侯錦福，張樺育

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

0 引言

相比于傳統(tǒng)的推進系統(tǒng)，電力推進系統(tǒng)具有經(jīng)濟性良好、操縱靈活、安全性高、振動小和可靠性高等特點，還有利于船舶降低排放和控制環(huán)境污染。電力推進系統(tǒng)現(xiàn)廣泛應用于渡輪、挖泥船、拖輪和大型郵輪等。隨著電力推進系統(tǒng)在船舶行業(yè)應用的范圍不斷擴大，在世界各國都在追求可持續(xù)發(fā)展、倡導低碳經(jīng)濟的今天，其將成為未來綠色船舶的前進動力。

然而，電力推進船舶一直面臨著一個技術難題：頻繁的負載擾動對推進系統(tǒng)的影響。這些負載波動對船舶電網(wǎng)和電站有著巨大的沖擊，使得船舶穩(wěn)定性下降，電站中內(nèi)燃機燃油得不到充分燃燒，對環(huán)境效益和經(jīng)濟效益造成損害。在電力推進船舶中引入儲能單元是解決這一難題的可靠方法。在電力系統(tǒng)遇到擾動時，儲能單元可以在瞬時吸收或釋放能量，平復擾動給系統(tǒng)帶來的影響，改善系統(tǒng)性能[1]。

目前，使用最廣泛的儲能技術主要有蓄電池儲能、飛輪儲能、超導線圈儲能和超級電容儲能等[2]，在眾多儲能元件中，鋰電池應用于船舶電力推進系統(tǒng)中的前景被看好，原因是鋰電池壽命長、循環(huán)性能好、體積小、無污染，而且有很高的能量密度，可維持較長時間的放電或者充電狀態(tài)，有著良好的穩(wěn)態(tài)性能[3]。

鋰電池既可以在電力推進船舶中作為儲能單元與柴油發(fā)電機等其他電源組成綜合電力推進系統(tǒng)，又可以單獨形成純電池動力系統(tǒng)，中國船級社（CCS）于2019年12月發(fā)布了《純電池動力船舶檢驗指南》（簡稱：《指南》），該《指南》“適用于以蓄電池為推進電源的船舶的設計、建造和檢驗以及蓄電池及其電池管理系統(tǒng)（BMS）的試驗和檢驗”，“混合動力電動船亦可參照本指南適用部分”[4]。鋰電池亦屬于《指南》中所述“蓄電池”中的一種。

1 鋰電池參數(shù)分析

用作動力源的鋰電池，按電芯材料分類，主要有三元鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等幾種，參數(shù)詳見表1。

表1 各類鋰電池參數(shù)對比表

目前主流應用的是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。三元鋰電池能量密度最大，但是出于安全原因，在電池管理系統(tǒng)需要投入更多資金，一定程度上限制了三元鋰電池在國內(nèi)船舶的應用。磷酸鐵鋰電池技術已相當成熟，廣泛應用在陸用交通、太陽能和風力發(fā)電發(fā)電儲能、電動工具等領域，大規(guī)模的生產(chǎn)也使電池價格回落到較為合理的空間。結合國內(nèi)船舶實際和電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)況，磷酸鐵鋰電池在船舶領域發(fā)展較快[5]。

2 鋰電池在綜合電力推進船舶的應用實例

近期，由中船黃埔文沖船舶有限公司建造的綜合電力推進近海船舶“深海01”輪已通過試驗驗收并交付使用，提供了鋰電池在綜合電力推進船舶的成功應用實例。

2.1 推進模式

該型船選用“柴油發(fā)電機組＋動力電池組”的綜合電力推進模式，其中動力電池組采用磷酸鐵鋰電池。這種模式可以實現(xiàn)以下功能：

1）綜合電力推進系統(tǒng)能夠滿足動力定位設備所需的大功率電能需求，并實現(xiàn)全船的智能化和信息化。

2）在船舶穿越LNG泄漏海域時，關閉柴油發(fā)電機組，由動力電池組提供動力并為船上設備供電。這樣可以避免柴油發(fā)電機工作時消耗大量的氧氣，從而能夠關閉船舶所有對外通風口，有效阻止外界可燃氣體滲入船舶內(nèi)部。

3）根據(jù)需要，動力電池組通過逆變、變壓設備可與柴油發(fā)電機組在交流母排并網(wǎng)運行，當負荷波動時，電池會動態(tài)響應來阻止或減少其對在網(wǎng)機組的頻繁擾動，減少油耗和廢氣排放。

2.2 推進系統(tǒng)方案

該型船推進系統(tǒng)方案詳見圖1。

圖1 “深海01”輪電力推進系統(tǒng)單線圖

由圖1可以看出，本船設置3臺主發(fā)電機組、2組動力電池、2臺吊艙推進器和1臺艏側推，是典型的由柴油發(fā)電機組和動力電池組組成的綜合電力推進系統(tǒng)。根據(jù)不同工況的用電需求，3臺發(fā)電機組及2套動力電池組中的任意臺發(fā)電機及任意組動力電池，均可通過手動并車和自動并車方式進行并聯(lián)運行。

2.3 動力電池組的充電方式

圖1中的動力電池組、逆變器、隔離變壓器和能量存儲控制系統(tǒng)構成了能量存儲系統(tǒng)。可以通過2種方式對動力電池進行充電：

1）發(fā)電機組運行，經(jīng)由主配電板MSB1的交流母排、隔離變壓器、逆變器對動力電池系統(tǒng)充電。

2）連接岸電（不啟動發(fā)電機組），經(jīng)由主配電板MSB2、1號公用變壓器、主配電板MSB1、隔離變壓器、逆變器對動力電池系統(tǒng)進行充電。此方式類似于插電混動汽車利用充電樁進行充電。

充電狀態(tài)時，電池管理系統(tǒng)（BMS）系統(tǒng)通過通訊方式與能量管理系統(tǒng)（PMS）實時通訊，BMS通過通訊實時告知PMS充電電流和電壓等需求。由PMS控制逆變器對電芯系統(tǒng)進行充電。

2.4 動力電池組的工作方式及作用

2.4.1 工作方式

動力電池組的工作方式有獨立工作、與發(fā)電機并聯(lián)工作2種。

2.4.2 獨立工作時的作用動力電池組獨立工作時，主要起到以下作用：1）在LNG泄漏海域內(nèi)為全船動力及部分負載供電。

2）在駐泊等工況下為全船設備供電，減少環(huán)境污染及提高船員舒適度。

2.4.3 與發(fā)電機并聯(lián)工作時的作用

動力電池組與發(fā)電機并聯(lián)工作時，主要有以下作用：

1）與柴油發(fā)電機組并網(wǎng)運行，加快航速，提升響應能力。

2）在用電負荷波動大時，通過電池組的并網(wǎng)，使其動態(tài)響應來阻止或減少負荷對在網(wǎng)機組的頻繁擾動。

2.5 動力電池系統(tǒng)設計

廣義上的動力電池系統(tǒng)，應包括電池組及相關配套的變流、變壓、監(jiān)測、管理和保護裝置。以本船為例，主要配置了2套動力電池組、2個電池控制柜、2套電池管理系統(tǒng)（BMS）、2個隔離變壓器、2個電池逆變器、1套電池艙滅火系統(tǒng)（可分別對2個電池艙進行滅火）和2套可燃氣體探測系統(tǒng)。在單套動力電池組中，每套包含3個支路，而單個支路上包含16個電池箱和1個從高壓盒；支路與支路并聯(lián)，接入電池控制柜的主高壓盒。如下圖2所示。

圖2 電池子系統(tǒng)拓撲簡圖

2.5.1 電池系統(tǒng)緊急關斷功能設計

本船設計了2 套動力電池組，每套動力電池組的標稱能量達到840 kW·h。在電池控制柜內(nèi)設有直流框架斷路器，輸入端為來自動力電池組3個支路的直流電，輸出端為至電池逆變器的單個電池子系統(tǒng)的直流電。而在主配電板上配備了經(jīng)逆變、變壓后的電池電源，接入交流母排的交流框架斷路器。在駕控臺、集控臺以及電池控制柜/電池逆變器本體上都設計安裝了急停按鈕。當按下按鈕，能觸發(fā)電池控制柜/主配電板內(nèi)相關框架斷路器的脫扣機構，用于緊急斷開電池系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接。值得注意的是，此控制線路與其它控制、顯示和報警系統(tǒng)獨立。在急停的同時，通過電池控制柜至機艙監(jiān)測系統(tǒng)的通訊，可在駕駛室機艙監(jiān)測延伸報警板或值班室（一般是集控室）發(fā)出視覺和聽覺報警信號，如圖3 所示。滿足了《指南》3.2.3.3 中對電池系統(tǒng)需設置應急切斷的相關要求。

圖3 急停及報警設計

2.5.2 電池管理系統(tǒng)（BMS）設計

1）本船BMS功能主要集成在電池控制柜內(nèi)，由推進系統(tǒng)UPS提供AC220 V電源，經(jīng)BMS內(nèi)部電源模塊轉(zhuǎn)換為DC24 V用作BMS主供電電源，設計上滿足《指南》中“BMS應由其監(jiān)控蓄電池外的電源供電”的要求。

2）本船電池管理系統(tǒng)（BMS）從層級配備上，自上而下依次包含主電池管理單元（MBMU）、從電池管理單元（SBMU）、電池監(jiān)控單元（CSC）、電流傳感器等。如圖4所示的架構，電池監(jiān)控單元（CSC）集成在電池箱內(nèi)，從電池管理單元（SBMU）集成在從高壓盒，而主電池管理單元（MBMU）集成進電池控制柜內(nèi)的主高壓盒，通過“層級”配備相關控制、監(jiān)測模塊，實現(xiàn)對電池系統(tǒng)的管理。

圖4 BMS 架構圖

3）通過BMS功能性的設計，其可用于檢測電池柜內(nèi)電池電壓、溫度、電流，計算電池柜電池剩余電量，并與上一層BMS實時進行通訊以及傳輸電池運行狀態(tài)、報警信息給上一層管理系統(tǒng)，統(tǒng)籌整個所有電池進行自動均衡。此外，還能根據(jù)計算對剩余電量自動進行校準，實現(xiàn)智能化控制及管理。完全滿足《指南》中“電池控制單元應能夠接收蓄電池模塊/蓄電池包內(nèi)監(jiān)測電路含有的信息（如電壓、溫度等）”的要求。

2.5.3 消防設計

《指南》中要求動力電池艙內(nèi)的排風機與可燃氣體探測裝置設置聯(lián)鎖，當探測到氣體濃度大于其爆炸下限的20%時，可自動啟動風機排出氣體。通過解讀可分為以下3個要求：

1）單體電池會釋放什么氣體？只有分析并實測出具體的氣體才能選擇配備何種探測裝置。

2）可燃氣體探測需進行爆炸下限的標定，在達到標定值時能輸出信號給外部設備。

3）動力電池艙內(nèi)應配備應急排風機（由應急電網(wǎng)供電），同時其啟動單元能受外部信號聯(lián)動。

研究表明：電芯熱失控是導致可燃氣體蔓延的主要原因。本文中的動力電池供應商通過對單體電芯的熱失控試驗，測得各種成分氣體的釋放量見表2。

表2 302 Ah 電芯各氣體釋放統(tǒng)計表

由此可見，主要的可燃氣體是H2及CO，故每個動力電池艙相應的配備H2和CO氣體探測器。通過選擇具備兩路無源觸點報警輸出的探測器，并對探測器進行20%爆炸下限的標定。當探測到艙室內(nèi)可燃氣體濃度大于其爆炸下限（體積分數(shù)）的20%時，探測器輸出2路觸點信號，1路信號至應急排風機啟動器用于自動啟動風機，1路信號至全船監(jiān)測系統(tǒng)，以提醒船員注意，如下圖5所示。

圖5 電池艙可燃氣體探測系統(tǒng)

為滿足《指南》相關要求，在本船的2個動力電池艙中，均分別配備1個感溫探測器和1個感煙探測器，并串入本船的火災報警回路，接入了本船固定式自動探火和失火報警系統(tǒng)，當發(fā)生火災時能迅速探測到火情。

《指南》中對動力電池的安全級別分為2級。在電芯的熱失控試驗中，在釋放有毒可燃氣體的同時也釋放氧氣，認為其燃燒（爆炸）風險較高，安全等級為1；若只釋放有毒可燃氣體而不釋放氧氣，其燃燒（爆炸）風險較低，安全等級為2。

根據(jù)設備商的單體電芯熱失控試驗表明：本船所使用的電芯安全等級為2?！吨改稀防飳υ摪踩燃壍膭恿﹄姵?，要求其電池艙應設有下列固定式滅火系統(tǒng)之一進行保護：七氟丙烷滅火系統(tǒng)、二氧化碳滅火系統(tǒng)或壓力水霧滅火系統(tǒng)。本船選用七氟丙烷滅火系統(tǒng)。當按下七氟丙烷控制箱的電池艙（左/右）的啟動按鈕，聲光報警器報警，系統(tǒng)自動延時30 s（0～60 s可調(diào)）后，七氟丙烷瓶頭閥的執(zhí)行器被完全打開，則開始釋放氣體。

2.5.4 動力電池系統(tǒng)的布置

對于動力電池系統(tǒng)的布置，重點在于考慮動力電池柜的布置。結合本船實際情況并根據(jù)CCS《指南》要求，歸納一下主要有以下幾點：

1）對超過15 m長的船舶，若動力電池布設于船艙內(nèi)，則應至少分設兩個專用艙室。對單個專用艙室的動力電池總存儲能量限制在2 000 kW·h以內(nèi)。

2）艙內(nèi)的動力電池與艙壁/甲板間應留夠空間以便電池的通風散熱。當船長不小于20 m時，與艙壁的間距應不小于150 mm，與上方甲板的間距不小于500 mm。

3）動力電池布設時盡可能遠離舷側，避免碰撞的影響。動力電池至船體外板的水平間距不小于500 mm。

4）應設有供船員方便到達開敞甲板上蓄電池箱（柜）的通道。

為此，為滿足相關距離尺寸要求，本船動力電池組布置在主船體中左、右兩側的動力電池艙內(nèi)，同時考慮到了電池的散熱和防撞空間；動力電池艙布設有梯道，可以直通到達上層露天甲板。2個動力電池艙之間的艙室，則布置了電池控制柜、電池逆變器及隔離變壓器等。如圖6所示。

圖6 折疊門防火試驗

圖6 動力電池系統(tǒng)的設計布置

2.6 動力電池系統(tǒng)的安裝及布設經(jīng)驗總結

動力電池系統(tǒng)的安裝主要是對動力電池組的安裝。安裝前需確保相關設備支架、基座、電纜貫通件、管系等舾裝件均已安裝到位且不再大規(guī)模動火；確?？照{(diào)、通風系統(tǒng)具備開啟條件。對動力電池組的安裝主要包括電池箱的吊裝、轉(zhuǎn)運及固定于電池柜，以及對電池箱的等電位線連接、動力電池系統(tǒng)線纜連接等工作。

結合船廠施工過程及后期船東使用情況考慮，在前述設計過程中，除需要考慮電池的散熱、防撞及維修空間之外，電池柜的布置還應考慮電池箱的吊裝、安裝和后期更換、轉(zhuǎn)運的空間。本船單個電池箱重達130 kg，全船96個。如不提前考慮其吊裝及轉(zhuǎn)運方案，對船廠而言影響了安裝進度，且增加了安裝難度（狹小空間內(nèi)容易撞壞電池箱）；對船東而言，也會給后期更換電池箱帶來不便。因此，在設計環(huán)節(jié)需考慮相關吊裝空間的預留，并提前規(guī)劃好轉(zhuǎn)運路線和方案。另外，由于動力電池組的線束較多，如電池箱與電池箱之間包括高壓線束（即正、負極電源線），加熱線束和低壓線束（包括通訊線等）。每個動力電池艙僅電池箱就數(shù)十個，且在電池柜內(nèi)的排列也較為緊密，根據(jù)設計需要既有串聯(lián)也有并聯(lián)的關系，電纜敷設位置和接線空間也需提前考慮。要充分考慮這些電纜的布設位置和布設方法，使得電纜走線整潔、美觀，保證后期電纜拆卸和電池箱更換的便捷性。

2.7 動力電池系統(tǒng)的試驗

動力電池系統(tǒng)的試驗主要在于對動力電池組的功能驗證，由以下幾個方面組成：

1）上電前檢測。包括單個電池箱的短路檢測以及電壓檢測。

2）上電試驗和監(jiān)測項目檢查。通過上位機檢測動力電池組內(nèi)單體電芯壓差、溫差以及電芯數(shù)量；檢測單支路電壓、電池系統(tǒng)輸出電壓等。

3）通訊功能檢測。通過人為制造通訊故障（如拔掉通訊線）檢測電池系統(tǒng)在內(nèi)部通訊斷開時是否報警；檢查BMS與PMS的通訊鏈路是否正常。

4）安全保護和聯(lián)鎖功能的試驗。包括高壓互鎖檢測以及急停開關功能檢測。

5）依據(jù)《動力電池組容量計算書》進行充放電試驗。

6）檢驗動力電池系統(tǒng)與柴油發(fā)電機組在交流母排并網(wǎng)的相關功能及穩(wěn)定性。

經(jīng)過電池系統(tǒng)的設計、安裝以及系泊試驗，本船最終在航行試驗中，驗證滿足了總體規(guī)格書所規(guī)定的“純動力電池供電的情況下在7 kn航速穩(wěn)定運行不小于2 h”的要求，以及“動力電池系統(tǒng)與柴油發(fā)電機組并網(wǎng)使推進器全功率穩(wěn)定運行”的要求。在航行過程中沒有發(fā)生影響安全的報警和故障，表明該電池系統(tǒng)滿足設計要求。

3 結論

本文介紹了“深海01”輪動力電池組的電站配置方案和作業(yè)方式。在動力電池系統(tǒng)的設計中，通過提取《指南》中對動力電池系統(tǒng)的緊急關斷、電池管理系統(tǒng)、消防和布置等幾個方面的要求，逐項解析、研究并落實具體方案和措施，做到滿足CCS的《指南》要求。在通過實船安裝動力電池系統(tǒng)過程中，分析總結了動力電池組的安裝條件、布設考慮因素以及試驗內(nèi)容等。通過對“深海01”輪動力電池系統(tǒng)的設計與建造實踐，以期為今后設有動力電池組的船舶提供相關經(jīng)驗借鑒。