李興宇 杜慶森

摘 要：本文結(jié)合對船舶行業(yè)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢分析，通過對傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)、柴油發(fā)電機(jī)電力推進(jìn)和新型蓄電池電力推進(jìn)方案的綜合對比，分析新型蓄電池電力推進(jìn)在船舶行業(yè)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電力推進(jìn)；蓄電池；節(jié)能環(huán)保

中圖分類號：U664.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，船舶行業(yè)作為二氧化碳排放大戶，推行節(jié)能減排的綠色船舶改革勢在必行。對于航行于內(nèi)河的中小型客船及貨船，由于其航程和航行時(shí)間較短，采用蓄電池作為船舶動(dòng)力，具有利用效率高、不排放有害氣體、噪音和振動(dòng)較小的特點(diǎn)，達(dá)到綠色環(huán)保、節(jié)能減排的目的，是內(nèi)河中小型客船及貨船最佳動(dòng)力源的選擇。

近年來，電池技術(shù)有了很大進(jìn)步，鐵電池作為其中一種，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、儲能系統(tǒng)、汽車等工業(yè)上。鐵電池具有能量轉(zhuǎn)化率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、原料豐富、綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)，其作為未來船舶電力推進(jìn)動(dòng)力電池的應(yīng)用前景是光明的。

2 鐵電池原理及其特性

2.1 鐵電池原理

鐵電池是以磷酸鐵鋰為正極材料的一種鋰離子二次電池，其充放電的化學(xué)方程式如下：

（1）充電過程

Li+從正極脫嵌經(jīng)過隔膜嵌入負(fù)極，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路（電源）供給到碳負(fù)極，保證負(fù)極的電荷平衡。

（2）放電過程

Li+從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過隔膜嵌入正極，而電子由外電路（負(fù)載）從負(fù)極到正極，從而實(shí)現(xiàn)電池對負(fù)載供電。

2.2 鐵電池特性

（1） 穩(wěn)定性好

鐵電池具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，充放電過程中，LiFePO4和FePO4相互轉(zhuǎn)化，兩者結(jié)構(gòu)類似，因此電極結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。

（2）倍率特性好

鐵電池的倍率特性：2.5C（放電倍率）。

以下倍率充電容量≥98%，放電容量≥99%。

（3）高、低溫性能好

鐵電池在-30℃～60℃均是有良好的輸出性能，可以滿足不同環(huán)境的使用要求。

溫度特性：0℃下0.5C充電容量>85%；-30℃下0.5C放電容量>90%。

（4）能量效率高

鐵電池即使在大倍率下，也具有極高的能量轉(zhuǎn)換效率。

（5）循環(huán)壽命長

3 鐵蓄電池應(yīng)用分析

鉛酸蓄電池，技術(shù)成熟，作為船舶動(dòng)力電池已經(jīng)應(yīng)用于船上多年，如杭州西湖游覽客船、云南滇池游船、長江游船及上海世博會(huì)游覽船等。鐵電池是最近幾年發(fā)展起來的新型電池，目前已應(yīng)用于通信、電動(dòng)汽車等行業(yè)，使用范圍越來越廣泛。

鐵電池與傳統(tǒng)鉛酸電池性能對比，見表1。

從表1可以看出，鐵電池對比鉛酸電池有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）重量輕體積小；

（2）超長的壽命；

（3）高能高容量；

（4）可實(shí)現(xiàn)電流快速充放電；

（5）耐高溫，更符合船舶使用環(huán)境；

（6）不含重金屬，綠色無污染。

對于內(nèi)河中小型船舶，鐵電池相比傳統(tǒng)鉛酸蓄電池，可以節(jié)省船上使用空間，減輕船舶自重，實(shí)現(xiàn)快速充電，使用壽命長，不用頻繁更換蓄電池，不含重金屬，滿足綠色環(huán)保要求；并且鐵電池經(jīng)第三方試驗(yàn)證明，在過充、過放、擠壓、短路、針刺、火燒的環(huán)境條件下，不會(huì)發(fā)生爆炸，安全性能滿足船舶使用要求。

鐵電池作為動(dòng)力電池已應(yīng)用于電動(dòng)大巴及轎車上，但在船舶上尚未有使用先例，還未取得船舶產(chǎn)品證書，相應(yīng)的船舶法規(guī)，規(guī)范中對鐵電池作為動(dòng)力還未制定相關(guān)規(guī)定。目前已有廠家和船級社對鐵電池在船舶上使用進(jìn)行論證，爭取早日應(yīng)用于實(shí)船。另一方面，鐵電池短期內(nèi)設(shè)備與原材料成本較高，初始投入遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池。不過鐵電池目前正處于快速發(fā)展期，隨著鐵電池大規(guī)模的應(yīng)用，成本會(huì)快速下降，并且相比于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池，鐵電池是有壽命長、對使用環(huán)境要求低、綠色環(huán)保、安全性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以鐵電池的應(yīng)用前景還是廣闊的。

4 鐵電池動(dòng)力船舶應(yīng)用方案

以我院設(shè)計(jì)的廣州新型水上巴士為例，對傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)、柴油發(fā)電機(jī)電力推進(jìn)和鐵電池電力推進(jìn)方案進(jìn)行綜合比較。

廣州新型水上巴士主要參數(shù)如下：

4.1 鐵電池電力推進(jìn)方案

（1）電源

電源采用30只鐵電池模塊串聯(lián)組合成380 V鐵電池組，每組電池容量為200 Ah，全船共設(shè)置35組鐵電池系統(tǒng)可同時(shí)滿足全船動(dòng)力及用電需要。單個(gè)鐵電池模塊為12.8 V、200 Ah，重量26.5 kg，體積475×286×170 mm，價(jià)格約1萬元。單組電池模塊為380 V、200 Ah，重量800 kg，體積30×（475×286×170 mm），價(jià)格約30萬元。

（2）工作原理

主要工作原理如下：航行時(shí)，35組蓄電池同時(shí)使用，使用功率管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測每組蓄電池的電壓及電流，當(dāng)某組蓄電池出現(xiàn)故障時(shí)，可將故障的電池組切除；設(shè)置二套智能逆變設(shè)備，動(dòng)力蓄電池組經(jīng)逆變后對主配電板提供AC380 V/50 Hz/3P電源。

充電設(shè)備采用陸上充電站對35組蓄電池組同時(shí)進(jìn)行充電，充電時(shí)間最快為2 h。

動(dòng)力蓄電池組容量滿足本船10 h航行要求，裝船蓄電池容量為2 660 kWh。

（3）配電系統(tǒng)

在機(jī)艙內(nèi)，設(shè)有動(dòng)力蓄電池逆變電源板1屏。動(dòng)力蓄電池電源經(jīng)逆變轉(zhuǎn)換成AC380V/3P電源，供主配電板使用，提供監(jiān)測、控制接口至功率管理系統(tǒng)。

在機(jī)艙內(nèi)設(shè)有蓄電池組充電接口，方便陸上充電站充電。

設(shè)有變壓器2臺，為船上AC220 V設(shè)備提供電源。

船上動(dòng)力設(shè)備由主配電板直接供電。

（4）推進(jìn)系統(tǒng)

本船配置AC380 V/3P主推進(jìn)交流變頻電動(dòng)機(jī)2臺，由主配電板直接供電，分別帶2臺固定螺旋槳。控制設(shè)備采用成熟的交流變頻技術(shù)進(jìn)行起動(dòng)及控制，保證船舶有良好的操控性能。

4.2 方案對比

柴油機(jī)推進(jìn)、柴油發(fā)電機(jī)電力推進(jìn)及鐵電池電力推進(jìn)方案對比，見表2。

5 結(jié)語

鐵電池作為一種新型動(dòng)力電池，相比傳統(tǒng)鉛酸蓄電池有較大的技術(shù)進(jìn)步，應(yīng)用于船舶上有很多優(yōu)勢。鑒于鐵電池電力推進(jìn)形式的特點(diǎn)，目前只能適用于中短途的客船、觀光船以及豪華接待船等船型。由于鐵電池本身屬于新型電池，目前產(chǎn)品還未取得船舶產(chǎn)品證書，相應(yīng)的船舶法規(guī)、規(guī)范中對鐵電池電力推進(jìn)還未制定相關(guān)規(guī)定，因此鐵電池推進(jìn)技術(shù)方案目前還只能停留在技術(shù)構(gòu)想階段，但考慮其綠色環(huán)保的顯著優(yōu)點(diǎn)以及未來船舶發(fā)展方向，鐵電池未來在實(shí)船上應(yīng)用還是很有前途的。

參考文獻(xiàn)

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