基于大功率锂电池电动船的电站设计研究

陈立新 付银河 黄 鑫 严晓军

（1.杭州现代船舶设计研究有限公司 杭州310053；2.广州发展瑞华新能源有限公司 广州510000）

引 言

目前，运输船舶大多是柴油机推进。柴油在燃烧过程中，会产生大量的硫化物、氮氧化物和二氧化碳气体以及粉尘等污染物，船舶排放的废气及噪声已成为环境污染不可忽视的问题。2011年，国际海事组织海洋环境保护委员会通过了国际海运温室气体减排措施强制规定，确定了“新船设计能效指数EEDI”以及“船舶能效管理计划SEEMP”两项船舶能效标准［1］，对运输船舶的能效指标、排放控制及噪声污染等都提出了明确的要求。2018年1月1日，交通部《长江经济带船舶污染防治专项行动方案（2018-2020）》也正式颁布实施，因此，加快开展船舶的防污染及节能减排工作，推进船舶清洁能源的应用，已成为刻不容缓的一项重要工作。

采用大功率磷酸铁锂电池（下文简称“锂电池”）作为船舶动力，具有零排放、低噪声的优势，可彻底解决船舶的污染和噪声问题。本文基于大功率锂电池作为船舶动力，研发一种新型的船舶电站系统，这种新型电站系统适用于各类中小型纯电动（锂电池）内河运输船舶，如渡船、货船、短程客船、观光旅游船、游艇等内河区域或岛屿间船舶。该新型船舶电站系统集新能源、新产品、新技术于一体，可最大限度地提高船舶运行的安全性和可靠性。

1 电站组成及设备选配

1.1 电站组成

锂电池电动船的电站主要由两大部分组成（见图1）：一部分是动力源即锂电池组，包括岸电充电桩、岸电接驳箱、充电控制柜及锂电池管理器等；另一部分是配电系统，包括直流配电柜、逆变器及正弦波装置、交流配电柜等。两部分均由电站管理系统进行协调管理。

图1 锂电池电动船的电站组成

当船舶靠岸时，由岸电充电桩（人工或自动）对接船上充电接驳箱，并通过充电控制箱对锂电池进行充电并智能管理，充满电后岸电将自动断开，同时允许锂电池与直流母排合闸。

1.2 设备选配

1.2.1 锂电池组及电池管理系统BMS

锂电池动力船与燃油船的造价主要差距在于锂电池的配置数量。目前锂电池价格比较昂贵，约2~2.5元/W·h，对于一般中小运输船舶而言，仅锂电池一项估算需要几百万元的巨大投资，因此选择锂电池尤为重要。目前锂电池有多种形式，如三元锂电池、锰酸锂电池和磷酸铁锂电池等，其性能也各不相同，但到目前为止，中国船级社仅对磷酸铁锂电池进行了型式认证，且国内只有7家供应商生产的磷酸铁锂电池获得CCS证书，能够应用于船舶（如表1所示）。

表1 中国船级社形式认可的锂电池厂家

上述7家供应的磷酸铁锂电池，其单体容量、标准充放电倍率、最大持续放电及瞬间放电能力、能量密度和壳体材料等也有很大差异。如何选择并合理配置，使之既能确保适应推进负载的突变，又能使锂电池单体配置数量最少，而且电站安全冗余度最高，这值得我们深入研究。

1.2.2 岸电充电桩

锂电池动力的船舶都面临靠岸充电的问题。由于目前船舶规范中没有对于船舶岸电充电桩的技术要求，也没有相关的船用国家标准，因此只能参照汽车充电装置的国家标准（GB/T 20234-2011）［2］中直流充电安全保护系统的要求进行考量。国标要求充电桩应具备与电池管理系统BMS通信的功能，且能判断与BMS是否正确连接，并应能获得BMS系统充电参数和充电实时数据，还应具备与上级监控管理系统通信的功能。而对大功率锂电池的船舶来说，岸电充电桩不仅要满足上述要求，还要研究船岸的不同之处：如大功率锂电池的分组和充电电流，充电时间与船舶靠岸装卸货时间的协调，充电枪的插拔方式，船岸之间可移动的大电流充电电缆的递送、固定、充电过程中船舶的制动等，都是需要解决的问题。

1.2.3 交直流配电柜

大功率锂电池动力船舶通常采用交直流混合电力系统。直流配电柜的作用是对全船直流电进行供配电管理，主要负责对锂电池的充放电、推进设备的供电、低压24 V的供电以及交流380 V的逆变供电的配电及保护；交流配电柜的作用是对全船380 V及220 V的常规用电设备进行配电及保护。

1.2.4 逆变器及正弦波装置

与交流电力推进相比，直流电力推进设备体积大、质量重、结构复杂、效率较低，而且设备相对复杂，可靠性和可维护性等方面也不如交流电力推进。而且近年来，交流变频调速克服了交流系统调速性能差的缺点，在大部分领域已替代了直流电力推进［3］。所以，目前锂电池船舶的推进电机采用交流的较多，再加上船舶上使用的大多数设备都以交流为主，所以在锂电池动力船上必须配备电源逆变装置，以获得较理想的正弦波交流电。为船舶供电安全考虑，一般这种正弦波逆变装置需一用一备。

1.2.5 电站管理系统

与传统的柴油机推进不同，电力推进船舶的关键是船舶电站管理系统，主要包括电源即锂电池的充放电监测及安全管理、交直流配电系统的操作及协调保护等。

2 案 例

下文将以本项目组研发的内河2 000吨级纯电动自卸货船的电站为例，对大功率锂电池动力船舶在电站设计时，研究及解决的主要技术问题进行论述。

本船配备2 400 kW h锂电池作为全船动力和电力的能源，2台160 kW变频电机+直翼舵桨推进，电力及生活用电设备负荷33 kW，航距80 km，设计航速12.8 km/h，锂电池续航力约7.3 h，码头装卸货时间2 h，港内停泊待港（不接岸电）时间最多8 h。

本船经实船航行试验测试，其电力系统运行稳定、性能安全可靠，技术参数计算正确，设备选择合理，技术设计方案也得到验证。由于实船航行测试是在主航道进行，经常需要避让船只，推进电机功率不能持续保持额定功率，再加上气候适宜且在白天进行测试，有些用电设备如空调、照明等负载不足，因此试验结束时的剩余电量较电力负荷及锂电池容量计算值多。

2.1 锂电池容量计算及选配

一般船舶电站设计时首先需要进行电力负荷计算，通常计算结果是以功率表示，按此功率选择相应的发电机，只要船上配置足够的油和水，发电机便可持续提供用电功率。但是锂电池动力船舶不同，电量用完必须靠岸充电，因此我们在设计时必须引入一个全航程用电时间的概念，这是与柴油发电机电站的不同之处。根据本船用电总负荷较大，且多为交流380 V的特点，结合目前船用变频器和交流电网逆变器的成熟产品考虑，确定本船直流平台电压为600 V。考虑不同工况及各工况的同时使用系数，以及推进和电力逆变器效率（按95%计），本船所需电量计算公式如下：

式中：Q为电量，kW h；P为功率，kW；η为效率，%；N为推进电机数量，台；k1为电网损失，通常取0.05；H为航行时间，h；k2为锂电池放电系数。

根据锂电池厂家提供的锂电池放电特性曲线（见图2）［4］，可见锂电池的放电特性与铅酸电池不同。虽然其放电终止电压为2.5 V，但是从放电特性曲线来看，放电过程中电压几乎保持不变，直到电池电量接近放完时电压才会产生突降。因此在计算锂电池容量时，理论上只要放电倍率在电池许可范围内，其放电系数可以取1。为保险起见，计算时按剩余电量预留5%考虑。计算结果：本船所需电量∑Q总=2 232 kW h。

图2 500 Ah锂电池1C、2C倍率放电曲线图

因为船舶规范要求对每一块单体锂电池要进行监控管理，如对电压、温度等各种参数的监控，因此单体锂电池的选择非常重要，在兼顾其外形尺寸、质量、充放电倍率的同时，要尽量选择单体容量较大的，这样可以减少传感器和相应的BMS数量配置，也可减少整个电站监测点的数量，从而使船舶通信网络的数据传输量大幅下降。既降低了成本，也提高了系统的可靠性。

在对现已取得CCS船级社证书的各种单体锂电池的特性及参数进行比较后，我们选取188块3.2 V、500 AH的单体锂电池组成一组锂电池（600 V，500 AH）300 kW h，共8组，总供电量为2 400 kW h，能满足本船续航力的要求。

2.2 供配电系统的冗余及保护

2.2.1 并联供电模式

电站的供电系统可以采用8组锂电池同时供电，也可采用“一组放完电另一组接续放电”的模式，这主要基于以下三个原则：

（1）从船舶安全性考虑。在运行过程中即使有一组锂电池故障也不影响船舶的正常航行，只是船舶总供电量由于切除故障锂电池而有所下降，这样电站的冗余度便得到保证。

（2）岸电给各组锂电池充电的时间尽可能均匀一致，有利于岸电充电系统的安全管理。

（3）尽量提高锂电池的使用寿命，并联供电可使每组电池同时均匀一致的小电流充放电。因此我们采用8组同时并联供电模式。这种并联供电模式对单体电池的一致性（电压、电流、温度、内阻、剩余电量等）及组电压的一致性要求很高，因此在实船时通过BMS应能随时自动监测和均衡单体电池及组电池在任何时候的各项性能指标，保证锂电池组并联运行的稳定性。

2.2.2 分段母排

电力推进船舶的电站可以采用公共电站的形式［5］，即全船的动力推进及电力设备用电均取自同一组或几组并联的锂电池；也可以选择将船舶动力及电力分开，动力锂电池组主要为整船的推进提供动力的能源，电力锂电池组主要为全船的生活工作等用电设备提供能源。

考虑船舶推进负载的不稳定性，甚至会有较大波动，为确保船舶电站系统的安全并保证交流380 V电源质量，我们首先将直流母排分为动力母排和电力母排，动力母排又分成两段，锂电池也分开连接，如图3所示。

图3 2 000吨级锂电池电动船供电系统

直流母排设隔离开关K1及K2，将母排分成A、B、C三段。其中A、B是动力汇流排，由常闭开关K1连接；C是电力汇流排，由常开开关K2分断。这种供配电的方式主要是基于以下两点考虑：

（1）推进供电具有充分的冗余度。K1闭合，6组锂电池任意一组出现故障切除都不影响船舶航行安全。而当A或B段汇流排上的电器出现故障又一时无法排除时，可通过切断隔离开关K1来保证无故障的汇流排正常供电，保证供电的连续性。

（2）由于K2平时是断开的，电力汇流排与动力汇流排物理隔离不仅可以充分保证电力汇流排的电压瞬态波动不受推进负载变化的影响，而且大功率变频器产生的谐波分量及电磁干扰，也不会影响交流380 V电源质量。K2的作用是在极端情况即船舶失去全部推进动力源时，可由电力锂电池短时供电给推进负载，使船舶可以安全靠泊，即提供了一种船舶应急返航的方法及能力。需注意的是，K2只有在确认动力汇流排电池全部切除后才可闭合，否则不同电压的锂电池组并联将会产生较大环流，引起短路或锂电池发热的故障。

本船根据电力负荷计算，得出推进负载所需总容量为1 640 kW h，电力负载所需总容量为592 kW h。选择6组锂电池并联为推进负载供电（可供1 800 kW h），2组锂电池并联为电力设备供电（可供600 kW h），可满足船舶正常航行需求。

2.2.3 充电与充电联锁

锂电池的充电时间和充电电流是锂电池动力船舶的一项非常重要的技术指标，主要取决于锂电池自身的充放电能力、岸电的配套以及船舶装卸货时间的考虑。从锂电池的角度来说，应尽量用较小的电流充电，为不影响其使用寿命，通常建议以不大于1 C的电流充电。如果按照1 C充电，其充足电的时间为1 h，这对于船舶短时靠岸充电的情况来说较为理想。从船舶的实际需求考虑，不同的船型要求是不同的，对于货船来说，船舶靠岸作业（装卸货）时间与充电时间最好吻合。由于本船是按照2 h卸货完毕进行设计的，因此最后确定充电时间不超过2 h，充电电流为0.5 C 250 A，可以保证锂电池的安全充电和使用。

船舶在充电时，岸上的充电桩（充电枪）通过移动电缆与船上的充电接驳箱进行接插连接，为保证充电过程的安全，除充电枪及座自带的通信协议（通常对充电电压、温度和电流等进行控制）外，还必须严禁船舶移动。因此在系统设计时我们把充电信号与推进驱动进行联锁，使船舶在充电时，推进系统无法获得电源，也可采取锂电池充电时禁止放电的方式（此时船舶装卸货作业用电或日常用电依靠380 V交流岸电箱供电）。

码头充电桩的建设是锂电池动力船不可缺少的重要组成部分。通常较大港口作业码头都配套有一定容量的交流高压电，具备建设岸电充电桩能力，也可采取增设变压器的方式进行增容，当然这种方式的成本会较高。据了解目前岸电充电桩的建设费用在1 000~1 600元/kW。根据本项目实际营运情况，与本船配套的充电码头无需专用，仅加装岸电充电桩设施建设即可，充电桩可以共用，这样有利于后续电动船的推广应用，而且并不影响其他非电动船靠泊装卸货。结合本船选用的锂电池充放电特性及能力、电力系统技术论证及设计并考虑实船装卸货作业时间的衔接，最终确定岸电充电桩由8路150 kW（600 V，250 A）充电枪及1路交流380 V 160 A岸电组成。

2.2.4 短路保护

在电力系统设计基本完成后，需要计算电网中各点的短路电流，用于校核所选电气设备的热稳定性和电动力稳定性，校核所选用的保护电气的短路接通能力和短路分段能力以及为电力系统保护提供必要的数据。我们设计的大功率锂电池动力船舶电站系统是交直流混合电力系统，要分别考虑直流侧出现瞬时短路故障时交流系统对直流侧的影响，以及交流侧出现瞬时短路故障时，直流系统对交流侧的影响。

当直流侧出现瞬时短路故障时，其形成的短路电流一般比交流系统大得多，若使用空气开关进行保护，则必须成倍加大空开的额定电流及瞬态动作值，也可采用快速熔断器进行保护，即每组锂电池都要经过快速熔断器与直流母排相连。

计算表明，当交流侧出现瞬时短路故障时，可忽略直流侧提供的短路电流，仅按照中国船级社规范要求进行短路计算即可，其协调保护的原则也不变。不过，关于短路电流及协调保护的详细计算及分析过程将另行阐述，此处略。

2.3 锂电池及锂电池舱的电气安全性

随着新能源的逐渐普及，新能源船舶的安全问题越来越被重视。本船电站具有电池容量大、放电电流大以及电压等级高等特点，其安全性尤其重要，主要包括以下几个方面：

（1）单体电池及组电池的BMS管理系统及功能；

（2）故障电池的自动判断及切除；

（3）锂电池的分舱及电池舱温控、通风及消防安全。

BMS管理系统是锂电池作为电源必不可少的监控设备，一般根据需要确定选择一个BMS管理几个或几十个单体锂电池，主要对单体电池的电压、温度和电量等进行实时监控，对单体电压高的会先自动进行均衡并报警，过高将会自动停机，过流时将会报警并降功率使用，直至停机。按照规范要求［6］，本船锂电池及锂电池舱的监控报警见表2。

表2 锂电池及BMS的监测报警

续表2

当任意一组锂电池出现故障无法自动排除时，电站管理中心具有紧急关断功能，以便隔离故障锂电池。

大功率锂电池在船上的安置，应充分考虑其安全性。我们把动力和电力锂电池均匀地分成两套，即三组动力一组电力为一套，分成两个独立舱室安装，该舱室与其他相邻舱室之间采用“A-60级”防火分隔。在舱室内，锂电池还需安置在专用的箱柜内，箱柜内设有温度传感系统，电池舱设机械通风系统、感烟感温火灾自动探测系统以及七氟丙烷气体灭火系统。

2.4 计算机管理中心

电站管理是本船计算机管理中心的一部分，管理中心具有自动检测报警系统和能量控制策略。其主控制器是由DSP数字控制器为核心构成的，在系统内完成整船过程控制和算法，是构成整船控制网络系统的核心。

其内置的GPS卫星信息系统的硬件组合构成了船舶的位置。在系统中，将所有的船载动态过程控制参数与位置信号建立对应的关系，用以构成实时要件。GPRS系统具有内置独立的SIM卡，与设备构成相对应的无线传输通道，并被传入网络服务器，进入数据中心的控制数据管理。

船舶在航行时，驾驶员不仅可以进行正常的安全航行操作，也在驾驶室的屏幕上同步显示整船管理中心对所有监控设备的数据和整船在航行和作业时各个环节的数据及状态，也可以在网络系统的终端设备出现，甚至在整个Internet网络中，一些重要的信息参数也可通过手机App实现远传监视。

3 结 语

本项目组从锂电池动力船舶的特性出发，设计研发出一种安全经济可靠的电站系统，以最少的电池配置、最高的安全冗余为目标，不仅提高了船舶的安全性，而且使船舶具有应急返航能力。锂电池因具有零排放和低噪声的优势，其应用前景非常广阔。