楊 飛，于 彬，王宏明，李 臣

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引 言

隨著國際貿(mào)易和船舶運輸?shù)陌l(fā)展，石油產(chǎn)品為燃料的船舶產(chǎn)生的廢氣污染變得越來越嚴重。特別是在港口、海峽和一些航線密集、船舶流量大的區(qū)域，船舶排放的廢氣甚至是該地區(qū)的主要污染源[1]。據(jù)挪威向國際海事組織（IMO）提供的資料，船舶每年排放二氧化碳10億噸、氮氧化物達萬噸，占世界排放總量的8%。

船舶節(jié)能減排已成為世界各國造船界和航運界研究的重要課題[2]。在我國，2017年8月交通運輸部下發(fā)《交通運輸部關(guān)于推進長江經(jīng)濟帶綠色航運發(fā)展的指導(dǎo)意見》，文中明確開展高能效船型、船舶電力推進系統(tǒng)等研發(fā)與推廣應(yīng)用；加快推進水面污染檢測，治理的標準化要求。同年11月交通運輸部又下發(fā)了《交通運輸部關(guān)于全面深入推進綠色交通發(fā)展的意見》，文件要求到2020年，環(huán)渤海（京津冀）、長三角、珠三角水域船舶硫氧化物、氮氧化物和顆粒物排放與2015年相比分別下降65%，20%和30%。

本文根據(jù)用戶的特殊應(yīng)用場景和節(jié)能減排需求，詳細介紹了一種船載大功率電池倉系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用。首先根據(jù)用戶設(shè)計需求，進行電池倉系統(tǒng)原理性設(shè)計。

接著對各子系統(tǒng)進行詳細設(shè)計，包括電池組模塊設(shè)計、控制模塊設(shè)計、消防系統(tǒng)設(shè)計、電池柜集成設(shè)計等。樣機在用戶船舶產(chǎn)品上進行了試裝運行。最后從降本增效方面進行深入分析。該船載大功率電池倉可有效減少船舶廢氣排放，降低船舶運營成本，具有一定的示范意義和推廣價值。

1 大功率電池倉設(shè)計需求

某25 m交通執(zhí)法艇在出航工作過程中，需要在工作區(qū)域長時間駐留。在此期間，由機艙內(nèi)備用12 kW柴油發(fā)電機對船載照明，船載小電器，空調(diào)，水泵等設(shè)備供電。為進一步節(jié)約成本，降低廢氣排放，希望執(zhí)法艇在駐留工作期間，用船載大功率電池艙替代備用柴油發(fā)電機工作，具體的設(shè)計指標如表1所示。

表1 電池倉設(shè)計指標Tab. 1 Battery bin design indicators

電池倉整體放置在執(zhí)法船甲板上，需要考慮電池倉重量，以及船舶整體配重。同時，在電池倉設(shè)計過程中需進行整體防振、散熱、消防設(shè)計[3]。

2 電池倉系統(tǒng)化設(shè)計

根據(jù)用戶需求，需要確定電池倉系統(tǒng)原理圖，并對各子系統(tǒng)進行詳細設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)原理性設(shè)計

根據(jù)用戶設(shè)計指標要求，電池倉系統(tǒng)分為三大模塊，分別為電池組模塊、控制模塊和充電逆變模塊。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig. 1 Schematic diagram

1）電池組模塊由10個電池包組成，每個電池包容量為38.4 V 200 Ah，電池組總?cè)萘繛?6.8 kW·h。每個電池包中包含單獨的BMS（電池管理系統(tǒng)）子系統(tǒng)和散熱，消防組件。

2）控制模塊為電池倉系統(tǒng)的大腦，電池組模塊與充電逆變模塊連接的樞紐。主控板連接電池組模塊中的BMS系統(tǒng)[4]，對每個電池包中的電芯的電壓，電流、溫度、報警信息、電池電量等信息進行采集，通過安裝在駕駛臺上的顯示屏進行監(jiān)控。

3）充電逆變模塊具有電池組的充電，逆變放電功能，考慮冗余設(shè)計，功率為30 kW。

2.2 電池組模塊設(shè)計

大功率電池倉需要攜帶較多數(shù)量的電池，對電池的放電倍率、循環(huán)性、成本的要求也較高。和鉛酸電池相比，磷酸鐵鋰電池在安全性、能量密度、循環(huán)性能等方面優(yōu)勢明顯[5]。

磷酸鐵鋰電池具有良好安全性、長循環(huán)性能，良好的高溫穩(wěn)定性以及較低的成本，是現(xiàn)階段船載電池的最優(yōu)選擇。

電池選用某電池廠商方形磷酸鐵鋰電芯，該電芯具備CCS證書，證書號：ZG16T00021。尺寸如圖2所示。

圖2 電芯尺寸圖Fig. 2 Outline of battery core

技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 電芯參數(shù)Tab. 2 Parameters of battery core

電池PACK結(jié)構(gòu)采用12個電芯串聯(lián)形式，容量為38.4 V 100 Ah，每個電池包采用2個PACK結(jié)構(gòu)并聯(lián)，即每個電池包容量為38.4 V 200 Ah。

2.3 控制模塊設(shè)計

控制模塊分為主控系統(tǒng)和從控系統(tǒng)兩部分。

主控系統(tǒng)包括繼電器控制、電流測量、電壓與絕緣檢測和通信接口等電路，原理如圖3所示。

圖3 主控系統(tǒng)圖Fig. 3 Main control system diagram

從控系統(tǒng)包括電壓測量、溫度測量、均衡管理、熱管理和通信、報警功能。如圖4所示。

圖4 從控系統(tǒng)圖Fig. 4 Auxiliary control system diagram

1臺顯示屏安裝在執(zhí)法船駕駛臺，用于電池倉控制系統(tǒng)的信息監(jiān)控，互動操作。

2.4 消防系統(tǒng)設(shè)計

大功率電池倉安裝在執(zhí)法船甲板上，根據(jù)船級社要求，需要配備散熱和消防系統(tǒng)。電池倉內(nèi)安裝自動熱氣溶膠滅火裝置和散熱風(fēng)機。

當(dāng)電池倉（電池）溫度一定閥值時，啟動外置風(fēng)機，進行通風(fēng)散熱。當(dāng)電池倉溫度達到閥值，自動熱氣溶膠滅火裝置打開，進行消防作業(yè)。消防系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

圖5 消防系統(tǒng)原理圖Fig. 5 Schematic diagram of fire system

2.5 電池柜集成設(shè)計[6]

電池倉中的電池包模塊，控制模塊集成在一個電池柜中，整體尺寸2 256×670×1 400 mm。柜內(nèi)電池包和控制模塊分布如圖6所示。

圖6 電池柜集成圖Fig. 6 Battery cabinet

其中8個電池包安裝在1號柜和2號柜，2個電池包和控制模塊安裝在3號柜，散熱和消防系統(tǒng)在柜體后側(cè)，線纜從柜底進出。

3 樣機生產(chǎn)和應(yīng)用

該大功率電池倉設(shè)計完成后，進入樣機生產(chǎn)階段和應(yīng)用階段。

3.1 電池倉樣機試裝運行

樣機生產(chǎn)完成后，在執(zhí)法船上試裝運行，其中電池柜安裝在甲板上，如圖7所示。

圖7 電池柜安裝圖Fig. 7 Battery cabinet installation

根據(jù)船級社要求，30 kW充電逆變一體機，放置在執(zhí)法船機艙內(nèi)[7]，如圖8所示。

圖8 充電逆變一體機Fig. 8 Charging inverter

電池倉監(jiān)控顯示屏安裝在執(zhí)法船駕駛臺上。監(jiān)控總界面包含了總電壓、總電流、SOC、電池狀態(tài)、單體最高電壓、單體最低電壓、單體最高溫度、單體最高溫度、單體最低溫度、電池故障的具體情況。

下方有5個按鈕（觸屏式），從左到右分別鏈接單體單體、配置、充電機、絕緣監(jiān)測和時間5個分界面，如圖9所示。

圖9 監(jiān)控界面Fig. 9 Monitoring interface

3.2 經(jīng)濟性分析

該大功率電池倉上船運行一段時間后效果良好滿足用戶節(jié)能減排的需求的同時，也大幅降低了用戶的日常運營成本。

該執(zhí)法船每天在工作區(qū)域工作4 h以上，0#柴油價格取6.57元/L，柴油密度0.83 kg/L。15 kW/h柴油機功率耗油量：220×15/1 000=3.3 kg，約4 L，則每天消耗成本為：4×6.57×4=105.12元。

大功率電池倉容量為76.8 kW·h，電價0.75元/kW·h，每天大約消耗60 kW·h，則每天消耗成本為：60×0.75=45元?？梢娒刻炜晒?jié)省成本60.12元，全年可節(jié)約成本21 943.8元。

船舶生命周期20～25年，整體節(jié)約成本可觀。

4 結(jié) 語

本文詳細介紹了一種船載大功率電池倉系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用。首先進行電池倉系統(tǒng)原理性設(shè)計，確定了電池倉系統(tǒng)由電池組模塊，控制模塊和充電逆變模塊三部分組成，并分別對3個模塊進行了詳細設(shè)計。重點介紹了電池組模塊設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計、消防系統(tǒng)設(shè)計，以及電池柜集成設(shè)計等。

該大功率電池倉在用戶船舶試裝運行后，效果良好，在我國全面推進綠色航運、智慧船舶的關(guān)鍵時期，該船載大功率電池倉的研發(fā)和應(yīng)用具有一定的示范意義，也為傳統(tǒng)船舶的新能源技術(shù)應(yīng)用提供了方向。