船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)綜述

王海江

（中國(guó)電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司，上海 201100）

船舶是排放大戶，近年來(lái)各國(guó)航運(yùn)業(yè)積極行動(dòng)，不斷推動(dòng)和拓展綠色船舶技術(shù)的應(yīng)用，將電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一種典型的電源引入船舶電力系統(tǒng)中，通過等效折減常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量（或輸出功率）的技術(shù)途徑，顯著降低船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI或EEDX）和船舶廢氣排放量，必將在船舶電力系統(tǒng)中大范圍使用。

但是船舶電力系統(tǒng)作為一個(gè)特殊的微電網(wǎng)，工況復(fù)雜，環(huán)境復(fù)雜，電池的充放電策略更復(fù)雜，在船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)和使用過程中，需要不斷突破關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)理念，完善系統(tǒng)集成技術(shù)，為船舶儲(chǔ)能技術(shù)在船舶上的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 新型船舶電力系統(tǒng)組成

船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的電力系統(tǒng)，配電裝置主要包括主配電板、應(yīng)急配電板、電池充放電板、分配電板、岸電箱和交流配電板等，系統(tǒng)特點(diǎn)是輸電距離短、線路阻抗低、各處短路電流大和工作環(huán)境惡劣。

常規(guī)船舶的典型運(yùn)行工況主要包括正常航行工況、進(jìn)出港工況、裝卸貨工況、停泊工況和應(yīng)急工況，船舶電力系統(tǒng)必須要為船舶在全工況下正常運(yùn)行提供電力保障服務(wù)，并留有適當(dāng)?shù)脑Ａ浚_保長(zhǎng)期連續(xù)可靠供電。

近年來(lái)，隨著各種清潔能源電能在船舶上的應(yīng)用，不斷增加了船舶電力系統(tǒng)的復(fù)雜程度，對(duì)船舶電網(wǎng)的響應(yīng)性和保護(hù)要求越來(lái)越高。綠色船舶電力系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 綠色船舶電力系統(tǒng)原理

2 船舶儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)

隨著鋰電池制造工藝趨于成熟和原材料價(jià)格大幅下降，儲(chǔ)能項(xiàng)目的投資成本和建設(shè)周期大大降低，同時(shí)國(guó)家也積極配套了相應(yīng)的優(yōu)惠政策措施，最終促成了大量陸地儲(chǔ)能項(xiàng)目的落地實(shí)施，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)算，這些項(xiàng)目收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

近年來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)開始向船舶領(lǐng)域延伸，但是鑒于船舶海上運(yùn)行工況復(fù)雜，船舶微網(wǎng)電力供應(yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù)，以及隨船舶航線、氣候條件變化等特點(diǎn)，對(duì)船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)電池的性能和系統(tǒng)控制策略提出了較高的要求，需要攻克相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)才能促進(jìn)船舶綠色健康發(fā)展。

儲(chǔ)能在船舶上的應(yīng)用主要分兩方面：一是用于船舶動(dòng)力推進(jìn)，二是用于船舶常規(guī)配電，尤其是作為船舶動(dòng)力用電池，對(duì)電池充放電特性和安全性有更高的要求，在電池選型和控制策略設(shè)計(jì)時(shí)需特殊考慮。

鑒于儲(chǔ)能技術(shù)在船舶應(yīng)用上的特殊性，本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，匯總船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵技術(shù)，要求如下：

2.1 電芯選型及集成設(shè)計(jì)

電芯是儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件和基礎(chǔ)部件，電芯的充放電特性和安全性直接決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體性能，尤其是對(duì)于船舶儲(chǔ)能項(xiàng)目，安全性是第一位的，選擇經(jīng)過船級(jí)社認(rèn)證的電芯和電池管理單元是門檻，也是確保項(xiàng)目順利執(zhí)行的關(guān)鍵。根據(jù)項(xiàng)目不同需求進(jìn)行系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，采用合適的電池管理策略，可以防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，均衡單體電池間的能量，延長(zhǎng)電池的使用壽命，在線監(jiān)測(cè)各個(gè)電芯狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常及時(shí)采取措施，防止事態(tài)擴(kuò)大，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

2.2 電池艙熱管理方案設(shè)計(jì)

鋰離子電池的正極材料一般為鋰合金金屬氧化物，負(fù)極材料為石墨，電解質(zhì)一般為非水類，鋰電池最適宜的工作溫度范圍為15~30℃。根據(jù)鋰電池電化學(xué)特性和產(chǎn)生機(jī)理，當(dāng)電池工作在過高或過低溫度時(shí)會(huì)導(dǎo)致熱失控和熱散逸，會(huì)對(duì)電池的使用壽命造成不可逆影響。在船用儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池單元主要存放在兩個(gè)地方，機(jī)艙密閉艙室和甲板集裝箱內(nèi)，都需要電池艙內(nèi)配置合理的熱管理方案，確保電池工作在最合理的溫度范圍，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

2.3 功率變換器設(shè)計(jì)

船舶電力系統(tǒng)母線主要有兩種類型，直流母線和交流母線，由于儲(chǔ)能鋰電池裝置充放電均為直流電，所以針對(duì)船舶母線的不同類型，可以選擇雙向DC/DC或雙向DC/AC變換器作為儲(chǔ)能裝置接入船舶電力系統(tǒng)的功率變換器，而且必須要在2個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)完成儲(chǔ)能電能接入船舶母線，盡可能避免諧波的產(chǎn)生，保證船舶負(fù)載的連續(xù)運(yùn)行，其轉(zhuǎn)換效率直接決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本、電流質(zhì)量、電池使用壽命和系統(tǒng)可靠性等。

雙向DC/AC變換器常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三相半橋式、雙向Z源和模塊化多電平3種方式。三相半橋式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、應(yīng)用多且技術(shù)成熟，缺點(diǎn)是交流側(cè)有大量諧波，實(shí)際使用時(shí)要加裝濾波裝置；雙向Z源是從橋式雙向變換器發(fā)展而來(lái)的，不同之處是在變換器與直流側(cè)之間添加了一個(gè)Z源網(wǎng)絡(luò)，缺點(diǎn)是體積大，啟動(dòng)沖擊大；模塊化多電平是由若干個(gè)SM模塊和6個(gè)對(duì)稱的電感組成，配置靈活，供電穩(wěn)定性好、諧波少，但成本相對(duì)較高。在進(jìn)行系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)不同項(xiàng)目的各自特點(diǎn)選擇不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但對(duì)于船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)，由于三相半橋式加濾波裝置結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)點(diǎn)受到業(yè)界青睞。

雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)種類繁多，主要分隔離型和非隔離型。隔離型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有：雙向反激式、雙向正激式、雙向推挽式、雙向半橋式和雙向全橋式；非隔離型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有：雙向Buck-Boost、雙向Buck/Boost、雙向Cuk和雙向Sepic-Zeta。每種結(jié)構(gòu)都有對(duì)應(yīng)的應(yīng)用范圍，在做系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)時(shí)，需從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)難易程度、體積重量以及綜合成本等方面綜合評(píng)估，選擇合適的方案。

2.4 電池艙消防安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全防護(hù)可以從3個(gè)緯度進(jìn)行分析，一是本體安全，主要指選用安全的鋰電池；二是過程安全，主要指系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)合理、BMS監(jiān)控單元有效；三是消防安全，主要指火災(zāi)預(yù)警和滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，能夠早期預(yù)警并發(fā)揮滅火效果。對(duì)于船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)，消防安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要配置如下功能并獲得船級(jí)社的認(rèn)可：

（1）感溫/感煙探測(cè)

通過監(jiān)測(cè)集裝箱內(nèi)煙霧濃度和頂部溫度判斷電池艙的火災(zāi)狀態(tài)。

（2）CO/H2氣體探測(cè)

通過監(jiān)測(cè)集裝箱內(nèi)氣體的濃度判斷電池的安全狀態(tài)。

（3）自動(dòng)氣體滅火

當(dāng)消防主控制器收到感溫/感煙探測(cè)器和C0/H2氣體探測(cè)器的高濃度報(bào)警信號(hào)后，自動(dòng)打開氣體噴射閥進(jìn)行滅火。

（4）視頻監(jiān)控

便于遠(yuǎn)程監(jiān)控電池艙內(nèi)部電池狀態(tài)，一旦內(nèi)部發(fā)現(xiàn)異常，可通過緊急啟停開關(guān)停止系統(tǒng)供電，并啟動(dòng)滅火系統(tǒng)，防止事態(tài)擴(kuò)大。

（5）強(qiáng)制排風(fēng)

一旦電池艙內(nèi)部出現(xiàn)險(xiǎn)情，立即啟動(dòng)強(qiáng)制排風(fēng)系統(tǒng)，將電池艙內(nèi)部危險(xiǎn)氣體強(qiáng)制排出，防止有害氣體聚集，確保人員進(jìn)入電池艙后安全。

（6）壓力泄放

當(dāng)電池艙內(nèi)部發(fā)生異常情況，導(dǎo)致內(nèi)部壓力迅速升高，壓力增加到一定程度后，壓力泄放閥自動(dòng)打開，防止艙室內(nèi)壓力過高損害部件。

（7）防雷保護(hù)

對(duì)于安裝在船舶甲板上的集裝箱式儲(chǔ)能單元，為了防止直擊雷，應(yīng)設(shè)置避雷針，確保裸露在戶外的儲(chǔ)能設(shè)備處于防雷保護(hù)范圍內(nèi)，同時(shí)要在儲(chǔ)能變流器的交直流側(cè)和中壓母線進(jìn)出線上裝設(shè)避雷器，對(duì)于其他電氣裝置也要裝設(shè)避雷器。

（8）接地

集裝箱外部殼體需提供螺栓安裝和焊接2種固定方式，螺栓固定點(diǎn)和焊接點(diǎn)與整個(gè)集裝箱金屬外殼可靠聯(lián)通，內(nèi)部所有電氣柜底部位置需在集裝箱底部槽鋼或支架上焊裝接地柱，每個(gè)柜子底部接地柱數(shù)量不少于2個(gè)；集裝箱所有開門處內(nèi)側(cè)和門柱梁底端也需加裝接地柱，門上接地柱跟門柱梁接地柱之間用銅編織帶連接。

3 船舶儲(chǔ)能控制策略

船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制主要包括4個(gè)方面：電芯的充放電控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電池艙的熱管理和消防安全控制、儲(chǔ)能變流器控制和系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制等，各層級(jí)采用的合理、高效的控制策略將直接決定儲(chǔ)能單元的性能和船舶運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性。

（1）電芯的充放電控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要包括儲(chǔ)能三級(jí)控制中的前兩級(jí)，主要功能是管理電芯的充放電、均衡各電芯實(shí)時(shí)狀態(tài)、監(jiān)控電芯的電流電壓和單體溫度、監(jiān)測(cè)各電池單元的短路和絕緣狀態(tài)。

（2）電池艙熱管理和消防安全控制主要功能是通過在線監(jiān)測(cè)電池艙室內(nèi)環(huán)境溫度，實(shí)時(shí)調(diào)整變頻空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)確保室內(nèi)環(huán)境溫度在合適的范圍內(nèi)，當(dāng)有險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，消防安全系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，防止事態(tài)擴(kuò)大，減少損失。

（3）船舶儲(chǔ)能用變流器主要是單級(jí)式變流器，有3種基本控制模式：有功無(wú)功解耦控制、恒率恒壓控制和下垂控制，由于船舶負(fù)載和船舶電能具有復(fù)雜性，船舶儲(chǔ)能變流器的控制策略要兼容并舉，根據(jù)工況需要在這3種模式間平滑切換，減少對(duì)船舶主電網(wǎng)的沖擊。

（4）系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制是指船舶儲(chǔ)能單元跟船舶PMS系統(tǒng)之間的溝通協(xié)調(diào)策略，目的是為了有效連接儲(chǔ)能單元和船舶主配電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)充放電快速切換，減少諧波，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，記錄活動(dòng)事跡及歷史數(shù)據(jù)等。

4 結(jié)論

進(jìn)行船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)時(shí)，需要針對(duì)不同的功能要求、不同的使用工況和不同的環(huán)境處所，采用不同的設(shè)計(jì)思路，抓住關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，通過實(shí)船項(xiàng)目的實(shí)施，不斷積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提高船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能和可靠性，為“碳達(dá)峰，碳中和”助力。