论文部分内容阅读
摘要：本文分析和比较了不同类型锂离子动力电池的性能特性，介绍了锂离子动力电池作为动力源的优点，并以实际设计例子，详细介绍了小型船舶动力电池推进系统设计的要点。
关键词：小型化船舶；锂离子动力电池；直流电力推进系统
Abstract：This paper analyses and compares of the characteristics of different types of lithium-ion power source，then introduces advantages of lithium-ion battery as power source on diminutive ship. The design of lithium-ion battery propulsion system on ship is detailed introduced also.
Key words： diminutive ship；lithium-ion power battery；direct current electric propulsion system
船运行业作为全球经济运行的主要载体，为世界经济贸易做出了巨大贡献。目前，船舶航行主要依靠船用柴油机提供动力，这加剧了资源枯竭以及生态环境的恶化。绿色船舶已经成为未来船舶发展的方向。近年来锂离子动力电池技术发展迅速、产量扩大、价格降低，以及随着电动汽车的量产，锂离子动力电池作为船舶动力源也正在成为一种发展趋势。
1. 锂离子电池动力船舶特点分析
将锂离子动力电池作为动力源的船舶在船体结构设计、船舶布置、推进系统、电池动力系统、配电系统、消防系统等方面都需要根据目标船的任务需求来进行协调考虑，与传统柴油机船舶有较大区别，船舶设计的重点和难点在于电池动力系统的合理选择，既要满足船舶任务对航速和续航力的需求，又要尽量控制电池配置数量，以减少船舶自重。
与传统柴油机船舶相比，锂离子电池动力船有以下优点：
1. 良好的环保效果。，锂离子电池动力船具有零污染、零排放、噪音低、振动低等优点，航行全程不消耗油，碳、硫等废气污染物及PM2.5颗粒实现零排放，能满足CCS《内河绿色船舶规范》绿色船舶Ⅲ最高等级要求，可以将船舶对环境的影响降到最低。
2. 简化了船舶系统。由于取消了柴油机，因而取消了油、水、气的复杂系统，只剩下电气系统，既减少了出故障的机会，又有利于实现自动控制，还可以减少操作管理人员，降低运行成本和维护管理的强度，提高船舶运行的经济效益。
3. 提高了船舶的机动灵活性和可靠性，减少了安装维护保养的工作强度。因为没有柴油机，所以操作指令可以直达电机，而不经过中间环节，因此反应速度加快，操作性能好。由于系统简化、以及电机的成熟性，因此简化了安装、减轻了维护强度，同时也提高了系统的可靠性。
4.合理利用能源，我国电能资源充足，特别是夜间电能资源过剩，水电、风电都有弃电现象，全电池动力船所需电能大，且大部分船舶在夜间不航行，可以利用夜间对电池进行充电，充分利用电能。
2.锂离子动力电池的类型
首个锂离子电池出现在20世界70年代，随着各国的深入研究，至90年代，日本成功研制出首个商用锂离子电池。目前已经发展到第三代锂离子动力电池。锂离子动力电池有着很高的能量密度和功率密度，目前在（100～120）wh/kg，未来有可能达到（160～300）wh/kg，最高可达320w/kg[1]。锂离子动力电池可以维持较长时间的放电或者充电状态，有着良好的稳定性能，自放电率低，循环寿命较长，温度适应能力强[2-3]。随着国家大力扶持锂离子动力电池的研究和发展，锂离子动力电池作为动力源，已经越来越多的使用在汽车行业。但在船用大容量锂电池研究方面，虽有应用，但技术积累尚显不足。
锂离子动力电池目前使用的正极材料主要有磷酸铁锂、氧化锰锂等，未来可参杂稀土材料，进一步提高正极比能。根据船舶使用环境及对环境保护性的要求，由于船舶容量很大，比较适合船舶使用的主要为磷酸铁锂电池、三元锂电池和钛酸锂动力电池三种，其具体性能对比如下[4]：
随着CCS船级社《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》（2014）和CCS《钢质内河船舶建造规范》（2016）的相继发布，磷酸铁锂离电池作为目前CCS唯一认可的类型已能完全满足船上使用的要求。
3.锂离子动力电池作为动力源的优点
低排放
锂离子动力电池中不存在铅和镉等有害物质，因此被称为“绿色电池”，获得国家重点扶持。锂离子动力电池也没有燃油和废气的排放，因此适用用于沿岸航行、频繁进出口等对气体排放要求很高的船舶以及行驶于环保要求较高如三峡库区等流域的船舶，减少船舶对生态的影響。
低噪音
锂离子动力电池本身没有运动部件，这样电池甚至可置于乘客或者船员舱室附近。这个特性对于噪音要求严格的船舶如客船和勘探船相当重要。
操作和维修成本低
燃油费用所占船舶运行成本的比例非常大，虽然锂离子动力电池一次性投入成本相对较高，但是其用于船舶推进系统，将会大大降低燃油费用，从而极大的降低船舶运营成本。
锂离子动力电池不需要滑油，操作方便，可无人控制，工作维护费用比柴油机少得多。
布置灵活
锂离子动力电池以模块形式制造，为适应载荷要求和适应电池舱的布置，可改变电池组的大小。
4.锂离子动力电池船舶设计实例
目标船为纯锂离子动力电池推进内河工作船。船长19.8m，航行速度约为18.0km/h，要求满速航行时间不小于4h。
4.1电池组容量配置 根据计算，该船选用2台45KW的推进电机，可达到18.0km/h的最高航行速度。
在电池的实际选型过程中，遵循以下公式：
目标船选取蓄电池总容量为502.4Wh，分為两组，单组蓄电池容量为DC425.0V，251.2 KWh。正常航行时，2组蓄电池同时供电。
每组锂电池均配备有电池管理系统（BMS）管理系统[5]。BMS具备自动均衡功能，可监测单体电池的电压、温度等，具有过放、过压、低压、过流等报警保护功能。电池故障包括保护故障、温度检测故障、蓄电池箱、柜通风故障、充电故障、过流、过充、过放、单体温度、环境温度、单体电池高压和电池单元间的电压不平衡，均应当发出视觉和听觉报警信号。BMS应有信号输出接口，将报警信号传送到驾控台。
4.2 电池推进系统组成
在纯电池动力船舶上，当使用锂离子动力电池作为电力推进电源时，采用直流组网电力推进技术。直流组网技术属于新一代船舶电力推进技术，省去了推进变压器，将部分配电板的交流开关与变频器有效集成，降低了设备数量、占地面积、重量，提高了系统集成度。且直流组网技术与电池等储能设备具有更好的技术兼容性，由于电池同样为直流输出，直流网与电池的接口仅为简单的DC/DC斩波器，可以简单的集成在直流母线变频控制配电系统内。
直流组网电力系统由DC/DC斩波模块、直流配电板、功率管理系统、逆变器电源系统、推进电机系统、交流配电板等几部分组成。
电池管理系统（BMS），具备自动均衡功能，可监测单体电池的电压、温度等，具有过放、过压、低压、过流等报警保护功能。
功率管理系统能管理全船负荷分配，当在锂离子动力电池系统故障或者电池电压低时，可自动限功率运行，也可实现日用负荷的分级卸载。
逆变电源具有直流母线欠压，输入短路、过载、过流、三相不平衡等保护功能，保证其自身安全可靠。
推进电机系统具有功率限制功能，可根据电网上实时可用最大功率，快速限制推进电机的功率大小，保证电网稳定运行。推进电机系统还具有短路、过流、直流母线欠压、电机过热等保护功能。
4.3 电池推进系统框图
磷酸铁锂离子动力电池组，除了给电力推进系统供电外，还向全船日用负荷供电。本船的推进电机选用2台三相AC380V 45 KW的变频电机，其他电气设备采用单相AC220V的设备，交流配电网采用单相AC220V，全船日用负荷约为8.5KW。
电池接入至直流配电板，由直流配电板分配电能，向2台3?AC380 45kW的交流变频电机供电。并将直流电转换成1?AC220V电源向全船日用负荷供电。两条推进支路完全独立，当一套推进支路发生故障时，余下一套推进支路仍可以正常运行。
4.4小型动力电池推进船舶设计需要注意的几个方面
（1）船舶续航力受限于电池容量，续航力与电池的配置容量成正比，纯电池动力船续航力越大，所需电池容量就越大，电池重量反过来又影响船舶自重，对航速产生负面影响。同时动力电池价格高，因此要达到任务需要的续航力同时合理控制船舶造价，就需要选择合适的航速，以便配置合适的电池容量。
（2）小型船舶尺度小、吃水浅，电池舱的高度和宽度都受到线型的限制，电池尽量采用货架式摆放，电池的布置一定要预留足够的通道，以便于清洁、检查、更换。
（3）电池动力船的电池集中布置在电池舱[5]，从电池使用寿命和效率考虑，建议磷酸铁锂电池长期工作温度为：充电0℃ ～ 45℃，放电-20℃～ 55℃。舱内采用机械通风或者空调调节舱内温度，以避免蓄电池周围环境温度过高，通风口有防止水和火焰进入的措施。
当推进电机舱或者电池舱发生火灾时，可以在主配电板、推进电机舱和电池舱出入口以及驾控台对这两处的风机集中进行遥控切断。
（4）电池舱配置七氟丙烷灭火系统[6]。电池舱设温感器，感测到火情后，发出声光报警，同时发出联动指令，关闭连锁设备，约30秒后发出灭火指令，释放七氟丙烷。
（5）船上的电池系统应配备独立的紧急关断功能。在蓄电池间失火、漏水的情况下，应能在驾驶室发出声光报警并紧急切断电池组的充放电装置，以便隔离蓄电池。
（6）电池动力船目前还是在推广阶段，岸上没有足够数量的充电桩给船舶停靠充电。因此建议现阶段将充电装置设置在船上，仅需将三相交流岸电引入到船上给电池充电。
5.结语
锂离子动力电池船初投资较大，随着电池产业迅速发展，电池的成本在逐年下降，未来还将会出现能量密度更大的电池，我们估计8年后锂离子动力电池的综合成本将会比目前降低40%以上，以后更换电池组的成本将大幅降低；同时，随着电池动力船舶技术的推广，国家可能会出台电池动力船舶的补贴政策，未来柴油机动力船和电池动力船的运营成本差距将会越来越大。
锂离子动力电池船舶的推广应用既能满足日益提高的环保要求，减轻生态压力，也能促进我国船舶直流推进技术的发展和完善。
参考文献：
[1]彭澎，司凤荣，叶烽.小型化船舶动力电池技术展望[J].船电技术2013，（9）：45-47.
[2]Lu L.，Han X.，Li J.，et al…A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles[J].Journal of Power Source，20131226（3）：272-288.
[3]Karimi G.，Li X..Thermal management of lithium-ion batteries for electric vehicles[J].International Journal of Energy Research，2013，37（1）：13-24.
[4]丁晨雷，康伟.小型船舶绿色动力电池推进系统研究设计[J].上海造船，2011，（2）：38-41.
[5]Ma Y.，Chen Q.，Qi Z..Research on the SOC definition and measurement method of batteries used in EVs[J].Journal-Tsinghua University，2001，41（II）：95-97.
[6]太阳能光伏系统及磷酸铁锂离电池系统检验指南2014，中国船级社.
作者简介：
李雁（1981-），女，湖北，研究生，工程师，湖北省武汉市招商集团武汉长江船舶设计院有限公司。
汤文军（1976-），男，湖北，高级工程师，湖北省武汉市招商集团武汉长江船舶设计院有限公司。
苏丽（1971-），女，湖北，高级工程师，湖北省武汉市招商集团武汉长江船舶设计院有限公司。
关键词：小型化船舶；锂离子动力电池；直流电力推进系统
Abstract：This paper analyses and compares of the characteristics of different types of lithium-ion power source，then introduces advantages of lithium-ion battery as power source on diminutive ship. The design of lithium-ion battery propulsion system on ship is detailed introduced also.
Key words： diminutive ship；lithium-ion power battery；direct current electric propulsion system
船运行业作为全球经济运行的主要载体，为世界经济贸易做出了巨大贡献。目前，船舶航行主要依靠船用柴油机提供动力，这加剧了资源枯竭以及生态环境的恶化。绿色船舶已经成为未来船舶发展的方向。近年来锂离子动力电池技术发展迅速、产量扩大、价格降低，以及随着电动汽车的量产，锂离子动力电池作为船舶动力源也正在成为一种发展趋势。
1. 锂离子电池动力船舶特点分析
将锂离子动力电池作为动力源的船舶在船体结构设计、船舶布置、推进系统、电池动力系统、配电系统、消防系统等方面都需要根据目标船的任务需求来进行协调考虑，与传统柴油机船舶有较大区别，船舶设计的重点和难点在于电池动力系统的合理选择，既要满足船舶任务对航速和续航力的需求，又要尽量控制电池配置数量，以减少船舶自重。
与传统柴油机船舶相比，锂离子电池动力船有以下优点：
1. 良好的环保效果。，锂离子电池动力船具有零污染、零排放、噪音低、振动低等优点，航行全程不消耗油，碳、硫等废气污染物及PM2.5颗粒实现零排放，能满足CCS《内河绿色船舶规范》绿色船舶Ⅲ最高等级要求，可以将船舶对环境的影响降到最低。
2. 简化了船舶系统。由于取消了柴油机，因而取消了油、水、气的复杂系统，只剩下电气系统，既减少了出故障的机会，又有利于实现自动控制，还可以减少操作管理人员，降低运行成本和维护管理的强度，提高船舶运行的经济效益。
3. 提高了船舶的机动灵活性和可靠性，减少了安装维护保养的工作强度。因为没有柴油机，所以操作指令可以直达电机，而不经过中间环节，因此反应速度加快，操作性能好。由于系统简化、以及电机的成熟性，因此简化了安装、减轻了维护强度，同时也提高了系统的可靠性。
4.合理利用能源，我国电能资源充足，特别是夜间电能资源过剩，水电、风电都有弃电现象，全电池动力船所需电能大，且大部分船舶在夜间不航行，可以利用夜间对电池进行充电，充分利用电能。
2.锂离子动力电池的类型
首个锂离子电池出现在20世界70年代，随着各国的深入研究，至90年代，日本成功研制出首个商用锂离子电池。目前已经发展到第三代锂离子动力电池。锂离子动力电池有着很高的能量密度和功率密度，目前在（100～120）wh/kg，未来有可能达到（160～300）wh/kg，最高可达320w/kg[1]。锂离子动力电池可以维持较长时间的放电或者充电状态，有着良好的稳定性能，自放电率低，循环寿命较长，温度适应能力强[2-3]。随着国家大力扶持锂离子动力电池的研究和发展，锂离子动力电池作为动力源，已经越来越多的使用在汽车行业。但在船用大容量锂电池研究方面，虽有应用，但技术积累尚显不足。
锂离子动力电池目前使用的正极材料主要有磷酸铁锂、氧化锰锂等，未来可参杂稀土材料，进一步提高正极比能。根据船舶使用环境及对环境保护性的要求，由于船舶容量很大，比较适合船舶使用的主要为磷酸铁锂电池、三元锂电池和钛酸锂动力电池三种，其具体性能对比如下[4]：
随着CCS船级社《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》（2014）和CCS《钢质内河船舶建造规范》（2016）的相继发布，磷酸铁锂离电池作为目前CCS唯一认可的类型已能完全满足船上使用的要求。
3.锂离子动力电池作为动力源的优点
低排放
锂离子动力电池中不存在铅和镉等有害物质，因此被称为“绿色电池”，获得国家重点扶持。锂离子动力电池也没有燃油和废气的排放，因此适用用于沿岸航行、频繁进出口等对气体排放要求很高的船舶以及行驶于环保要求较高如三峡库区等流域的船舶，减少船舶对生态的影響。
低噪音
锂离子动力电池本身没有运动部件，这样电池甚至可置于乘客或者船员舱室附近。这个特性对于噪音要求严格的船舶如客船和勘探船相当重要。
操作和维修成本低
燃油费用所占船舶运行成本的比例非常大，虽然锂离子动力电池一次性投入成本相对较高，但是其用于船舶推进系统，将会大大降低燃油费用，从而极大的降低船舶运营成本。
锂离子动力电池不需要滑油，操作方便，可无人控制，工作维护费用比柴油机少得多。
布置灵活
锂离子动力电池以模块形式制造，为适应载荷要求和适应电池舱的布置，可改变电池组的大小。
4.锂离子动力电池船舶设计实例
目标船为纯锂离子动力电池推进内河工作船。船长19.8m，航行速度约为18.0km/h，要求满速航行时间不小于4h。
4.1电池组容量配置 根据计算，该船选用2台45KW的推进电机，可达到18.0km/h的最高航行速度。
在电池的实际选型过程中，遵循以下公式：
目标船选取蓄电池总容量为502.4Wh，分為两组，单组蓄电池容量为DC425.0V，251.2 KWh。正常航行时，2组蓄电池同时供电。
每组锂电池均配备有电池管理系统（BMS）管理系统[5]。BMS具备自动均衡功能，可监测单体电池的电压、温度等，具有过放、过压、低压、过流等报警保护功能。电池故障包括保护故障、温度检测故障、蓄电池箱、柜通风故障、充电故障、过流、过充、过放、单体温度、环境温度、单体电池高压和电池单元间的电压不平衡，均应当发出视觉和听觉报警信号。BMS应有信号输出接口，将报警信号传送到驾控台。
4.2 电池推进系统组成
在纯电池动力船舶上，当使用锂离子动力电池作为电力推进电源时，采用直流组网电力推进技术。直流组网技术属于新一代船舶电力推进技术，省去了推进变压器，将部分配电板的交流开关与变频器有效集成，降低了设备数量、占地面积、重量，提高了系统集成度。且直流组网技术与电池等储能设备具有更好的技术兼容性，由于电池同样为直流输出，直流网与电池的接口仅为简单的DC/DC斩波器，可以简单的集成在直流母线变频控制配电系统内。
直流组网电力系统由DC/DC斩波模块、直流配电板、功率管理系统、逆变器电源系统、推进电机系统、交流配电板等几部分组成。
电池管理系统（BMS），具备自动均衡功能，可监测单体电池的电压、温度等，具有过放、过压、低压、过流等报警保护功能。
功率管理系统能管理全船负荷分配，当在锂离子动力电池系统故障或者电池电压低时，可自动限功率运行，也可实现日用负荷的分级卸载。
逆变电源具有直流母线欠压，输入短路、过载、过流、三相不平衡等保护功能，保证其自身安全可靠。
推进电机系统具有功率限制功能，可根据电网上实时可用最大功率，快速限制推进电机的功率大小，保证电网稳定运行。推进电机系统还具有短路、过流、直流母线欠压、电机过热等保护功能。
4.3 电池推进系统框图
磷酸铁锂离子动力电池组，除了给电力推进系统供电外，还向全船日用负荷供电。本船的推进电机选用2台三相AC380V 45 KW的变频电机，其他电气设备采用单相AC220V的设备，交流配电网采用单相AC220V，全船日用负荷约为8.5KW。
电池接入至直流配电板，由直流配电板分配电能，向2台3?AC380 45kW的交流变频电机供电。并将直流电转换成1?AC220V电源向全船日用负荷供电。两条推进支路完全独立，当一套推进支路发生故障时，余下一套推进支路仍可以正常运行。
4.4小型动力电池推进船舶设计需要注意的几个方面
（1）船舶续航力受限于电池容量，续航力与电池的配置容量成正比，纯电池动力船续航力越大，所需电池容量就越大，电池重量反过来又影响船舶自重，对航速产生负面影响。同时动力电池价格高，因此要达到任务需要的续航力同时合理控制船舶造价，就需要选择合适的航速，以便配置合适的电池容量。
（2）小型船舶尺度小、吃水浅，电池舱的高度和宽度都受到线型的限制，电池尽量采用货架式摆放，电池的布置一定要预留足够的通道，以便于清洁、检查、更换。
（3）电池动力船的电池集中布置在电池舱[5]，从电池使用寿命和效率考虑，建议磷酸铁锂电池长期工作温度为：充电0℃ ～ 45℃，放电-20℃～ 55℃。舱内采用机械通风或者空调调节舱内温度，以避免蓄电池周围环境温度过高，通风口有防止水和火焰进入的措施。
当推进电机舱或者电池舱发生火灾时，可以在主配电板、推进电机舱和电池舱出入口以及驾控台对这两处的风机集中进行遥控切断。
（4）电池舱配置七氟丙烷灭火系统[6]。电池舱设温感器，感测到火情后，发出声光报警，同时发出联动指令，关闭连锁设备，约30秒后发出灭火指令，释放七氟丙烷。
（5）船上的电池系统应配备独立的紧急关断功能。在蓄电池间失火、漏水的情况下，应能在驾驶室发出声光报警并紧急切断电池组的充放电装置，以便隔离蓄电池。
（6）电池动力船目前还是在推广阶段，岸上没有足够数量的充电桩给船舶停靠充电。因此建议现阶段将充电装置设置在船上，仅需将三相交流岸电引入到船上给电池充电。
5.结语
锂离子动力电池船初投资较大，随着电池产业迅速发展，电池的成本在逐年下降，未来还将会出现能量密度更大的电池，我们估计8年后锂离子动力电池的综合成本将会比目前降低40%以上，以后更换电池组的成本将大幅降低；同时，随着电池动力船舶技术的推广，国家可能会出台电池动力船舶的补贴政策，未来柴油机动力船和电池动力船的运营成本差距将会越来越大。
锂离子动力电池船舶的推广应用既能满足日益提高的环保要求，减轻生态压力，也能促进我国船舶直流推进技术的发展和完善。
参考文献：
[1]彭澎，司凤荣，叶烽.小型化船舶动力电池技术展望[J].船电技术2013，（9）：45-47.
[2]Lu L.，Han X.，Li J.，et al…A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles[J].Journal of Power Source，20131226（3）：272-288.
[3]Karimi G.，Li X..Thermal management of lithium-ion batteries for electric vehicles[J].International Journal of Energy Research，2013，37（1）：13-24.
[4]丁晨雷，康伟.小型船舶绿色动力电池推进系统研究设计[J].上海造船，2011，（2）：38-41.
[5]Ma Y.，Chen Q.，Qi Z..Research on the SOC definition and measurement method of batteries used in EVs[J].Journal-Tsinghua University，2001，41（II）：95-97.
[6]太阳能光伏系统及磷酸铁锂离电池系统检验指南2014，中国船级社.
作者简介：
李雁（1981-），女，湖北，研究生，工程师，湖北省武汉市招商集团武汉长江船舶设计院有限公司。
汤文军（1976-），男，湖北，高级工程师，湖北省武汉市招商集团武汉长江船舶设计院有限公司。
苏丽（1971-），女，湖北，高级工程师，湖北省武汉市招商集团武汉长江船舶设计院有限公司。