鋰電池電力推進(jìn)系統(tǒng)在觀光游覽船上的應(yīng)用

曾翠梅 羅芳

摘? ? 要：本文簡(jiǎn)要介紹了鋰電池電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)及與傳統(tǒng)鉛酸電池推進(jìn)系統(tǒng)的對(duì)比，重點(diǎn)介紹了鋰電池在觀光游覽船上作為推進(jìn)動(dòng)力電源的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：觀光游覽船;電力推進(jìn);鋰電池

中圖分類號(hào)：U664.3? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper introduces the main characteristics of lithium battery propulsion system， the comparison with the traditional lead-acid battery propulsion system and focuses on the application of lithium battery as propulsion power supply in the sightseeing ship.

Key words： Sightseeing ship; Electric propulsion; Lithium battery

1 前言

隨著內(nèi)河、湖泊、水庫(kù)等旅游資源的開(kāi)發(fā)，船舶動(dòng)力系統(tǒng)排放的廢油、廢氣和噪聲所引發(fā)的水體、空氣、噪聲污染問(wèn)題顯得日益嚴(yán)重，尤其是一些水庫(kù)還擔(dān)負(fù)著城市供水取水源的作用。因此，采用無(wú)污染、零排放的動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)代替柴油機(jī)作為船舶動(dòng)力系統(tǒng)顯得十分重要和迫切。

作為無(wú)污染、零排放、低噪音的新能源船舶推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，普遍采用的是由光伏電池組成的太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)和由鉛酸蓄電池組成的電池動(dòng)力系統(tǒng)。

太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)采用光伏電池將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)換為電能并產(chǎn)生動(dòng)力。它需要在船舶上鋪設(shè)足夠數(shù)量的光伏薄膜電池，這對(duì)旅游船舶來(lái)說(shuō)將大大占用室外空間，減少了旅客的室外活動(dòng)場(chǎng)所。另一方面，由于光伏電池在受光發(fā)電時(shí)，發(fā)電量將隨光照強(qiáng)弱而變化，為保證船舶推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及在光照不足情況下仍能繼續(xù)推進(jìn)，需與鉛酸蓄電池組相結(jié)合作為船舶推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，無(wú)形中又增加了成本和船舶重量。

為了解決上述問(wèn)題，既要滿足無(wú)污染、零排放、低噪音的環(huán)保要求，又要增加船舶室外活動(dòng)空間、減少由于電池重量的增加造成船舶運(yùn)輸能力的損失，本文結(jié)合我司為桂林兩江四湖旅游有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)、建造的漓江城市段五星級(jí)豪華觀光游船《漓江之夢(mèng)》號(hào)，探討采用動(dòng)力鋰電池組作為觀光游覽船舶推進(jìn)電力系統(tǒng)的技術(shù)方案及特點(diǎn)。

2 鉛酸電池與鋰電池的比較

鋰電池作為一種新型電池，目前主要用于滿足手機(jī)、筆記本電腦、PDA等電子產(chǎn)品，近年也開(kāi)始逐漸應(yīng)用在新能源動(dòng)力汽車上。相比傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，鋰電池具有額定電壓高、自放電率低、重量輕、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。鉛酸電池與鋰電池的比較，見(jiàn)表1。

由于鋰電池比鉛酸蓄電池在重量、體積、充放電特性及環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)，采用動(dòng)力鋰電池及其管理系統(tǒng)組成的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，有助于改善船舶的整體性能，減少船舶重量帶來(lái)的運(yùn)輸能力損失，因此我司在進(jìn)行《漓江之夢(mèng)》號(hào)方案設(shè)計(jì)時(shí)采用了鋰電池作為船舶的主要電力推進(jìn)電源及全船日常用電電源。另外，根據(jù)漓江航段的特殊性及船東營(yíng)運(yùn)的要求，本船還配置了2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為電力推進(jìn)系統(tǒng)的備用及應(yīng)急使用電源。

3 船舶主要參數(shù)

《漓江之夢(mèng)》號(hào)五星級(jí)豪華觀光游覽船按內(nèi)河C級(jí)航區(qū)設(shè)計(jì)，同時(shí)滿足漓江旅游客船法定檢驗(yàn)規(guī)定的要求，為淺吃水平底雙隧道線型、首部采用U型縱流線型、尾部采用平底線型的全鋁合金船。船長(zhǎng)30 m、型寬6 m、吃水0.5 m、水線以上總高不超過(guò)6.2 m、設(shè)計(jì)航速16 km/h、人均客艙面積不低于1.4 m2、旅客人數(shù)46人。全船的整體外觀采用簡(jiǎn)約風(fēng)格，內(nèi)部裝修按五星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖1、2、3）。

4 鋰電池電力推進(jìn)系統(tǒng)

根據(jù)該船的續(xù)航力要求，配置了4組DC537.6V、180Ah的鋰電池組作為全船的推進(jìn)及日常用電電源，供船上2臺(tái)交流變頻推進(jìn)電機(jī)用電的同時(shí)，還能滿足船上包括空調(diào)、照明、廚房設(shè)備等的日常用電需求。

鋰電池采用中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司生產(chǎn)的鋰離子電池，單個(gè)電池容量為DC3.2V、180 Ah，每組鋰電池組由若干個(gè)單體電池串聯(lián)組合成DC537.6V、180 Ah。考慮鋰電池在艙內(nèi)的安裝和接線，鋰電池采用模塊箱的形式進(jìn)行安裝，每個(gè)模塊箱由14個(gè)單體鋰電池組成單層模塊箱或由28個(gè)單體鋰電池組成雙層模塊箱，每個(gè)模塊箱內(nèi)集成了電池管理系統(tǒng)（BMS）、火災(zāi)探測(cè)裝置、溫度傳感器及控制裝置，電池箱與電池箱之間采用航空接插件進(jìn)行連接。

推進(jìn)控制系統(tǒng)、全船配電系統(tǒng)、充放電系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)以及全船監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)由中船重工遠(yuǎn)舟（北京）科技有限公司集成配套供應(yīng)。主要工作原理如下：

（1）推進(jìn)控制系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)的管控、對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行操作及基本參數(shù)（如工作電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)）的設(shè)置和數(shù)據(jù)的采集。

（2）配電系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)對(duì)四組鋰電池組和兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的能量調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電池組之間、電池組與發(fā)電機(jī)組之間的無(wú)縫切換供電。系統(tǒng)具有自動(dòng)運(yùn)行式和手動(dòng)運(yùn)行兩種模式：①在自動(dòng)模式下，配電系統(tǒng)對(duì)全船的供電系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)管理，根據(jù)鋰電池組的數(shù)量、狀態(tài)及負(fù)載情況，自動(dòng)進(jìn)行加載/卸載鋰電池組數(shù)量、發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù);當(dāng)任一鋰電池組剩余電量≤15%時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，當(dāng)剩余電量≤11%時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)將負(fù)載轉(zhuǎn)移到其它鋰電池組并自動(dòng)卸去該組鋰電池組;當(dāng)檢測(cè)到運(yùn)行的鋰電池組剩余電量不能夠滿足推進(jìn)和船上日常用電需求時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)供電，將負(fù)載從鋰電池組轉(zhuǎn)移至發(fā)電機(jī)組供電，并自動(dòng)卸去該組鋰電池組;② 在手動(dòng)模式下，鋰電池組和發(fā)電機(jī)組的加載/卸載需由操作人員在主配電板上的相應(yīng)控制面板上進(jìn)行手動(dòng)操作。

（3）充放電系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)鋰電池組的充電和放電功能。本船采用雙向DC/DC整流單元，通過(guò)操作配電板上的充電-0-放電轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電或者放電。鋰電池組的充電可由岸電或船上發(fā)電機(jī)組進(jìn)行，所有電池組的充放電狀態(tài)、充放電電流均可在配電板或駕控臺(tái)上的電池管理系統(tǒng)顯控終端上進(jìn)行監(jiān)控和管理。

（4）電池管理系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)對(duì)全船鋰電池的監(jiān)控和管理.具備對(duì)鋰電池充電系統(tǒng)的管理功能，包括：① 基本充電參數(shù)的設(shè)置、充電數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，以及每個(gè)電池的溫度、電壓、電流等參數(shù)的監(jiān)控和管理;② 對(duì)電池組進(jìn)行集中智能管理，實(shí)時(shí)掌握電池組的運(yùn)行狀況，包括每組電池組的剩余電量顯示、運(yùn)行溫度顯示、充放電電流大小顯示及監(jiān)控，確保系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行。

（5）全船監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)對(duì)全船推進(jìn)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、重要設(shè)備、艙柜液位、底艙進(jìn)水報(bào)警等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并上傳至駕駛室的顯控終端，使船上工作人員能夠集中掌握全船設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)了解每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況。

5 鋰電池電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

由鋰電池組成的電力推進(jìn)系統(tǒng)是一種比較先進(jìn)的船舶推進(jìn)方式，符合國(guó)家節(jié)能減排的環(huán)保要求。對(duì)于航行于沿海、江河上的觀光游覽船非常適合，此類游覽船通常營(yíng)運(yùn)時(shí)間較短、航線固定、航速要求一般在≤10 kn、對(duì)排放、噪音均有比較高的要求。

鋰電池電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）環(huán)保節(jié)能，可有效提高船舶推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。全船鋰電池組和發(fā)電機(jī)組組成一個(gè)公共電站，電站管理系統(tǒng)根據(jù)不同的航行狀態(tài)控制不同數(shù)量的鋰電池組或發(fā)電機(jī)組投入工作供電，提供與船舶相應(yīng)航速的推進(jìn)功率和生活用電需要匹配的功率，只有當(dāng)鋰電池組的容量不足以滿足推進(jìn)和生活用電需求的情況下才起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組投入電站進(jìn)行供電，使各個(gè)工作狀態(tài)下運(yùn)行的鋰電池組或發(fā)電機(jī)組始終保持在一個(gè)較高的負(fù)荷率;

（2）明顯減少噪聲和振動(dòng)，有效提高船舶的舒適性。與傳統(tǒng)的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)方式相比，鋰電池和柴油發(fā)電機(jī)混合電力推進(jìn)方式，只存在推進(jìn)電機(jī)與軸系和船體的聯(lián)結(jié)，鋰電池組和柴油發(fā)電機(jī)組與軸系和船體均無(wú)直接聯(lián)結(jié)，大大減少了振動(dòng)和噪聲。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)可以事先考慮使鋰電池組和柴油發(fā)電機(jī)組的安裝盡量遠(yuǎn)離船舶結(jié)構(gòu)的共振點(diǎn)，減少因推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)引起船舶共振的可能性;

（3）提高了船舶動(dòng)力裝置的可靠性。推進(jìn)系統(tǒng)采用4組鋰電池組和2臺(tái)備用柴油發(fā)電機(jī)組，即使個(gè)別鋰電池組容量不足或發(fā)生故障也不至于喪失船舶全部動(dòng)力，仍能保證船舶的正常航行，提高了安全性;

（4）提高動(dòng)力設(shè)備布置的靈活性，有利于船舶總體布置。電力推進(jìn)系統(tǒng)的鋰電池組和備用柴油發(fā)電機(jī)組可以分散布置，使動(dòng)力裝置安排更加合理，從而優(yōu)化船舶總體布置，合理節(jié)省有效空間。同時(shí)，與相同容量的鉛酸蓄電池相比，采用鋰電池組作為電力推進(jìn)電源可比相同容量的鉛酸蓄電池組重量減少約5.35 t、體積減少約20%，不但節(jié)省了安裝空間，在相同航速下還可大大節(jié)省電機(jī)推進(jìn)功率;

（5）解決了采用太陽(yáng)能光伏電池作為動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)由于受光照不足影響全船發(fā)電量，以及影響游客室外活動(dòng)空間的問(wèn)題。鋰電池電力推進(jìn)系統(tǒng)將鋰電池和所有相關(guān)設(shè)備均安裝在底艙和配電間，除有利于船舶的穩(wěn)性外，還能將所有的室外空間作為游客的觀光平臺(tái)。

鋰電池作為新能源推進(jìn)動(dòng)力電池應(yīng)用在漓江城市段五星級(jí)豪華觀光游船上，通過(guò)實(shí)船試航及運(yùn)營(yíng)驗(yàn)證，滿足了無(wú)污染、零排放、低噪音的環(huán)保要求。從試航測(cè)量的噪音數(shù)據(jù)為：推進(jìn)機(jī)艙為80.1 dB、主甲板客艙為63.5 dB、上甲板客艙為58.8 db，遠(yuǎn)低于船舶規(guī)范及桂林市五星級(jí)游船標(biāo)準(zhǔn)中要求的噪音水平，船東對(duì)該船整體性能感到滿意。

6 結(jié)語(yǔ)

基于國(guó)家和地方政府對(duì)海上運(yùn)輸、內(nèi)陸江河、湖泊等的環(huán)保要求越來(lái)越高，新能源的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)日趨成熟，無(wú)污染、零排放、低噪音的鋰電池在觀光游覽船上作為推進(jìn)動(dòng)力電源的應(yīng)用，必將越來(lái)越廣泛。

參考文獻(xiàn)

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