电力推进船舶的锂电池应用

侯锦福，张桦育

（中船黄埔文冲船舶有限公司，广州 510715）

0 引言

相比于传统的推进系统，电力推进系统具有经济性良好、操纵灵活、安全性高、振动小和可靠性高等特点，还有利于船舶降低排放和控制环境污染。电力推进系统现广泛应用于渡轮、挖泥船、拖轮和大型邮轮等。随着电力推进系统在船舶行业应用的范围不断扩大，在世界各国都在追求可持续发展、倡导低碳经济的今天，其将成为未来绿色船舶的前进动力。

然而，电力推进船舶一直面临着一个技术难题：频繁的负载扰动对推进系统的影响。这些负载波动对船舶电网和电站有着巨大的冲击，使得船舶稳定性下降，电站中内燃机燃油得不到充分燃烧，对环境效益和经济效益造成损害。在电力推进船舶中引入储能单元是解决这一难题的可靠方法。在电力系统遇到扰动时，储能单元可以在瞬时吸收或释放能量，平复扰动给系统带来的影响，改善系统性能[1]。

目前，使用最广泛的储能技术主要有蓄电池储能、飞轮储能、超导线圈储能和超级电容储能等[2]，在众多储能元件中，锂电池应用于船舶电力推进系统中的前景被看好，原因是锂电池寿命长、循环性能好、体积小、无污染，而且有很高的能量密度，可维持较长时间的放电或者充电状态，有着良好的稳态性能[3]。

锂电池既可以在电力推进船舶中作为储能单元与柴油发电机等其他电源组成综合电力推进系统，又可以单独形成纯电池动力系统，中国船级社（CCS）于2019年12月发布了《纯电池动力船舶检验指南》（简称：《指南》），该《指南》“适用于以蓄电池为推进电源的船舶的设计、建造和检验以及蓄电池及其电池管理系统（BMS）的试验和检验”，“混合动力电动船亦可参照本指南适用部分”[4]。锂电池亦属于《指南》中所述“蓄电池”中的一种。

1 锂电池参数分析

用作动力源的锂电池，按电芯材料分类，主要有三元锂、锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂等几种，参数详见表1。

表1 各类锂电池参数对比表

目前主流应用的是三元锂电池和磷酸铁锂电池。三元锂电池能量密度最大，但是出于安全原因，在电池管理系统需要投入更多资金，一定程度上限制了三元锂电池在国内船舶的应用。磷酸铁锂电池技术已相当成熟，广泛应用在陆用交通、太阳能和风力发电发电储能、电动工具等领域，大规模的生产也使电池价格回落到较为合理的空间。结合国内船舶实际和电池产业现况，磷酸铁锂电池在船舶领域发展较快[5]。

2 锂电池在综合电力推进船舶的应用实例

近期，由中船黄埔文冲船舶有限公司建造的综合电力推进近海船舶“深海01”轮已通过试验验收并交付使用，提供了锂电池在综合电力推进船舶的成功应用实例。

2.1 推进模式

该型船选用“柴油发电机组＋动力电池组”的综合电力推进模式，其中动力电池组采用磷酸铁锂电池。这种模式可以实现以下功能：

1）综合电力推进系统能够满足动力定位设备所需的大功率电能需求，并实现全船的智能化和信息化。

2）在船舶穿越LNG泄漏海域时，关闭柴油发电机组，由动力电池组提供动力并为船上设备供电。这样可以避免柴油发电机工作时消耗大量的氧气，从而能够关闭船舶所有对外通风口，有效阻止外界可燃气体渗入船舶内部。

3）根据需要，动力电池组通过逆变、变压设备可与柴油发电机组在交流母排并网运行，当负荷波动时，电池会动态响应来阻止或减少其对在网机组的频繁扰动，减少油耗和废气排放。

2.2 推进系统方案

该型船推进系统方案详见图1。

图1 “深海01”轮电力推进系统单线图

由图1可以看出，本船设置3台主发电机组、2组动力电池、2台吊舱推进器和1台艏侧推，是典型的由柴油发电机组和动力电池组组成的综合电力推进系统。根据不同工况的用电需求，3台发电机组及2套动力电池组中的任意台发电机及任意组动力电池，均可通过手动并车和自动并车方式进行并联运行。

2.3 动力电池组的充电方式

图1中的动力电池组、逆变器、隔离变压器和能量存储控制系统构成了能量存储系统。可以通过2种方式对动力电池进行充电：

1）发电机组运行，经由主配电板MSB1的交流母排、隔离变压器、逆变器对动力电池系统充电。

2）连接岸电（不启动发电机组），经由主配电板MSB2、1号公用变压器、主配电板MSB1、隔离变压器、逆变器对动力电池系统进行充电。此方式类似于插电混动汽车利用充电桩进行充电。

充电状态时，电池管理系统（BMS）系统通过通讯方式与能量管理系统（PMS）实时通讯，BMS通过通讯实时告知PMS充电电流和电压等需求。由PMS控制逆变器对电芯系统进行充电。

2.4 动力电池组的工作方式及作用

2.4.1 工作方式

动力电池组的工作方式有独立工作、与发电机并联工作2种。

2.4.2 独立工作时的作用动力电池组独立工作时，主要起到以下作用：1）在LNG泄漏海域内为全船动力及部分负载供电。

2）在驻泊等工况下为全船设备供电，减少环境污染及提高船员舒适度。

2.4.3 与发电机并联工作时的作用

动力电池组与发电机并联工作时，主要有以下作用：

1）与柴油发电机组并网运行，加快航速，提升响应能力。

2）在用电负荷波动大时，通过电池组的并网，使其动态响应来阻止或减少负荷对在网机组的频繁扰动。

2.5 动力电池系统设计

广义上的动力电池系统，应包括电池组及相关配套的变流、变压、监测、管理和保护装置。以本船为例，主要配置了2套动力电池组、2个电池控制柜、2套电池管理系统（BMS）、2个隔离变压器、2个电池逆变器、1套电池舱灭火系统（可分别对2个电池舱进行灭火）和2套可燃气体探测系统。在单套动力电池组中，每套包含3个支路，而单个支路上包含16个电池箱和1个从高压盒；支路与支路并联，接入电池控制柜的主高压盒。如下图2所示。

图2 电池子系统拓扑简图

2.5.1 电池系统紧急关断功能设计

本船设计了2 套动力电池组，每套动力电池组的标称能量达到840 kW·h。在电池控制柜内设有直流框架断路器，输入端为来自动力电池组3个支路的直流电，输出端为至电池逆变器的单个电池子系统的直流电。而在主配电板上配备了经逆变、变压后的电池电源，接入交流母排的交流框架断路器。在驾控台、集控台以及电池控制柜/电池逆变器本体上都设计安装了急停按钮。当按下按钮，能触发电池控制柜/主配电板内相关框架断路器的脱扣机构，用于紧急断开电池系统与电网的连接。值得注意的是，此控制线路与其它控制、显示和报警系统独立。在急停的同时，通过电池控制柜至机舱监测系统的通讯，可在驾驶室机舱监测延伸报警板或值班室（一般是集控室）发出视觉和听觉报警信号，如图3 所示。满足了《指南》3.2.3.3 中对电池系统需设置应急切断的相关要求。

图3 急停及报警设计

2.5.2 电池管理系统（BMS）设计

1）本船BMS功能主要集成在电池控制柜内，由推进系统UPS提供AC220 V电源，经BMS内部电源模块转换为DC24 V用作BMS主供电电源，设计上满足《指南》中“BMS应由其监控蓄电池外的电源供电”的要求。

2）本船电池管理系统（BMS）从层级配备上，自上而下依次包含主电池管理单元（MBMU）、从电池管理单元（SBMU）、电池监控单元（CSC）、电流传感器等。如图4所示的架构，电池监控单元（CSC）集成在电池箱内，从电池管理单元（SBMU）集成在从高压盒，而主电池管理单元（MBMU）集成进电池控制柜内的主高压盒，通过“层级”配备相关控制、监测模块，实现对电池系统的管理。

图4 BMS 架构图

3）通过BMS功能性的设计，其可用于检测电池柜内电池电压、温度、电流，计算电池柜电池剩余电量，并与上一层BMS实时进行通讯以及传输电池运行状态、报警信息给上一层管理系统，统筹整个所有电池进行自动均衡。此外，还能根据计算对剩余电量自动进行校准，实现智能化控制及管理。完全满足《指南》中“电池控制单元应能够接收蓄电池模块/蓄电池包内监测电路含有的信息（如电压、温度等）”的要求。

2.5.3 消防设计

《指南》中要求动力电池舱内的排风机与可燃气体探测装置设置联锁，当探测到气体浓度大于其爆炸下限的20%时，可自动启动风机排出气体。通过解读可分为以下3个要求：

1）单体电池会释放什么气体？只有分析并实测出具体的气体才能选择配备何种探测装置。

2）可燃气体探测需进行爆炸下限的标定，在达到标定值时能输出信号给外部设备。

3）动力电池舱内应配备应急排风机（由应急电网供电），同时其启动单元能受外部信号联动。

研究表明：电芯热失控是导致可燃气体蔓延的主要原因。本文中的动力电池供应商通过对单体电芯的热失控试验，测得各种成分气体的释放量见表2。

表2 302 Ah 电芯各气体释放统计表

由此可见，主要的可燃气体是H2及CO，故每个动力电池舱相应的配备H2和CO气体探测器。通过选择具备两路无源触点报警输出的探测器，并对探测器进行20%爆炸下限的标定。当探测到舱室内可燃气体浓度大于其爆炸下限（体积分数）的20%时，探测器输出2路触点信号，1路信号至应急排风机启动器用于自动启动风机，1路信号至全船监测系统，以提醒船员注意，如下图5所示。

图5 电池舱可燃气体探测系统

为满足《指南》相关要求，在本船的2个动力电池舱中，均分别配备1个感温探测器和1个感烟探测器，并串入本船的火灾报警回路，接入了本船固定式自动探火和失火报警系统，当发生火灾时能迅速探测到火情。

《指南》中对动力电池的安全级别分为2级。在电芯的热失控试验中，在释放有毒可燃气体的同时也释放氧气，认为其燃烧（爆炸）风险较高，安全等级为1；若只释放有毒可燃气体而不释放氧气，其燃烧（爆炸）风险较低，安全等级为2。

根据设备商的单体电芯热失控试验表明：本船所使用的电芯安全等级为2。《指南》里对该安全等级的动力电池，要求其电池舱应设有下列固定式灭火系统之一进行保护：七氟丙烷灭火系统、二氧化碳灭火系统或压力水雾灭火系统。本船选用七氟丙烷灭火系统。当按下七氟丙烷控制箱的电池舱（左/右）的启动按钮，声光报警器报警，系统自动延时30 s（0～60 s可调）后，七氟丙烷瓶头阀的执行器被完全打开，则开始释放气体。

2.5.4 动力电池系统的布置

对于动力电池系统的布置，重点在于考虑动力电池柜的布置。结合本船实际情况并根据CCS《指南》要求，归纳一下主要有以下几点：

1）对超过15 m长的船舶，若动力电池布设于船舱内，则应至少分设两个专用舱室。对单个专用舱室的动力电池总存储能量限制在2 000 kW·h以内。

2）舱内的动力电池与舱壁/甲板间应留够空间以便电池的通风散热。当船长不小于20 m时，与舱壁的间距应不小于150 mm，与上方甲板的间距不小于500 mm。

3）动力电池布设时尽可能远离舷侧，避免碰撞的影响。动力电池至船体外板的水平间距不小于500 mm。

4）应设有供船员方便到达开敞甲板上蓄电池箱（柜）的通道。

为此，为满足相关距离尺寸要求，本船动力电池组布置在主船体中左、右两侧的动力电池舱内，同时考虑到了电池的散热和防撞空间；动力电池舱布设有梯道，可以直通到达上层露天甲板。2个动力电池舱之间的舱室，则布置了电池控制柜、电池逆变器及隔离变压器等。如图6所示。

图6 折叠门防火试验

图6 动力电池系统的设计布置

2.6 动力电池系统的安装及布设经验总结

动力电池系统的安装主要是对动力电池组的安装。安装前需确保相关设备支架、基座、电缆贯通件、管系等舾装件均已安装到位且不再大规模动火；确保空调、通风系统具备开启条件。对动力电池组的安装主要包括电池箱的吊装、转运及固定于电池柜，以及对电池箱的等电位线连接、动力电池系统线缆连接等工作。

结合船厂施工过程及后期船东使用情况考虑，在前述设计过程中，除需要考虑电池的散热、防撞及维修空间之外，电池柜的布置还应考虑电池箱的吊装、安装和后期更换、转运的空间。本船单个电池箱重达130 kg，全船96个。如不提前考虑其吊装及转运方案，对船厂而言影响了安装进度，且增加了安装难度（狭小空间内容易撞坏电池箱）；对船东而言，也会给后期更换电池箱带来不便。因此，在设计环节需考虑相关吊装空间的预留，并提前规划好转运路线和方案。另外，由于动力电池组的线束较多，如电池箱与电池箱之间包括高压线束（即正、负极电源线），加热线束和低压线束（包括通讯线等）。每个动力电池舱仅电池箱就数十个，且在电池柜内的排列也较为紧密，根据设计需要既有串联也有并联的关系，电缆敷设位置和接线空间也需提前考虑。要充分考虑这些电缆的布设位置和布设方法，使得电缆走线整洁、美观，保证后期电缆拆卸和电池箱更换的便捷性。

2.7 动力电池系统的试验

动力电池系统的试验主要在于对动力电池组的功能验证，由以下几个方面组成：

1）上电前检测。包括单个电池箱的短路检测以及电压检测。

2）上电试验和监测项目检查。通过上位机检测动力电池组内单体电芯压差、温差以及电芯数量；检测单支路电压、电池系统输出电压等。

3）通讯功能检测。通过人为制造通讯故障（如拔掉通讯线）检测电池系统在内部通讯断开时是否报警；检查BMS与PMS的通讯链路是否正常。

4）安全保护和联锁功能的试验。包括高压互锁检测以及急停开关功能检测。

5）依据《动力电池组容量计算书》进行充放电试验。

6）检验动力电池系统与柴油发电机组在交流母排并网的相关功能及稳定性。

经过电池系统的设计、安装以及系泊试验，本船最终在航行试验中，验证满足了总体规格书所规定的“纯动力电池供电的情况下在7 kn航速稳定运行不小于2 h”的要求，以及“动力电池系统与柴油发电机组并网使推进器全功率稳定运行”的要求。在航行过程中没有发生影响安全的报警和故障，表明该电池系统满足设计要求。

3 结论

本文介绍了“深海01”轮动力电池组的电站配置方案和作业方式。在动力电池系统的设计中，通过提取《指南》中对动力电池系统的紧急关断、电池管理系统、消防和布置等几个方面的要求，逐项解析、研究并落实具体方案和措施，做到满足CCS的《指南》要求。在通过实船安装动力电池系统过程中，分析总结了动力电池组的安装条件、布设考虑因素以及试验内容等。通过对“深海01”轮动力电池系统的设计与建造实践，以期为今后设有动力电池组的船舶提供相关经验借鉴。