一種船載大功率電池倉系統設計和應用

楊 飛，于 彬，王宏明，李 臣

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引 言

隨著國際貿易和船舶運輸的發展，石油產品為燃料的船舶產生的廢氣污染變得越來越嚴重。特別是在港口、海峽和一些航線密集、船舶流量大的區域，船舶排放的廢氣甚至是該地區的主要污染源[1]。據挪威向國際海事組織（IMO）提供的資料，船舶每年排放二氧化碳10億噸、氮氧化物達萬噸，占世界排放總量的8%。

船舶節能減排已成為世界各國造船界和航運界研究的重要課題[2]。在我國，2017年8月交通運輸部下發《交通運輸部關于推進長江經濟帶綠色航運發展的指導意見》，文中明確開展高能效船型、船舶電力推進系統等研發與推廣應用；加快推進水面污染檢測，治理的標準化要求。同年11月交通運輸部又下發了《交通運輸部關于全面深入推進綠色交通發展的意見》，文件要求到2020年，環渤海（京津冀）、長三角、珠三角水域船舶硫氧化物、氮氧化物和顆粒物排放與2015年相比分別下降65%，20%和30%。

本文根據用戶的特殊應用場景和節能減排需求，詳細介紹了一種船載大功率電池倉系統的設計和應用。首先根據用戶設計需求，進行電池倉系統原理性設計。

接著對各子系統進行詳細設計，包括電池組模塊設計、控制模塊設計、消防系統設計、電池柜集成設計等。樣機在用戶船舶產品上進行了試裝運行。最后從降本增效方面進行深入分析。該船載大功率電池倉可有效減少船舶廢氣排放，降低船舶運營成本，具有一定的示范意義和推廣價值。

1 大功率電池倉設計需求

某25 m交通執法艇在出航工作過程中，需要在工作區域長時間駐留。在此期間，由機艙內備用12 kW柴油發電機對船載照明，船載小電器，空調，水泵等設備供電。為進一步節約成本，降低廢氣排放，希望執法艇在駐留工作期間，用船載大功率電池艙替代備用柴油發電機工作，具體的設計指標如表1所示。

表1 電池倉設計指標Tab. 1 Battery bin design indicators

電池倉整體放置在執法船甲板上，需要考慮電池倉重量，以及船舶整體配重。同時，在電池倉設計過程中需進行整體防振、散熱、消防設計[3]。

2 電池倉系統化設計

根據用戶需求，需要確定電池倉系統原理圖，并對各子系統進行詳細設計。

2.1 系統原理性設計

根據用戶設計指標要求，電池倉系統分為三大模塊，分別為電池組模塊、控制模塊和充電逆變模塊。系統原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖Fig. 1 Schematic diagram

1）電池組模塊由10個電池包組成，每個電池包容量為38.4 V 200 Ah，電池組總容量為76.8 kW·h。每個電池包中包含單獨的BMS（電池管理系統）子系統和散熱，消防組件。

2）控制模塊為電池倉系統的大腦，電池組模塊與充電逆變模塊連接的樞紐。主控板連接電池組模塊中的BMS系統[4]，對每個電池包中的電芯的電壓，電流、溫度、報警信息、電池電量等信息進行采集，通過安裝在駕駛臺上的顯示屏進行監控。

3）充電逆變模塊具有電池組的充電，逆變放電功能，考慮冗余設計，功率為30 kW。

2.2 電池組模塊設計

大功率電池倉需要攜帶較多數量的電池，對電池的放電倍率、循環性、成本的要求也較高。和鉛酸電池相比，磷酸鐵鋰電池在安全性、能量密度、循環性能等方面優勢明顯[5]。

磷酸鐵鋰電池具有良好安全性、長循環性能，良好的高溫穩定性以及較低的成本，是現階段船載電池的最優選擇。

電池選用某電池廠商方形磷酸鐵鋰電芯，該電芯具備CCS證書，證書號：ZG16T00021。尺寸如圖2所示。

圖2 電芯尺寸圖Fig. 2 Outline of battery core

技術參數如表2所示。

表2 電芯參數Tab. 2 Parameters of battery core

電池PACK結構采用12個電芯串聯形式，容量為38.4 V 100 Ah，每個電池包采用2個PACK結構并聯，即每個電池包容量為38.4 V 200 Ah。

2.3 控制模塊設計

控制模塊分為主控系統和從控系統兩部分。

主控系統包括繼電器控制、電流測量、電壓與絕緣檢測和通信接口等電路，原理如圖3所示。

圖3 主控系統圖Fig. 3 Main control system diagram

從控系統包括電壓測量、溫度測量、均衡管理、熱管理和通信、報警功能。如圖4所示。

圖4 從控系統圖Fig. 4 Auxiliary control system diagram

1臺顯示屏安裝在執法船駕駛臺，用于電池倉控制系統的信息監控，互動操作。

2.4 消防系統設計

大功率電池倉安裝在執法船甲板上，根據船級社要求，需要配備散熱和消防系統。電池倉內安裝自動熱氣溶膠滅火裝置和散熱風機。

當電池倉（電池）溫度一定閥值時，啟動外置風機，進行通風散熱。當電池倉溫度達到閥值，自動熱氣溶膠滅火裝置打開，進行消防作業。消防系統原理圖如圖5所示。

圖5 消防系統原理圖Fig. 5 Schematic diagram of fire system

2.5 電池柜集成設計[6]

電池倉中的電池包模塊，控制模塊集成在一個電池柜中，整體尺寸2 256×670×1 400 mm。柜內電池包和控制模塊分布如圖6所示。

圖6 電池柜集成圖Fig. 6 Battery cabinet

其中8個電池包安裝在1號柜和2號柜，2個電池包和控制模塊安裝在3號柜，散熱和消防系統在柜體后側，線纜從柜底進出。

3 樣機生產和應用

該大功率電池倉設計完成后，進入樣機生產階段和應用階段。

3.1 電池倉樣機試裝運行

樣機生產完成后，在執法船上試裝運行，其中電池柜安裝在甲板上，如圖7所示。

圖7 電池柜安裝圖Fig. 7 Battery cabinet installation

根據船級社要求，30 kW充電逆變一體機，放置在執法船機艙內[7]，如圖8所示。

圖8 充電逆變一體機Fig. 8 Charging inverter

電池倉監控顯示屏安裝在執法船駕駛臺上。監控總界面包含了總電壓、總電流、SOC、電池狀態、單體最高電壓、單體最低電壓、單體最高溫度、單體最高溫度、單體最低溫度、電池故障的具體情況。

下方有5個按鈕（觸屏式），從左到右分別鏈接單體單體、配置、充電機、絕緣監測和時間5個分界面，如圖9所示。

圖9 監控界面Fig. 9 Monitoring interface

3.2 經濟性分析

該大功率電池倉上船運行一段時間后效果良好滿足用戶節能減排的需求的同時，也大幅降低了用戶的日常運營成本。

該執法船每天在工作區域工作4 h以上，0#柴油價格取6.57元/L，柴油密度0.83 kg/L。15 kW/h柴油機功率耗油量：220×15/1 000=3.3 kg，約4 L，則每天消耗成本為：4×6.57×4=105.12元。

大功率電池倉容量為76.8 kW·h，電價0.75元/kW·h，每天大約消耗60 kW·h，則每天消耗成本為：60×0.75=45元?？梢娒刻炜晒澥〕杀?0.12元，全年可節約成本21 943.8元。

船舶生命周期20～25年，整體節約成本可觀。

4 結 語

本文詳細介紹了一種船載大功率電池倉系統設計和應用。首先進行電池倉系統原理性設計，確定了電池倉系統由電池組模塊，控制模塊和充電逆變模塊三部分組成，并分別對3個模塊進行了詳細設計。重點介紹了電池組模塊設計、控制系統設計、消防系統設計，以及電池柜集成設計等。

該大功率電池倉在用戶船舶試裝運行后，效果良好，在我國全面推進綠色航運、智慧船舶的關鍵時期，該船載大功率電池倉的研發和應用具有一定的示范意義，也為傳統船舶的新能源技術應用提供了方向。