船舶储能系统设计关键技术综述

王海江

（中国电建集团上海能源装备有限公司，上海 201100）

船舶是排放大户，近年来各国航运业积极行动，不断推动和拓展绿色船舶技术的应用，将电化学储能系统作为一种典型的电源引入船舶电力系统中，通过等效折减常规柴油发电机组装机容量（或输出功率）的技术途径，显著降低船舶能效设计指数（EEDI或EEDX）和船舶废气排放量，必将在船舶电力系统中大范围使用。

但是船舶电力系统作为一个特殊的微电网，工况复杂，环境复杂，电池的充放电策略更复杂，在船舶储能系统的产品研发和使用过程中，需要不断突破关键技术设计理念，完善系统集成技术，为船舶储能技术在船舶上的广泛应用提供技术基础。

1 新型船舶电力系统组成

船舶电力系统是一个独立的电力系统，配电装置主要包括主配电板、应急配电板、电池充放电板、分配电板、岸电箱和交流配电板等，系统特点是输电距离短、线路阻抗低、各处短路电流大和工作环境恶劣。

常规船舶的典型运行工况主要包括正常航行工况、进出港工况、装卸货工况、停泊工况和应急工况，船舶电力系统必须要为船舶在全工况下正常运行提供电力保障服务，并留有适当的裕量，确保长期连续可靠供电。

近年来，随着各种清洁能源电能在船舶上的应用，不断增加了船舶电力系统的复杂程度，对船舶电网的响应性和保护要求越来越高。绿色船舶电力系统的原理如图1所示。

图1 绿色船舶电力系统原理

2 船舶储能关键技术

随着锂电池制造工艺趋于成熟和原材料价格大幅下降，储能项目的投资成本和建设周期大大降低，同时国家也积极配套了相应的优惠政策措施，最终促成了大量陆地储能项目的落地实施，根据实际运行数据测算，这些项目收到了良好的经济效益和环保效益。

近年来储能技术开始向船舶领域延伸，但是鉴于船舶海上运行工况复杂，船舶微网电力供应不稳定、不连续，以及随船舶航线、气候条件变化等特点，对船舶储能系统电池的性能和系统控制策略提出了较高的要求，需要攻克相关关键技术才能促进船舶绿色健康发展。

储能在船舶上的应用主要分两方面：一是用于船舶动力推进，二是用于船舶常规配电，尤其是作为船舶动力用电池，对电池充放电特性和安全性有更高的要求，在电池选型和控制策略设计时需特殊考虑。

鉴于储能技术在船舶应用上的特殊性，本文结合实际项目经验，汇总船舶储能系统设计时应考虑的关键技术，要求如下：

2.1 电芯选型及集成设计

电芯是储能系统的核心部件和基础部件，电芯的充放电特性和安全性直接决定了储能系统的整体性能，尤其是对于船舶储能项目，安全性是第一位的，选择经过船级社认证的电芯和电池管理单元是门槛，也是确保项目顺利执行的关键。根据项目不同需求进行系统集成设计，采用合适的电池管理策略，可以防止电池出现过充电和过放电，均衡单体电池间的能量，延长电池的使用寿命，在线监测各个电芯状态，一旦出现异常及时采取措施，防止事态扩大，确保储能系统稳定、可靠地运行。

2.2 电池舱热管理方案设计

锂离子电池的正极材料一般为锂合金金属氧化物，负极材料为石墨，电解质一般为非水类，锂电池最适宜的工作温度范围为15~30℃。根据锂电池电化学特性和产生机理，当电池工作在过高或过低温度时会导致热失控和热散逸，会对电池的使用寿命造成不可逆影响。在船用储能系统中，电池单元主要存放在两个地方，机舱密闭舱室和甲板集装箱内，都需要电池舱内配置合理的热管理方案，确保电池工作在最合理的温度范围，保证系统长期稳定可靠地运行。

2.3 功率变换器设计

船舶电力系统母线主要有两种类型，直流母线和交流母线，由于储能锂电池装置充放电均为直流电，所以针对船舶母线的不同类型，可以选择双向DC/DC或双向DC/AC变换器作为储能装置接入船舶电力系统的功率变换器，而且必须要在2个波动周期内完成储能电能接入船舶母线，尽可能避免谐波的产生，保证船舶负载的连续运行，其转换效率直接决定了储能系统的运营成本、电流质量、电池使用寿命和系统可靠性等。

双向DC/AC变换器常用的拓扑结构有三相半桥式、双向Z源和模块化多电平3种方式。三相半桥式结构简单、成本低、应用多且技术成熟，缺点是交流侧有大量谐波，实际使用时要加装滤波装置；双向Z源是从桥式双向变换器发展而来的，不同之处是在变换器与直流侧之间添加了一个Z源网络，缺点是体积大，启动冲击大；模块化多电平是由若干个SM模块和6个对称的电感组成，配置灵活，供电稳定性好、谐波少，但成本相对较高。在进行系统集成方案设计时会根据不同项目的各自特点选择不同的拓扑结构，但对于船舶储能系统，由于三相半桥式加滤波装置结构技术成熟、成本低等优点受到业界青睐。

双向DC/DC变换器拓扑结构种类繁多，主要分隔离型和非隔离型。隔离型的拓扑结构主要有：双向反激式、双向正激式、双向推挽式、双向半桥式和双向全桥式；非隔离型的拓扑结构主要有：双向Buck-Boost、双向Buck/Boost、双向Cuk和双向Sepic-Zeta。每种结构都有对应的应用范围，在做系统集成方案设计时，需从拓扑结构特点、实现难易程度、体积重量以及综合成本等方面综合评估，选择合适的方案。

2.4 电池舱消防安全系统设计

储能系统的安全防护可以从3个纬度进行分析，一是本体安全，主要指选用安全的锂电池；二是过程安全，主要指系统方案设计合理、BMS监控单元有效；三是消防安全，主要指火灾预警和灭火系统设计合理，能够早期预警并发挥灭火效果。对于船舶储能系统，消防安全系统设计时要配置如下功能并获得船级社的认可：

（1）感温/感烟探测

通过监测集装箱内烟雾浓度和顶部温度判断电池舱的火灾状态。

（2）CO/H2气体探测

通过监测集装箱内气体的浓度判断电池的安全状态。

（3）自动气体灭火

当消防主控制器收到感温/感烟探测器和C0/H2气体探测器的高浓度报警信号后，自动打开气体喷射阀进行灭火。

（4）视频监控

便于远程监控电池舱内部电池状态，一旦内部发现异常，可通过紧急启停开关停止系统供电，并启动灭火系统，防止事态扩大。

（5）强制排风

一旦电池舱内部出现险情，立即启动强制排风系统，将电池舱内部危险气体强制排出，防止有害气体聚集，确保人员进入电池舱后安全。

（6）压力泄放

当电池舱内部发生异常情况，导致内部压力迅速升高，压力增加到一定程度后，压力泄放阀自动打开，防止舱室内压力过高损害部件。

（7）防雷保护

对于安装在船舶甲板上的集装箱式储能单元，为了防止直击雷，应设置避雷针，确保裸露在户外的储能设备处于防雷保护范围内，同时要在储能变流器的交直流侧和中压母线进出线上装设避雷器，对于其他电气装置也要装设避雷器。

（8）接地

集装箱外部壳体需提供螺栓安装和焊接2种固定方式，螺栓固定点和焊接点与整个集装箱金属外壳可靠联通，内部所有电气柜底部位置需在集装箱底部槽钢或支架上焊装接地柱，每个柜子底部接地柱数量不少于2个；集装箱所有开门处内侧和门柱梁底端也需加装接地柱，门上接地柱跟门柱梁接地柱之间用铜编织带连接。

3 船舶储能控制策略

船舶储能系统的控制主要包括4个方面：电芯的充放电控制和状态监测、电池舱的热管理和消防安全控制、储能变流器控制和系统协调控制等，各层级采用的合理、高效的控制策略将直接决定储能单元的性能和船舶运营经济性。

（1）电芯的充放电控制和状态监测主要包括储能三级控制中的前两级，主要功能是管理电芯的充放电、均衡各电芯实时状态、监控电芯的电流电压和单体温度、监测各电池单元的短路和绝缘状态。

（2）电池舱热管理和消防安全控制主要功能是通过在线监测电池舱室内环境温度，实时调整变频空调的运行状态来确保室内环境温度在合适的范围内，当有险情发生时，消防安全系统自动启动，防止事态扩大，减少损失。

（3）船舶储能用变流器主要是单级式变流器，有3种基本控制模式：有功无功解耦控制、恒率恒压控制和下垂控制，由于船舶负载和船舶电能具有复杂性，船舶储能变流器的控制策略要兼容并举，根据工况需要在这3种模式间平滑切换，减少对船舶主电网的冲击。

（4）系统协调控制是指船舶储能单元跟船舶PMS系统之间的沟通协调策略，目的是为了有效连接储能单元和船舶主配电系统，实现充放电快速切换，减少谐波，实时显示系统运行状态，记录活动事迹及历史数据等。

4 结论

进行船舶储能系统集成设计时，需要针对不同的功能要求、不同的使用工况和不同的环境处所，采用不同的设计思路，抓住关键技术的设计要求，进行个性化设计，通过实船项目的实施，不断积累设计经验，提高船舶储能系统的性能和可靠性，为“碳达峰，碳中和”助力。