船用磷酸鐵鋰電池儲能系統配置關鍵技術

陳志宇，徐水金，張學瑾，陳海金，楊澤濱

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715；2.上海凌耀船舶工程有限公司，上海 201100；3.上海船舶設備研究院，上海 2 000311)

0 引言

船用鋰電池動力系統兼備節能環保、低振動噪聲、布局靈活等優勢[1]，逐漸受到業界的重視與青睞。鋰電池興起于2000 年初期，是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰等鋰元素電極材料電池的統稱。其電池的能量密度遠高于傳統的船用蓄電池，可達80～200 Wh/kg，同時還具有極高的能量效率（>97%）和極低的自放電率（<0.3%/天）[2]，尤其磷酸鐵鋰電池安全高，兼具高性價比，是目前開展研究最多的蓄能技術。但是隨著磷酸鐵鋰電池在船上使用及其裝船容量逐年遞增，業內對磷酸鐵鋰電池儲能系統的安全性和可靠性提出了更嚴格的要求。本文分析研究船用磷酸鐵鋰電池儲能系統的關鍵技術，以智能型無人系統母船為載體闡述磷酸鐵鋰電池儲能系統的集成方案配置，為工程設計人員提供參考和借鑒。

1 磷酸鐵鋰電池儲能系統特性分析

1.1 磷酸鐵鋰電池的特性分析

能量密度：相同質量的條件下，其能量密度是傳統蓄電池（如鉛酸電池）的3～5 倍。

放電率：工作在不同的放電率下，磷酸鐵鋰電池在放電電壓基本維持在設計閾值內。

使用壽命：在同等容量下，磷酸鐵鋰電池循環次數在3 倍于傳統鉛酸蓄電池時，其容量仍能保持在正常水平區間。

安全性：大部分鋰電池的安全問題持續受到用戶的質疑，但磷酸鐵鋰電池正負極本身有著較高的熱穩定性，并可對電池包內部結構進行優化設計，使其通過目前行業內較高標準的性能測試及安全測試。有研究表明，在磷酸鐵鋰電池使用環境周圍無明火狀態下，其熱失控一般不發生主動式爆炸[3–4]。

通過對智能型無人系統母船的磷酸鐵鋰動力電池的電芯熱失控試驗，試驗過程中釋放的氣體成分結果見表1。

表1 電池單體熱失控氣體成分表Tab.1 Composition table of thermal runaway gas of single cell

該電池在熱失控情況下，由于磷酸鐵鋰結構穩定，在高溫時未見氧氣析出，涉及的化學反應主要是在陽極與電解液之間發生。熱失控時，電芯內部溫度約300℃，遠低于電池可釋放的可燃氣體在空氣中著火溫度（530℃～750℃），因此不會引燃可燃氣體。可見，在沒有助燃物的情況下，該船配置的磷酸鐵鋰動力電池在熱失控時不會發生燃燒爆炸，其安全等級為2，滿足船級社標準相關要求。

1.2 船用磷酸鐵鋰電池儲能系統的特性分析

大容量動力電源。由于磷酸鐵鋰電池的固有電化學特性，雖然單個的電池單元容量小電壓低，但在實際應用中可將小的電池單元加以擴展和封裝，形成電池簇，更大的電池陣可由多個電池簇并聯得到，其容量可達到兆瓦的級別[5]，不僅能滿足船舶儲能的需求，甚至可作為船舶主動力電源。

與直流電網并網的兼容性好。當作為船舶動力電源或電網儲能系統時，磷酸鐵鋰電池儲能單元的直流特性與常規柴油發電機組的交流特性相比不需要考慮頻率和相位的匹配問題，具有并網制約因素少、系統響應快等特點。其中，作為儲能系統時，其傳統傳遞模式[6]主要有3 種：

1）當電網負荷率高于發電機組設定負荷率時，為了保持發電機組的最佳負荷率，由磷酸鐵鋰電池儲能單元承擔剩余功率儲能單元放電；

2）當電網負荷低于發電機組最優負荷率時，發電機組的剩余功率用于給磷酸鐵鋰電池儲能單元充電；

3）負載向電網反饋能量（如吊艙電力推進系統在推進電機剎車過程的能量流向）時，其能量被儲能單元回收利用。

可見，在船舶電力系統中配置磷酸鐵鋰電池儲能單元可使柴油發電機組保持在理想工況，提高能效和經濟效益，且可避免在負載電機有能量回饋時，其回饋能量對電網造成激烈波動。

2 磷酸鐵鋰電池儲能系統特性分析

中國船級社《純電池動力船舶檢驗指南》（2019）提出船用磷酸鐵鋰動力電池主要涉及的潛在風險有：熱失控、電擊風險、火災爆炸風險、氣體蔓延風險以及外部火災風險[7]。

2.1 熱失控

針對熱失控風險，在設計時可在艙室內配置探火和滅火系統，以實現對電池包早期火災感知、智能判覺及抑制早期火災。艙室內根據電芯熱失控試驗釋放的氣體成分配置對應的氣體傳感器，同時搭配煙霧傳感器及溫度傳感器，通過多傳感器的負荷判斷提前預知熱失控風險，并在駕駛室等控制站通過專業的復視器進行聲光報警。同時感知系統設置成在達到一定感知閾值時與艙室排風機實現聯鎖功能以便實現自動應急排風。

2.2 電擊風險

針對電擊風險，主要依靠預防性措施，在電池包設計選型時，優先考慮內部電氣元件之間及與外殼間的絕緣強度（滿足CCS 要求）；同時通過電池管理系統（BMS）進行實時電池系統絕緣狀態跟蹤及輸出絕緣低報警信號。

2.3 火災爆炸風險

針對火災風險，目前主流的方式是采取預防、阻斷和降損相結合[8]：1）電池模塊外殼結構設計，通過有效的防護措施增強電池包結構的強度和耐火的等級，避免單個或多個電池在受到碰撞和擠壓等情況下引發熱失控的一系列連鎖反應；2）考慮內部空間設計散熱能力，能一定程度上緩解內部熱集聚速度；3）電池內部各組件選型時，重點關注其各自著火點數據，選用高著火點溫度值的材料；4）采用BMS 實時跟蹤電池電壓值和溫度值，在超過閾值時輸出相關報警信號，甚至停止相應的電池充放電操作；5）在艙室內及外配置聲光報警裝置，并同時在船上公共場所輸出延伸聲光報警信號，給予艙內工作人員及船上人員最大限度的緊急處理和逃生時間窗口；6）針對磷酸鐵鋰電池熱失控時的滅火有效性研究，在電池安裝處所/艙室設置七氟丙烷滅火系統[9]，有效對初期火情進行控制。

針對爆炸風險，可參考預防火災風險的相關措施，重點關注電池包及整體電模塊內外壓平衡問題，電池包的設計還要考慮在其可能發生爆炸時的泄壓能力，從而降低爆炸時的力度。

2.4 氣體蔓延風險

針對氣體蔓延風險，通常：1）電池包設計選型時優先選用散熱、阻燃出眾的材料；2）同時參考預防防爆風險的措施，配置防爆閥；3）采用BMS 實時監控電芯溫度、絕緣、荷電狀態 (SOC)、電壓等電池模塊狀態參數，當超過相關閾值時可采取停止相應的電池充放電操作的措施。

2.5 外部火災風險

針對外部火災風險，實時監控環境溫度，在環境溫度達到報警值時預先在艙內外輸出聲光報警信號，并同時在船上公共場所輸出延伸聲光報警信號，給予船上人員寬裕的緊急處理時間。當超過閾值時，BMS系統觸發對電池電池停止充放電操作，同時自動聯鎖起動艙內七氟丙烷滅火系統進行滅火降溫。

2.6 船用磷酸鐵鋰動力電池安全策略

該船在開發階段，為確保船用磷酸鐵鋰動力電池系統高安全性，已采用多重策略以防止電池系統出現過充、過放、過溫、過流的風險。

電池管理系統采用3 級預警機制，1 級主要為船員進行報警提示，2 級將觸發降功率或者啟動降溫措施等，3 級將停止運行電池系統，通過BMS 與船上常規監測報警系統的通信來提示磷酸鐵鋰動力電池系統的工作狀態，通過BMS 與能量管理系統的重要數據交換，來觸發控制降功率或者啟動降溫措施等動作的執行。

3 磷酸鐵鋰電池儲能系統集成配置方案

以智能型無人系統母船為載體，對船用磷酸鐵鋰儲能系統的集成配置方案進行闡述。

3.1 電池子系統配置

為實現零排放達到高環保要求，動力蓄電池組是該船在港口低速航行時唯一動力來源。考慮到該船在進出港工況下，根據船舶電網設計原則[10]，按照連續負荷和間斷負荷分類計算電力負荷，電力推進負荷235.5 kW（吊艙推進負荷126 kW；回轉負荷(考慮到負荷系數LF-0.2 和同時系數CF-0.5 為18 kW)；首側推裝置負荷(考慮到負荷系數LF-0.16 和同時系數CF-1 為91.5 kW)），其余船舶系統負載約為287 kW，合計約525 kW。按1 小時配置該動力蓄電池，并計及安全裕度12.5%，動力電池的總容量設計為600 kWh。此容量配置方案可滿足推進需求（其中電力推進系統有效功率占電網容量的40%）。

該船直流母線電壓為1 000 V，配置電池總容量為Pah=600 Ah，能滿足系統需求。具體配置如下：選用某廠家經船級社認證的3.22 V，271 Ah 磷酸鐵鋰電芯；5 個電芯串聯后形成1P5S（1 并5 串）模組，電池包為4 個模組1P20S（1 并20 串）結構，電池包內部設置有電池單體電壓和溫度采集的模塊。按照單個電池包標準充放電電流為100 A，最大持續充放電電流為200 A。單簇電池由12 個電池包組成，形成1P240S（1 并40 串）電池簇結構，電壓為772.8 V，總計電量209.4 kWh。分成2 組：1 號電池組由1 個電池簇并聯而成，電壓為772.8 V，總計電量209.4 kWh；2 號電池組由2 個電池簇并聯而成，電壓為772.8 V，總計電量418.8 kWh；電池系統由2 個電池組并聯而成，電壓為772.8 V，總計電量628 kWh。

3.2 電池管理系統

該船采用三級架構模式的電池管理系統，形成電池域管理單元（BAMS）、電池簇管理單元(BMMS)、模塊管理單元(BCMS)，如圖1 所示。

圖1 電池管理系統構架圖Fig.1 Battery management system architecture diagram

該系統主要由3 個電池簇、3 套BMMS、2 套BAMS、集控室顯示屏等組成。集控室集控臺顯示屏用于監控和部分控制功能，其余部件均安裝在電池艙內。

高壓盒及簇管理單元可實現功能：與BCMS 通信及供電；總電壓、總電流采集；絕緣、室溫檢測；充放電控制；SOC 計算；狀態診斷、故障定位，并實現保護及報警功能。

域管理單元盒用于實現：1）與高壓盒及BMMS通信及供電。接收高壓盒上傳的電池簇運行狀態信息、故障信息、電池簇運行參數等信息；接收高壓盒上傳的請求指令；給高壓盒發送待機、放電、充電、停止放電、停止充電等指令。2）與能量管理系統（EMS）裝置及全船監測報警通信。上傳所有電池簇的信息給對于系統。3）決策功能。通過與EMS 裝置交互，上傳電池和系統信息，接受控制命令；執行電池簇并聯管理策略。

3.3 儲能系統功能

近年來大容量儲能技術不斷進步，在綜合考慮了電池儲能單元的各項技術指標后，其在陸地上的并網應用越來越多[11–12]，進而儲能單元船用并網技術也在逐漸開展。該船儲能系統通過DC-DC 變流器模塊，實現充放電控制。在充電工況下，變流器配合濾波器（LDC）電路將直流母排電壓1 000 V DC 進行降壓斬波至電池組充電所需的電壓閾值。在放電工況下，直流換流器配合濾波器（LDC）電路將電池側低壓進行升壓斬波，使直流母排電壓穩定在1 000 V DC，通過直流母排實現向推進器和日用負載供電。該船磷酸鐵鋰電池儲能系統實現就地和集控室遙控2 個控制位置進行操作。

在集控室遙控時，EMS 根據當前電網負荷狀態實時對電池進行控制，當電網的負荷率低于30%（可手動設置）且電池SOC 低于85%（可手動設置）時，EMS 發出起動命令，開始對電池進行充電，當電網的負荷率超過60%時，充電停止。EMS 系統會實時監測當前電網負荷的變化，當有高頻的負荷變化時，會讓電池系統進行快速充放電，從而避免柴發機組的負荷激烈波動。

儲能系統還有維持當前直流電網電壓的功能，當電網電壓高于1 050 V 時，EMS 就會控制電池充電，當直流電網電壓低于950 V 時，EMS 就會控制電池系統進行放電，從而維持電網電壓的穩定。

4 磷酸鐵鋰應急蓄電池配置方案

傳統船舶通常采用應急發電機組作為船舶應急電源，該船開創性地采用磷酸鐵鋰蓄電池作為船舶應急電源，其主要有輕量化、清潔環保和高安全性等特點。

根據中國船級社規范要求，蓄電池容量需滿足應急情況下使用設備的負荷要求[13]。根據該船應急情況優先保障供電的設備配置情況，船上應急電源有220 V AC和24 V DC 兩種電制（380 V AC 電制的設備需配置獨立的不間斷電源UPS 或手搖啟動裝置），故該船磷酸鐵鋰蓄電池系統需要配置2 種電制。應急電源系統需額外配置逆變器，將磷酸鐵鋰電池組輸出24 V DC 電源轉換為220 V AC 電源。特別需注意：船上應急電源為220 V AC 電制的設備是交流單相或交流三相的問題，考慮到部分船舶在開發設計階段，為了均衡整體船舶電網的三相功率負荷，通常直接采用24 V DC 電源轉換為三相220 V AC 電源輸出方案，但對應的逆變系數降低問題需通過合適的電源模塊選型來解決。在方案設計時盡量選用純正弦波、失真率低，且高輸出效率的產品，同時該電源模塊還需滿足過流、短路、過溫等保護功能，否則將大大增加蓄電池組的計算容量。

船上的兩類電制優先保障供電設備需求情況見表2。

表2 應急蓄電池組負荷及容量統計表Tab.2 Statistics of load and capacity of emergency battery pack

蓄電池容量計算如下式：

式中：C為蓄電池容量需求，kWh；PAC為交流用電設備功率，kW；PDC為直流用電設備功率，kW；t為規范規定的用電時間，取18h；K1為用電設備使用系數；K2為逆變系數，根據系統設計要求，取0.8。

相關數據代入式（1），該船應急蓄電池容量C=158.5 kWh。

考慮到安全裕量，該船磷酸鐵鋰應急蓄電池系統配置組成主要包括電池系統、充放電板和UPS。

1）電池系統由28 個磷酸鐵鋰電池包串并聯組成，采用3.22 V DC，271Ah 磷酸鐵鋰電芯，4 個電芯串聯后形成1P4S 模組，電池包為2 個模組1P8S 結構。單簇電池由1 4 個電池包組成，形成1 4 P 8 S電池簇結構，電壓為25.76 V DC，總計電量97.72 kWh。電池系統由2 個電池簇并聯而成。設計總容量為7 588 Ah，額定電壓25.76 V DC，輸出電壓為23.2～28.8 V DC，合計電量約為195.4 kWh。

2）充放電板由整流器、充電機和分電板組成。整流器為24 V DC 負載供電，正常輸出電壓為28.8 V DC，輸出功率約為8 kW。主電源失電時，由電池包為24 V DC負載供電，放電深度為90%情況下，可滿足8 kW 放電時長18 h 電量的需求。

3）考慮到供電的不間斷性，在主配電板失電后，BMS 的220 V AC 電源丟失，導致整套充分電板工作失效。故BMS 額外配置1 套UPS 24 V DC，5A。根據充放電板的工作時間，需同時滿足18 h 放電時長要求，故該船BMS 配置UPS 容量為120 Ah。

5 結語

隨著大容量磷酸鐵鋰動力蓄電池儲能系統的技術不斷成熟和進步，其在船舶的應用前景受到高度關注，本文分析磷酸鐵鋰電池系統的特性，對磷酸鐵鋰動力電池風險提出相應的應對措施。以智能型無人系統母船為載體，闡述該船的磷酸鐵鋰儲能系統集成配置方案和磷酸鐵鋰應急蓄電池配置方案等關鍵技術，為工程設計人員提供參考和借鑒。