一型电动船总体设计和电池选型探讨

胡始弘 杜 睿

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

电动船是一种电力推进的船舶，其动力源是由蓄电池或船用发电机产生。作为一种新型绿色交通工具，与传统柴油机推进船相比，电动船具有节能、低排放、低污染、清洁、低噪声、可利用能源多样化等优点。随着环境污染问题受到广泛关注，为摆脱对燃油的依赖，采用电能作为驱动方式是一种实用可行的模式。

现有的电动船主要种类有三种：第一种为太阳能电动船，即采用太阳能电池直接将太阳光转换为电力取代燃油产生动力，但其存在太阳能转化效率低，以及太阳能板易被海水腐蚀等缺点；第二种为纯电池电动船，即采用蓄电池作为动力源，但基于目前技术，电池的能量密度和储能较之于传统燃油仍处于较低水平，且电池本身质量较大，对全船载重量会有一定影响，故纯电池电动船更适用于航程较短、定点航线之间的渡轮；第三种为混合动力电动船，即使用船用发电机加蓄电池组的形式，正常航行时由蓄电池提供动力，当电池处于电量不足或故障时，船用发电机可提供电能维持船舶的正常运行。

与采用传统柴油推进形式的船舶相比，混合动力电动船因蓄电池的存在，大大降低了对柴油的消耗，降低了对环境的污染。相比较前两型电动船，该类船也不会因为电池容量的限制，降低全船的续航力。因此混合动力电池船在当前市场环境下具有更好的适用性和可靠性。本文将基于某型库区混合动力电动巡视执法船，论述该类船的总体设计。

1 船型总体设计

1.1 主尺度及线型

影响船舶主尺度的因素有：功能要求、航速、经济性和适航性等。本例中的电动船主要承担巡查、执法等库区应急指挥任务的需求，因此在设计时应考虑较好的快速性和适航性。同时，由于本船需足够的舱室面积用以布置电池，且应具备较好的稳性，故对船型尺度作如下考虑。

1.1.1 排水量

本船排水量需满足续航力、承载结构以及人员和设备等的总质量。分析同类型船并进行综合考虑，确定其排水量为150～170 t。

1.1.2 船长L

本船船长需满足舱室内乘客舒适性的要求，并兼顾底部电池空间布置的要求。同时，针对船舶快速性，在选择船长时需考虑所选主尺度和航速能否避开阻力峰。因本船最大航速为12 kn，傅氏数Fn约为0.34。根据相关船型经验，该类型船舶主要船型为圆舭型。通过查阅该船型阻力曲线（见图1）［1］，可以发现在所选Fn区间内，船舶未达到阻力峰；同时，根据巴士裘宁经验公式，可估算得出本船水线长约31 m。

从耐波性的角度考虑，船长与波长之比L/λ应大于1.3。根据库区内水文资料统计，库区内波浪平均波长约为20～25 m，因此本船的水线长宜在28 m以上，以避免船舶在最大平均波长附近产生较大的纵向运动。

1.1.3 船宽B和型深D

因电池尺寸较大，且需预留出足够检修空间，因此本船船宽B的选择需满足电池的布置要求。同时考虑到全船稳性要求，对船宽的选择应适当加大。型深D的选择主要取决于主发电机安装布置的要求；同时，在满足稳性和浮力储备的情况下，型深越小，对降低船舶整体高度越有利。

1.1.4 吃水T

吃水T的选择主要从满足排水量、快速性、稳性、螺旋桨沉深、抗风力和吃水线与上甲板之间的高度等因素考虑。本船的设计吃水选取约为1.3 m，结构吃水取1.5 m。

通过上述对主尺度的分析，综合考量，确定本船主尺度如下：

图1 荷兰水池试验圆舭船型剩余阻力系数CR 和Fn的关系

本船主尺度和排水量较小，但相对速度较高，根据本船的Fn， 可将其归为高速排水量型船舶。根据荷兰水池发表的资料，该类型船舶为圆舭型时，阻力性能较好。但是由于圆舭型横摇阻尼较小，因此必须在舭部设置舭龙骨，以改善其横摇性能，但是相对应的其船舶阻力也会增加。为此，有时也采用圆舭折角线型，即前体为圆舭型，后体接近尾段部分为尖舭型，中间逐步过渡。尖舭部分起到舭龙骨作用，可取消舭龙骨来抵消尾端尖舭型所增加的阻力。通过使用CFD对这两种线型在设计吃水、巡航航速下进行阻力计算和比较见表1。

表1 圆舭与圆舭折角线型在设计航速时阻力对比

由表1可见，采用圆舭折角线型或圆舭线型，本船的阻力相近。考虑到圆舭折角线型具备更好的耐波性，同时结合全船布置等方面考虑，最终选择该线型作为本船线型。

1.2 主推进模式

考虑本船主要在库区内航行，为保证库区水质的安全，采用电力推进（蓄电池+柴油发电机）代替传统柴油机推进形式，减少排放对环境的污染。当柴油机运行在低负荷状态时，燃油得不到充分燃烧，其后果是产生大量的氮氧化物和固体颗粒物，会对大气环境造成较大的污染；而船舶使用蓄电池推进时，对周围环境产生零污染和零排放，可实现真正的绿色航行。当采用柴油发电机所发电力推进时，则可根据不同的推进负荷调整蓄电池充电负荷，使运行的柴油机处在较佳燃油消耗率状态下，使燃油燃烧充分，产生的氮氧化物和固体颗粒物较少，大大地降低了废气的排放，减小对水库环境的污染。

本船主机选用2台250 kW发电机，同时配备960 kW容量的锂电池，推进器采用2台160 kW全回转推进器。在该动力模式下，本船正常航行时采用蓄电池提供动力，巡航航速约为10 kn，续航力约为50 km，能满足库区正常巡逻要求；但是当电池处于电量不足或故障时，船用发电机可提供电能维持船舶的正常运行，能保证其继续完成任务并安全返回港口。

1.3 总体性能

本船的设计建造遵循中华人民共和国海事局《船舶与海上设施法定检验规则 内河船舶法定检验技术规则》［2］，中国船级社（CCS）《钢质内河船舶建造规范》（2016）及其变更通报［3］，以及《内河双电（磷酸铁锂电池、超级电容）纯电动电力推进游览船审图、检验指南》［4］等。

在设计吃水状况下，本船巡航航速约为10 kn，最大航速可达到12 kn，满足设计任务书需求。同时，其各种装载情况下稳性均满足规范中B级航区船舶的稳性要求，且满足一舱不沉（除机舱）的破损稳性要求。

本船为全焊接式钢质船，具有单层连续甲板、长艏楼、全景式驾驶室以及前倾首柱、方尾，采用柴油发电机和磷酸铁锂电池动力源，全回转舵桨推进装置作为其推进驱动和操纵装置。

1.4 总布置设计

本船主船体内设有7道水密舱壁，将其分隔成8个水密舱室，从首至尾分别为：艏尖舱、1号艏空舱、2号艏空舱、1号蓄电池间、2号蓄电池间、发电机室、电气设备间和推进器间。

本船共设置2层甲板，分别为主甲板和驾驶甲板。主甲板从前往后布置有：执法指挥室、执法人员休息室、卫生间和会议室等；驾驶甲板上布置有驾驶室、综合执法室等。全船舱室布置时，注重功能分区，同时综合考虑航行安全，通道宽敞和人员舒适性等要求。

本船总布置图如下页图2所示。

1.5 环保设计

图2 总布置图

本船主要航行区域为封闭水域，为保证不污染该水域的水质，本船的环保设计尤为重要。在船舶运行过程中，洗手、冲洗马桶等洗涤用水会产生一定量的生活污水，这些生活污水将通过管路卸至位于舱底甲板的污水舱；待船舶靠岸后，通过生活污水驳运泵将污水舱内的生活污水排岸处理，从而避免了船舶生活污水对水库造成污染。另外，在污水舱顶部设置透气管，透气管接至罗经甲板上，并在透气管出口端设置活性炭除臭装置，进而消除由生活污水产生的异味。

对于船舱舱底可能产生的油污、舱底水等，本船在船体舱底首部、中部、尾部各设置一个污水井，然后通过舱底水泵将舱底水收集至舱底水舱；待船舶靠岸后，通过舱底水泵将舱底水排岸处理，从而达到船舶油污水环保处理目的。

2 电池选型和安全

2.1 船用电池的选择

目前主流使用的船用电池种类有三元锂、磷酸铁锂和铅酸电池等，其主要性能参数详见表2。［5］

表2 锂电池性能参数对照表

由表2可见，三元锂电池虽然能量密度较大，但安全风险比磷酸铁锂电池高。目前国内船级社规范暂时没有颁发三元锂电池证书，一定程度上限制了三元锂电池在船舶上的应用。铅酸电池价格较低，但是能量密度太低，在同样能量密度下，比磷酸铁锂电池重3倍，体积约为其3～4倍。以本船为例，本船电池组容量约为960 kW h，使用磷酸铁锂电池时，其重约8 t，体积约为4.5 m3；然而使用铅酸电池时，其重达24 t，体积更是达到14 m3左右。由此可见，对于排水量与空间布置较为敏感的船舶来说，磷酸铁锂电池的优势远大于铅酸电池。此外，铅酸电池还存在使用寿命短、充放电次数低、废弃后会对环境造成污染等缺点，所以基本上不推荐作为船舶动力电池使用。磷酸铁锂电池经多年来的发展，技术已相当成熟，且已广泛应用于陆用交通、太阳能和风力发电储能、电动工具等领域，大规模的生产也使其价格回落至较合理区间。正因磷酸铁锂电池具有较低的成本、较稳定的电压和较高的安全性（热失控温度在800℃以上）等优点，所以本船选用该类型电池作为动力源之一。

本船磷酸铁锂电池系统配置容量约960 kW h，由3.2 V、22 Ah单体组成。因库区地理位置原因，对电池系统在寒冷天气下的充放电性能提出较高要求。不同温度下的磷酸铁锂电池放电能力见图3。

图3 磷酸铁锂电池不同温度下的放电能力

图4 电池架形式

该型电池能量密度在123 Wh/kg左右，其容量保持率在环境温度为0℃时约92.38%，-10℃时约86.67%，-20℃时约80%，-30℃时仍能达到60%以上，完全能够满足电池在-20℃环境下的正常使用。如果使用工况良好（放电电流低于1C倍率，或者保护板截止电压下降到2 V以下），则放电效率能够保持在90%以上。配合BMS管理系统，可实现-20℃低温环境下稳定充电。

本船电池组采用标准化模块化设计。由电池单体组成电池模组，再由模组拼装成电池组形式。其尺寸完全一致，具有极高互换性，并采用全极耳焊接工艺以及电池架式设计，后期维修较为便利。此外，每个电池架顶部均设有风冷装置对各模块进行并行冷却，以保证系统时刻处于恒定工作温度下。

2.2 电池安全性

区别于传统柴油机推进船上蓄电池间安全要求，当电池作为动力源时，电池舱及舱内电池的安全要求更加严格。目前主要通过满足以下几种方式来保证船用动力电池的安全和使用。

2.2.1 总体布置安全性设计要求

目前国内混合动力船舶的电池舱设计主要以CCS《内河双电（磷酸铁锂电池、超级电容）纯电动电力推进游览船审图、检验指南》［4］作为规范依据，其中要求当电池舱作为动力源时，需满足以下要求：

（1）环境不应存在过冷、过热、溅水、蒸汽等损害电池性能的情况；

（2）不安装其他与电池无关热源，并采用机械通风，避免电池间温度过高；

（3）电池舱和其他舱室的防火分隔应满足相应法规对机舱要求；

（4）电池舱内设置独立的温度探测装置，当温度高于设定值时，能在驾驶室发出声光报警信号；

（5）需设置火警报警探头，当舱内发生火警时能送出声光报警信号到驾驶室；

（6）需配备固定式七氟丙烷灭火系统，用于扑灭磷酸铁锂电池引起的火灾，并在电池舱外设遥控释放按钮。

2.2.2 电池管理系统

电池管理系统（battery management system，BMS）是保证锂电池安全的另一个重要组成部分，主要负责电池的监测保护和能量均衡功能。该系统由SOC估测、动态监测和电池均衡这三个模块组成。在电池充放电过程中，电池管理系统实时采集蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池组总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。当电池组偏离正常值时，该系统能就地并同时在驾驶室发出声光报警；而当电池出现故障时，该系统能够及时切断故障电池模组，保证其他电池正常工作。

2.2.3 电池硬件保护

电池舱内每一节电池都有保险丝保护，当电流过大时快速熔断，切断故障电池连接。此外，每个电池模块和系统均接有开关保护，当发生过流或短路时，便立即断开整个模块和系统的连接。

本船蓄电池间布置在全船中部，前后分别设置水密舱壁进行分隔，同时该舱室采用A级防火分隔，满足相应法规要求。舱室内布置机械通风，能及时将电池产生热量排出，保证电池舱温度始终处于合适范围，同时按规范配备七氟丙烷灭火系统。当电池舱内感烟、感温火警探头发出火警报警信号，驾驶室人员同时也可以通过船上闭路电视系统观察电池舱情况，人工启动释放按钮，达到电池灭火目的。

本船电池组配备电池管理和硬件保护系统，每套电池系统包含一套电池管理系统。电池管理系统采用分层级构架，其包含系统主控单元、管理各电池簇的二级主控单元，以及各个电池模块中的从机模块，各种配套熔断器、继电器等。系统主控模块主要对系统的主开关进行控制，监测系统总电流，评估各簇乃至各单体锂电池系统状态（电压、电流、SOC等），并管理各电池簇的投入和故障断开；二级主控单元主要接收各从机模块信息，监测各簇的电流，并接收系统主控模块对每簇开关的控制。保证电池在发生故障时，能及时切断电源并发出警报。

3 结 语

本文以电动船舶作为研究对象，讨论一型库区混合动力电动船的总体设计。主要介绍了该船型的船舶主尺度、总布置、总体性能和环保设计等方面，并总结了关于船用电池的选型、安全及能耗等方面的探讨，对电动船的总体设计有一定借鉴意义。