箱進行接插連接，為保證充電過程的安全，除充電槍及座自帶的通信協議（通常對充電電壓、溫度和電流等進行控制）外，還必須嚴禁船舶移動。因此在系統設計時我們把充電信號與推進驅動進行聯鎖，使船舶在充電時，推進系統無法獲得電源，也可采取鋰電池充電時禁止放電的方式（此時船舶裝卸貨作業用電或日常用電依靠380 V交流岸電箱供電）。

碼頭充電樁的建設是鋰電池動力船不可缺少的重要組成部分。通常較大港口作業碼頭都配套有一定容量的交流高壓電，具備建設岸電充電樁能力，也可采取增設變壓器的方式進行增容，當然這種方式的成本會較高。據了解目前岸電充電樁的建設費用在1 000~1 600元/kW。根據本項目實際營運情況，與本船配套的充電碼頭無需專用，僅加裝岸電充電樁設施建設即可，充電樁可以共用，這樣有利于后續電動船的推廣應用，而且并不影響其他非電動船靠泊裝卸貨。結合本船選用的鋰電池充放電特性及能力、電力系統技術論證及設計并考慮實船裝卸貨作業時間的銜接，最終確定岸電充電樁由8路150 kW（600 V，250 A）充電槍及1路交流380 V 160 A岸電組成。

2.2.4 短路保護

在電力系統設計基本完成后，需要計算電網中各點的短路電流，用于校核所選電氣設備的熱穩定性和電動力穩定性，校核所選用的保護電氣的短路接通能力和短路分段能力以及為電力系統保護提供必要的數據。我們設計的大功率鋰電池動力船舶電站系統是交直流混合電力系統，要分別考慮直流側出現瞬時短路故障時交流系統對直流側的影響，以及交流側出現瞬時短路故障時，直流系統對交流側的影響。

當直流側出現瞬時短路故障時，其形成的短路電流一般比交流系統大得多，若使用空氣開關進行保護，則必須成倍加大空開的額定電流及瞬態動作值，也可采用快速熔斷器進行保護，即每組鋰電池都要經過快速熔斷器與直流母排相連。

計算表明，當交流側出現瞬時短路故障時，可忽略直流側提供的短路電流，僅按照中國船級社規范要求進行短路計算即可，其協調保護的原則也不變。不過，關于短路電流及協調保護的詳細計算及分析過程將另行闡述，此處略。

2.3 鋰電池及鋰電池艙的電氣安全性

隨著新能源的逐漸普及，新能源船舶的安全問題越來越被重視。本船電站具有電池容量大、放電電流大以及電壓等級高等特點，其安全性尤其重要，主要包括以下幾個方面：

（1）單體電池及組電池的BMS管理系統及功能；

（2）故障電池的自動判斷及切除；

（3）鋰電池的分艙及電池艙溫控、通風及消防安全。

BMS管理系統是鋰電池作為電源必不可少的監控設備，一般根據需要確定選擇一個BMS管理幾個或幾十個單體鋰電池，主要對單體電池的電壓、溫度和電量等進行實時監控，對單體電壓高的會先自動進行均衡并報警，過高將會自動停機，過流時將會報警并降功率使用，直至停機。按照規范要求［6］，本船鋰電池及鋰電池艙的監控報警見表2。

表2 鋰電池及BMS的監測報警

續表2

當任意一組鋰電池出現故障無法自動排除時，電站管理中心具有緊急關斷功能，以便隔離故障鋰電池。

大功率鋰電池在船上的安置，應充分考慮其安全性。我們把動力和電力鋰電池均勻地分成兩套，即三組動力一組電力為一套，分成兩個獨立艙室安裝，該艙室與其他相鄰艙室之間采用“A-60級”防火分隔。在艙室內，鋰電池還需安置在專用的箱柜內，箱柜內設有溫度傳感系統，電池艙設機械通風系統、感煙感溫火災自動探測系統以及七氟丙烷氣體滅火系統。

2.4 計算機管理中心

電站管理是本船計算機管理中心的一部分，管理中心具有自動檢測報警系統和能量控制策略。其主控制器是由DSP數字控制器為核心構成的，在系統內完成整船過程控制和算法，是構成整船控制網絡系統的核心。

其內置的GPS衛星信息系統的硬件組合構成了船舶的位置。在系統中，將所有的船載動態過程控制參數與位置信號建立對應的關系，用以構成實時要件。GPRS系統具有內置獨立的SIM卡，與設備構成相對應的無線傳輸通道，并被傳入網絡服務器，進入數據中心的控制數據管理。

船舶在航行時，駕駛員不僅可以進行正常的安全航行操作，也在駕駛室的屏幕上同步顯示整船管理中心對所有監控設備的數據和整船在航行和作業時各個環節的數據及狀態，也可以在網絡系統的終端設備出現，甚至在整個Internet網絡中，一些重要的信息參數也可通過手機App實現遠傳監視。

3 結 語

本項目組從鋰電池動力船舶的特性出發，設計研發出一種安全經濟可靠的電站系統，以最少的電池配置、最高的安全冗余為目標，不僅提高了船舶的安全性，而且使船舶具有應急返航能力。鋰電池因具有零排放和低噪聲的優勢，其應用前景非常廣闊。