陳立新 付銀河 黃 鑫 嚴(yán)曉軍

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

引 言

目前，運(yùn)輸船舶大多是柴油機(jī)推進(jìn)。柴油在燃燒過程中，會產(chǎn)生大量的硫化物、氮氧化物和二氧化碳?xì)怏w以及粉塵等污染物，船舶排放的廢氣及噪聲已成為環(huán)境污染不可忽視的問題。2011年，國際海事組織海洋環(huán)境保護(hù)委員會通過了國際海運(yùn)溫室氣體減排措施強(qiáng)制規(guī)定，確定了“新船設(shè)計能效指數(shù)EEDI”以及“船舶能效管理計劃SEEMP”兩項船舶能效標(biāo)準(zhǔn)［1］，對運(yùn)輸船舶的能效指標(biāo)、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(jīng)濟(jì)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(jié)能減排工作，推進(jìn)船舶清潔能源的應(yīng)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(yōu)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(fā)一種新型的船舶電站系統(tǒng)，這種新型電站系統(tǒng)適用于各類中小型純電動（鋰電池）內(nèi)河運(yùn)輸船舶，如渡船、貨船、短程客船、觀光旅游船、游艇等內(nèi)河區(qū)域或島嶼間船舶。該新型船舶電站系統(tǒng)集新能源、新產(chǎn)品、新技術(shù)于一體，可最大限度地提高船舶運(yùn)行的安全性和可靠性。

1 電站組成及設(shè)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(tǒng)，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(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理。

圖1 鋰電池電動船的電站組成

當(dāng)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(jìn)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(shè)備選配

1.2.1 鋰電池組及電池管理系統(tǒng)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(shù)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(yùn)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(jìn)行了型式認(rèn)證，且國內(nèi)只有7家供應(yīng)商生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池獲得CCS證書，能夠應(yīng)用于船舶（如表1所示）。

表1 中國船級社形式認(rèn)可的鋰電池廠家

上述7家供應(yīng)的磷酸鐵鋰電池，其單體容量、標(biāo)準(zhǔn)充放電倍率、最大持續(xù)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(yīng)推進(jìn)負(fù)載的突變，又能使鋰電池單體配置數(shù)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(guī)范中沒有對于船舶岸電充電樁的技術(shù)要求，也沒有相關(guān)的船用國家標(biāo)準(zhǔn)，因此只能參照汽車充電裝置的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20234-2011）［2］中直流充電安全保護(hù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行考量。國標(biāo)要求充電樁應(yīng)具備與電池管理系統(tǒng)BMS通信的功能，且能判斷與BMS是否正確連接，并應(yīng)能獲得BMS系統(tǒng)充電參數(shù)和充電實時數(shù)據(jù)，還應(yīng)具備與上級監(jiān)控管理系統(tǒng)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(xié)調(diào)，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(tǒng)。直流配電柜的作用是對全船直流電進(jìn)行供配電管理，主要負(fù)責(zé)對鋰電池的充放電、推進(jìn)設(shè)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(hù)；交流配電柜的作用是對全船380 V及220 V的常規(guī)用電設(shè)備進(jìn)行配電及保護(hù)。

1.2.4 逆變器及正弦波裝置

與交流電力推進(jìn)相比，直流電力推進(jìn)設(shè)備體積大、質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率較低，而且設(shè)備相對復(fù)雜，可靠性和可維護(hù)性等方面也不如交流電力推進(jìn)。而且近年來，交流變頻調(diào)速克服了交流系統(tǒng)調(diào)速性能差的缺點，在大部分領(lǐng)域已替代了直流電力推進(jìn)［3］。所以，目前鋰電池船舶的推進(jìn)電機(jī)采用交流的較多，再加上船舶上使用的大多數(shù)設(shè)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(tǒng)

與傳統(tǒng)的柴油機(jī)推進(jìn)不同，電力推進(jìn)船舶的關(guān)鍵是船舶電站管理系統(tǒng)，主要包括電源即鋰電池的充放電監(jiān)測及安全管理、交直流配電系統(tǒng)的操作及協(xié)調(diào)保護(hù)等。

2 案 例

下文將以本項目組研發(fā)的內(nèi)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(shè)計時，研究及解決的主要技術(shù)問題進(jìn)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(jī)+直翼舵槳推進(jìn)，電力及生活用電設(shè)備負(fù)荷33 kW，航距80 km，設(shè)計航速12.8 km/h，鋰電池續(xù)航力約7.3 h，碼頭裝卸貨時間2 h，港內(nèi)停泊待港（不接岸電）時間最多8 h。

本船經(jīng)實船航行試驗測試，其電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、性能安全可靠，技術(shù)參數(shù)計算正確，設(shè)備選擇合理，技術(shù)設(shè)計方案也得到驗證。由于實船航行測試是在主航道進(jìn)行，經(jīng)常需要避讓船只，推進(jìn)電機(jī)功率不能持續(xù)保持額定功率，再加上氣候適宜且在白天進(jìn)行測試，有些用電設(shè)備如空調(diào)、照明等負(fù)載不足，因此試驗結(jié)束時的剩余電量較電力負(fù)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(shè)計時首先需要進(jìn)行電力負(fù)荷計算，通常計算結(jié)果是以功率表示，按此功率選擇相應(yīng)的發(fā)電機(jī)，只要船上配置足夠的油和水，發(fā)電機(jī)便可持續(xù)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(shè)計時必須引入一個全航程用電時間的概念，這是與柴油發(fā)電機(jī)電站的不同之處。根據(jù)本船用電總負(fù)荷較大，且多為交流380 V的特點，結(jié)合目前船用變頻器和交流電網(wǎng)逆變器的成熟產(chǎn)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(shù)，以及推進(jìn)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(jìn)電機(jī)數(shù)量，臺；k1為電網(wǎng)損失，通常取0.05；H為航行時間，h；k2為鋰電池放電系數(shù)。

根據(jù)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(chǎn)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(nèi)，其放電系數(shù)可以取1。為保險起見，計算時按剩余電量預(yù)留5%考慮。計算結(jié)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(guī)范要求對每一塊單體鋰電池要進(jìn)行監(jiān)控管理，如對電壓、溫度等各種參數(shù)的監(jiān)控，因此單體鋰電池的選擇非常重要，在兼顧其外形尺寸、質(zhì)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(yīng)的BMS數(shù)量配置，也可減少整個電站監(jiān)測點的數(shù)量，從而使船舶通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量大幅下降。既降低了成本，也提高了系統(tǒng)的可靠性。

在對現(xiàn)已取得CCS船級社證書的各種單體鋰電池的特性及參數(shù)進(jìn)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(xù)航力的要求。

2.2 供配電系統(tǒng)的冗余及保護(hù)

2.2.1 并聯(lián)供電模式

電站的供電系統(tǒng)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(xù)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(yùn)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(tǒng)的安全管理。

（3）盡量提高鋰電池的使用壽命，并聯(lián)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(lián)供電模式。這種并聯(lián)供電模式對單體電池的一致性（電壓、電流、溫度、內(nèi)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(yīng)能隨時自動監(jiān)測和均衡單體電池及組電池在任何時候的各項性能指標(biāo)，保證鋰電池組并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2.2 分段母排

電力推進(jìn)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(jìn)及電力設(shè)備用電均取自同一組或幾組并聯(lián)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(jìn)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(shè)備提供能源。

考慮船舶推進(jìn)負(fù)載的不穩(wěn)定性，甚至?xí)休^大波動，為確保船舶電站系統(tǒng)的安全并保證交流380 V電源質(zhì)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(tǒng)

直流母排設(shè)隔離開關(guān)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(guān)K1連接；C是電力匯流排，由常開開關(guān)K2分?jǐn)?。這種供配電的方式主要是基于以下兩點考慮：

（1）推進(jìn)供電具有充分的冗余度。K1閉合，6組鋰電池任意一組出現(xiàn)故障切除都不影響船舶航行安全。而當(dāng)A或B段匯流排上的電器出現(xiàn)故障又一時無法排除時，可通過切斷隔離開關(guān)K1來保證無故障的匯流排正常供電，保證供電的連續(xù)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(tài)波動不受推進(jìn)負(fù)載變化的影響，而且大功率變頻器產(chǎn)生的諧波分量及電磁干擾，也不會影響交流380 V電源質(zhì)量。K2的作用是在極端情況即船舶失去全部推進(jìn)動力源時，可由電力鋰電池短時供電給推進(jìn)負(fù)載，使船舶可以安全靠泊，即提供了一種船舶應(yīng)急返航的方法及能力。需注意的是，K2只有在確認(rèn)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(lián)將會產(chǎn)生較大環(huán)流，引起短路或鋰電池發(fā)熱的故障。

本船根據(jù)電力負(fù)荷計算，得出推進(jìn)負(fù)載所需總?cè)萘繛? 640 kW h，電力負(fù)載所需總?cè)萘繛?92 kW h。選擇6組鋰電池并聯(lián)為推進(jìn)負(fù)載供電（可供1 800 kW h），2組鋰電池并聯(lián)為電力設(shè)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(lián)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(shù)指標(biāo)，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(yīng)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(yè)（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(jìn)行設(shè)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(jìn)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(xié)議（通常對充電電壓、溫度和電流等進(jìn)行控制）外，還必須嚴(yán)禁船舶移動。因此在系統(tǒng)設(shè)計時我們把充電信號與推進(jìn)驅(qū)動進(jìn)行聯(lián)鎖，使船舶在充電時，推進(jìn)系統(tǒng)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(yè)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(shè)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(yè)碼頭都配套有一定容量的交流高壓電，具備建設(shè)岸電充電樁能力，也可采取增設(shè)變壓器的方式進(jìn)行增容，當(dāng)然這種方式的成本會較高。據(jù)了解目前岸電充電樁的建設(shè)費(fèi)用在1 000~1 600元/kW。根據(jù)本項目實際營運(yùn)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(shè)施建設(shè)即可，充電樁可以共用，這樣有利于后續(xù)電動船的推廣應(yīng)用，而且并不影響其他非電動船靠泊裝卸貨。結(jié)合本船選用的鋰電池充放電特性及能力、電力系統(tǒng)技術(shù)論證及設(shè)計并考慮實船裝卸貨作業(yè)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(hù)

在電力系統(tǒng)設(shè)計基本完成后，需要計算電網(wǎng)中各點的短路電流，用于校核所選電氣設(shè)備的熱穩(wěn)定性和電動力穩(wěn)定性，校核所選用的保護(hù)電氣的短路接通能力和短路分段能力以及為電力系統(tǒng)保護(hù)提供必要的數(shù)據(jù)。我們設(shè)計的大功率鋰電池動力船舶電站系統(tǒng)是交直流混合電力系統(tǒng)，要分別考慮直流側(cè)出現(xiàn)瞬時短路故障時交流系統(tǒng)對直流側(cè)的影響，以及交流側(cè)出現(xiàn)瞬時短路故障時，直流系統(tǒng)對交流側(cè)的影響。

當(dāng)直流側(cè)出現(xiàn)瞬時短路故障時，其形成的短路電流一般比交流系統(tǒng)大得多，若使用空氣開關(guān)進(jìn)行保護(hù)，則必須成倍加大空開的額定電流及瞬態(tài)動作值，也可采用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)，即每組鋰電池都要經(jīng)過快速熔斷器與直流母排相連。

計算表明，當(dāng)交流側(cè)出現(xiàn)瞬時短路故障時，可忽略直流側(cè)提供的短路電流，僅按照中國船級社規(guī)范要求進(jìn)行短路計算即可，其協(xié)調(diào)保護(hù)的原則也不變。不過，關(guān)于短路電流及協(xié)調(diào)保護(hù)的詳細(xì)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(tǒng)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(fēng)及消防安全。

BMS管理系統(tǒng)是鋰電池作為電源必不可少的監(jiān)控設(shè)備，一般根據(jù)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(jìn)行實時監(jiān)控，對單體電壓高的會先自動進(jìn)行均衡并報警，過高將會自動停機(jī)，過流時將會報警并降功率使用，直至停機(jī)。按照規(guī)范要求［6］，本船鋰電池及鋰電池艙的監(jiān)控報警見表2。

表2 鋰電池及BMS的監(jiān)測報警

續(xù)表2

當(dāng)任意一組鋰電池出現(xiàn)故障無法自動排除時，電站管理中心具有緊急關(guān)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(yīng)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(dú)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(nèi)，鋰電池還需安置在專用的箱柜內(nèi)，箱柜內(nèi)設(shè)有溫度傳感系統(tǒng)，電池艙設(shè)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)、感煙感溫火災(zāi)自動探測系統(tǒng)以及七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)。

2.4 計算機(jī)管理中心

電站管理是本船計算機(jī)管理中心的一部分，管理中心具有自動檢測報警系統(tǒng)和能量控制策略。其主控制器是由DSP數(shù)字控制器為核心構(gòu)成的，在系統(tǒng)內(nèi)完成整船過程控制和算法，是構(gòu)成整船控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心。

其內(nèi)置的GPS衛(wèi)星信息系統(tǒng)的硬件組合構(gòu)成了船舶的位置。在系統(tǒng)中，將所有的船載動態(tài)過程控制參數(shù)與位置信號建立對應(yīng)的關(guān)系，用以構(gòu)成實時要件。GPRS系統(tǒng)具有內(nèi)置獨(dú)立的SIM卡，與設(shè)備構(gòu)成相對應(yīng)的無線傳輸通道，并被傳入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，進(jìn)入數(shù)據(jù)中心的控制數(shù)據(jù)管理。

船舶在航行時，駕駛員不僅可以進(jìn)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(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)和整船在航行和作業(yè)時各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)及狀態(tài)，也可以在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的終端設(shè)備出現(xiàn)，甚至在整個Internet網(wǎng)絡(luò)中，一些重要的信息參數(shù)也可通過手機(jī)App實現(xiàn)遠(yuǎn)傳監(jiān)視。

3 結(jié) 語

本項目組從鋰電池動力船舶的特性出發(fā)，設(shè)計研發(fā)出一種安全經(jīng)濟(jì)可靠的電站系統(tǒng)，以最少的電池配置、最高的安全冗余為目標(biāo)，不僅提高了船舶的安全性，而且使船舶具有應(yīng)急返航能力。鋰電池因具有零排放和低噪聲的優(yōu)勢，其應(yīng)用前景非常廣闊。