鄭 曉，余 帆

綜述

艦船大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)現(xiàn)狀與展望

鄭 曉，余 帆

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

大容量電能儲(chǔ)存是艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一，可為艦船提供各種負(fù)荷能源。本文闡述了研究艦船大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)的重要意義，介紹了大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)劃分種類，分析了艦船主要電能儲(chǔ)存技術(shù)，指出新型儲(chǔ)能材料、大數(shù)據(jù)、人工智能、新型氫能、制動(dòng)能量回饋儲(chǔ)存等技術(shù)在艦船大容量電能儲(chǔ)存發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì)，得出了中國(guó)在大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)方面良好發(fā)展態(tài)勢(shì)結(jié)論。

艦船電能儲(chǔ)存 蓄電池儲(chǔ)能 超級(jí)電容儲(chǔ)能 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能 飛輪儲(chǔ)能

0 引言

航運(yùn)業(yè)承擔(dān)了全球近9成運(yùn)輸需求業(yè)務(wù)，同時(shí)排放全球約3%的二氧化碳和約15%的氮氧化物，若對(duì)航運(yùn)排放不予控制，按照目前發(fā)展趨勢(shì)與速度，至2050年，該行業(yè)產(chǎn)生二氧化碳在全球溫室氣體排放總量的占比將翻1-2倍[1]。我國(guó)在十四五節(jié)能減排綜合工作方案中重點(diǎn)提出[2]，要“加強(qiáng)船舶清潔能源動(dòng)力推廣應(yīng)用，推動(dòng)艦船岸電受電設(shè)施改造”。而推進(jìn)和拓展電能等新能源在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用，可以促進(jìn)艦船行業(yè)節(jié)能減排、綠色發(fā)展。強(qiáng)制性的節(jié)能減排要求給艦船各功能分區(qū)的設(shè)計(jì)運(yùn)行帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，促進(jìn)了各類新技術(shù)的提出和應(yīng)用，而大力發(fā)展艦船電力推進(jìn)技術(shù)已成為艦船動(dòng)力發(fā)展技術(shù)的主流趨勢(shì)之一。相比于傳統(tǒng)的艦船動(dòng)力系統(tǒng)，電能動(dòng)力系統(tǒng)具有對(duì)環(huán)境友好、使用壽命長(zhǎng)等諸多突出優(yōu)點(diǎn)。其中，大容量電能儲(chǔ)存是電力推進(jìn)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，在艦船上采用大容量電能存儲(chǔ)裝置，可以將制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，并在其他負(fù)載需要時(shí)（如啟動(dòng)、加速階段）將所儲(chǔ)存能量提供給負(fù)載或當(dāng)系統(tǒng)中其它負(fù)載需要時(shí)將存儲(chǔ)的能量進(jìn)行高效輸出，可以有效地彌補(bǔ)燃料電池的缺點(diǎn)，減少燃料電池的輸出功率波動(dòng)，從而提高電力推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)電池的使用壽命等[3, 4]。

電能是艦船動(dòng)力設(shè)備的能源，穩(wěn)定、可靠的電能存儲(chǔ)系統(tǒng)是直接關(guān)系到艦船安全與效率。大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)是艦船新能源革命至關(guān)重要環(huán)節(jié)，對(duì)推動(dòng)艦船行業(yè)節(jié)能減排、綠色發(fā)展、提高能源利用率具有重要意義。同時(shí)，隨著各類諸如電磁彈射器、電磁攔阻、電磁炮、有源雷達(dá)等高功率設(shè)備在艦船上的應(yīng)用[5-7]，也給艦船大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

1 艦船大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)種類

大容量電能存儲(chǔ)在艦船上的應(yīng)用主要分以下幾個(gè)方面：一是用于艦船動(dòng)力推進(jìn)，二是用于艦船常規(guī)配電例如艦船動(dòng)力，三是特殊裝備電力供應(yīng)要求。艦船在不同工作狀態(tài)和工作場(chǎng)景下，對(duì)電能儲(chǔ)存特性和安全性有不同的要求。

一般地，依據(jù)艦船電能需求特性和工作時(shí)長(zhǎng)等不同要求，艦船大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)可以分為功率型電能儲(chǔ)存、能量型電能儲(chǔ)存和備用型電能儲(chǔ)存等不同類型[8]。其中，功率型儲(chǔ)能功率密度較高，以高放電率快速高效釋放電能，主要用于瞬間高功率放電場(chǎng)景，例如在電磁彈射，電磁炮等大功率裝備運(yùn)行時(shí)瞬間高功率電能釋放場(chǎng)景。相對(duì)于功率型儲(chǔ)能，能量型儲(chǔ)能的能量密度更高，放電時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，主要用于高能量存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移的場(chǎng)景，例如采用電力推進(jìn)系統(tǒng)艦船的正常啟動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等一般性能量釋放場(chǎng)景。備用型電能儲(chǔ)能在艦船一般性正常工作時(shí)不啟用，而是在供電網(wǎng)絡(luò)電壓跌落或者突然斷電故障時(shí)，能夠作為不間斷電源立即提供緊急電力，是保障艦船緊急場(chǎng)景下正常工作的備用電能。

1.2 艦船主要電能儲(chǔ)存技術(shù)

艦船電能儲(chǔ)存系統(tǒng)在應(yīng)用方面的需求主要來(lái)自兩個(gè)方面：第一個(gè)方面，是對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的能量需求，例如因航速變化引起推進(jìn)負(fù)荷變化，需要減小艦船負(fù)荷巨大的峰谷差以保障經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同時(shí)，電能儲(chǔ)存系統(tǒng)也可作為艦船的不間斷電源輔助艦船運(yùn)行。第二個(gè)方面，是對(duì)各類艦船設(shè)備的功率需求，例如平抑海浪隨機(jī)性等對(duì)推進(jìn)器的影響，調(diào)整艦船的電壓和頻率；電磁彈射、有源雷達(dá)等高能武器裝備的短時(shí)高功率電能釋放要求等。

1.2.1 蓄電池電能儲(chǔ)存

蓄電池電能儲(chǔ)存，顧名思義就是將電能以化學(xué)能的形式貯存并可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種電學(xué)裝置，也成為二次電池。根據(jù)所采用化學(xué)物質(zhì)的不同類型，主要可以分為鉛酸電池、鎳基電池和鋰電池等[9]。艦船領(lǐng)域所用蓄電池，必須鉛酸電池最早于19世紀(jì)60年代被發(fā)明，已經(jīng)歷了近160年的發(fā)展歷程。鉛酸電池在我國(guó)使用時(shí)間較早，在早期艦船領(lǐng)域使用范圍最廣。鉛酸電池是目前技術(shù)條件最成熟、應(yīng)用時(shí)間最久的能量型儲(chǔ)能技術(shù)。鉛酸電池最大的優(yōu)勢(shì)是價(jià)格低廉、電壓穩(wěn)定、自放電率低，但是其能量密度較低，大規(guī)模應(yīng)用不可避免存在體積和重量過(guò)大等弊端。

鎳基電池主要分為兩類[8]，鎳鎘電池和鎳氫電池。相比其他類型電池，鎳基電池在低溫環(huán)境下仍具有較好的電氣性能，其能量密度比鉛酸電池更高，循環(huán)使用壽命也比鉛酸電池更長(zhǎng)。同時(shí)，鎳基電池內(nèi)阻較鉛酸電池高，需要控制定值電流充電，與鉛酸電池相比其成本較高。鎳基電池中，鎳氫電池相比于鎳鎘電池不含有毒的鎘元素，對(duì)環(huán)境更加友好；完全相同尺寸大小情況下，鎳氫充電電池容量比鎳鎘電池高約1.5～2倍。

此外，鋰電池作為蓄電池的一種興起于21世紀(jì)初期，是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰等鋰元素電極材料電池的統(tǒng)稱。鋰電池實(shí)質(zhì)上是一種具有濃度差的電池，當(dāng)鋰離子通過(guò)隔膜材料從化學(xué)電勢(shì)較高的插層材料電極向電勢(shì)較低的電極移動(dòng)時(shí)，電荷補(bǔ)償電子通過(guò)外電路移動(dòng)，進(jìn)而形成電流以供輸出使用。相比于鉛酸電池和鎳基電池，鋰電池的能量密度更高，且具有極高的能量效率（>97%）和極低的自放電率（<0.3%/天）[10]，同時(shí)鋰電池不具有明顯的記憶效應(yīng)。但是，鋰電池存在一定的安全性問(wèn)題，由于其采用的是金屬電極材料，在高溫下電極有可能會(huì)融化而導(dǎo)致短路進(jìn)而造成安全事故，且鋰電池的壽命又受放電深度和電流大小的影響，長(zhǎng)期深度放電和大電流放電都會(huì)嚴(yán)重?fù)p耗電池壽命。一直以來(lái)鋰電池作為最具前景的能量型儲(chǔ)能技術(shù)受到眾多關(guān)注，相關(guān)儲(chǔ)能技術(shù)研究也取得了長(zhǎng)足發(fā)展。

1.2.2 超級(jí)電容電能儲(chǔ)存

超級(jí)電容又稱電化學(xué)雙層電容器，是一種新型儲(chǔ)能技術(shù)，能夠提供強(qiáng)大脈沖功率的環(huán)保型物理二次電能存儲(chǔ)設(shè)備[11]。超級(jí)電容主要通過(guò)電極之間的電場(chǎng)儲(chǔ)存能量，主要由三部分組成，分別為電極、隔膜、電解質(zhì)溶液。在能量的儲(chǔ)存與釋放過(guò)程中，既不發(fā)生氧化或者還原反應(yīng)，只有正負(fù)電荷的有序移動(dòng)。超級(jí)電容基本結(jié)構(gòu)示意圖和經(jīng)典等效電路示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 超級(jí)電容基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 超級(jí)電容經(jīng)典等效電路示意圖

圖2示意圖中R為超級(jí)電容內(nèi)阻表征充放電過(guò)程中的能耗，R為表征漏電流的漏電阻，因其數(shù)值較大，可忽略其影響。

超級(jí)電容是典型的大功率密度儲(chǔ)能單元，具有使用壽命長(zhǎng)、工作范圍廣、無(wú)污染排放、狀態(tài)易監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，超級(jí)電容在工作過(guò)程中，只依靠電荷和離子的高度可逆移動(dòng)，而不是化學(xué)鍵的破壞來(lái)儲(chǔ)存電量，因此可循環(huán)充放電數(shù)十萬(wàn)次，而不會(huì)對(duì)其性能造成損壞，適合混合動(dòng)力艦船中吸收高頻功率波動(dòng)，減少功率波動(dòng)，穩(wěn)定主線電壓。

1.2.3超導(dǎo)磁電能儲(chǔ)存

超導(dǎo)磁電能儲(chǔ)存是一種基于超導(dǎo)線圈的電能儲(chǔ)存設(shè)備，主要利用導(dǎo)體在超低溫下的超導(dǎo)特性，利用大電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)儲(chǔ)存能量。直流電饋送到超導(dǎo)線圈建立強(qiáng)磁場(chǎng)儲(chǔ)存電能，隨后該磁場(chǎng)通過(guò)逆變器釋放和產(chǎn)生脈沖電力。超導(dǎo)電磁電能儲(chǔ)存最大的優(yōu)勢(shì)是效率極高（>97%），幾乎沒(méi)有任何能量損耗，主要來(lái)自外部的電力電子器件，并且其具有很高的功率密度。

其最大的缺陷在于維持超導(dǎo)狀態(tài)需要極低的溫度環(huán)境（

1.2.4 飛輪電能儲(chǔ)存

飛輪電能儲(chǔ)存主要是利用高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的大質(zhì)量飛輪將電能以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)需要儲(chǔ)存電能時(shí)，電能可以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使飛輪加速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)需要飛輪儲(chǔ)能放電時(shí)，飛輪會(huì)反向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以向外界供電，同時(shí)飛輪減速。飛輪以動(dòng)能形式儲(chǔ)存能量，儲(chǔ)能密度是儲(chǔ)能裝置的關(guān)鍵要素之一，其表達(dá)公式可以定義如下：

式中，為飛輪系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量大?。╓×h），為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg×m2），為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度（rad/s）。

由式（1）可知，飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度越大，其儲(chǔ)存能量越大；反之，其儲(chǔ)存能量越小。對(duì)于某種固定材料制成的機(jī)械轉(zhuǎn)子，其相應(yīng)地其可承受地最大離心力是固定要求的，而離心力與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度成比例關(guān)系。因此，飛輪能夠儲(chǔ)存的電能上限是受到所選用材料等約束的。

與其他電能儲(chǔ)存設(shè)備相比，飛輪儲(chǔ)存電能具有一系列優(yōu)勢(shì)，例如飛輪儲(chǔ)能設(shè)備設(shè)計(jì)使用壽命長(zhǎng)，一般可以達(dá)到20年，遠(yuǎn)超過(guò)化學(xué)電池的壽命。在工作期間，所需要的保養(yǎng)工作量小，壽命周期費(fèi)用低。通過(guò)采用復(fù)合材料轉(zhuǎn)子，可以減小其尺寸和質(zhì)量，能進(jìn)一步提高其能量密度。飛輪電能儲(chǔ)存系統(tǒng)另一重要優(yōu)點(diǎn)在于其運(yùn)行狀態(tài)是可預(yù)見(jiàn)的，可以精確地根據(jù)飛輪運(yùn)行速度來(lái)判斷其電能儲(chǔ)存狀態(tài)。其性能不會(huì)隨著電能充注/釋放的循環(huán)頻率、深度而變化，一般能夠運(yùn)行幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)個(gè)循環(huán)次數(shù)。此外，飛輪電能儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，體積小，無(wú)污染，儲(chǔ)能密度高等優(yōu)點(diǎn)，所以被公認(rèn)為艦船電力系統(tǒng)中較為理想的脈沖功率電源系統(tǒng)。在艦船電磁彈射等高能裝置場(chǎng)景中，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為大容量電能儲(chǔ)存設(shè)備，與其相關(guān)研究技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

2 艦船大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 新型儲(chǔ)能材料

儲(chǔ)能材料是儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐基礎(chǔ)，效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性是儲(chǔ)能材料在船艦大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的重點(diǎn)因素。例如飛輪儲(chǔ)能材料方面，突破了新型高強(qiáng)合金鋼飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)；新型固態(tài)電解質(zhì)方面，研制了Li2ZrCl6新型電解質(zhì)體系以及超薄、高離子電導(dǎo)、高穩(wěn)定性的鋰離子交換沸石 X(LiX)固態(tài)電解質(zhì)膜(LiXZM)等新型材料。新型儲(chǔ)能材料的研發(fā)創(chuàng)新[12]，對(duì)于推動(dòng)船艦大大容量?jī)?chǔ)能發(fā)展應(yīng)用具有十分重要的意義。

2.2 大數(shù)據(jù)+人工智能儲(chǔ)能智慧管理

利用研究前沿的大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)采集、分析及動(dòng)態(tài)服務(wù)等功能模塊，能夠支持電能儲(chǔ)存分布式監(jiān)測(cè)、互動(dòng)節(jié)能服務(wù)等新型業(yè)務(wù)。同時(shí)通過(guò)分析不同運(yùn)行狀態(tài)和類型儲(chǔ)能設(shè)備組的大數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備優(yōu)化組合，動(dòng)態(tài)調(diào)整儲(chǔ)存、釋放狀態(tài)，整體提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)資源有效配置。此外，隨著人工智能方法和算力硬件的不斷進(jìn)步發(fā)展，通過(guò)分析計(jì)算大量樣本數(shù)據(jù)，可以解決儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置中成本最低、低碳效益最大等一系列優(yōu)化問(wèn)題，最大程度發(fā)揮不同系統(tǒng)儲(chǔ)能作用。

2.3 新型氫燃料電池技術(shù)

隨著國(guó)家對(duì)新型能源的大力扶持，氫燃料電池與制氫技術(shù)不斷取得進(jìn)展和突破。有別于其他傳統(tǒng)燃料電池，氫燃料電池是將氧氣與氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，理論上生成物僅為水，具有高效、無(wú)污染、運(yùn)行噪音低等諸多優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，氫儲(chǔ)能在大規(guī)模存儲(chǔ)方面占有優(yōu)勢(shì)，具備一定程度的快速響應(yīng)能力，在新型電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)均有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，在船舶大容量電能儲(chǔ)存方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.4 制動(dòng)能量回饋儲(chǔ)存

艦船在制動(dòng)時(shí)，在制動(dòng)力作用下并結(jié)合船體本身阻力的作用，會(huì)使船體迅速減速停航。阻力所做的功會(huì)以熱能形式散發(fā)掉，制動(dòng)回饋能量可以將船體動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能并儲(chǔ)存。但是在船體迅速制動(dòng)過(guò)程中，局部?jī)?chǔ)能器件電壓會(huì)急劇升高，主回路大功率器件和變頻器過(guò)壓保護(hù)裝置帶來(lái)很大的危害，當(dāng)變頻器裝置的運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，艦船制動(dòng)將處于不可受控狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)可危害艦船以及船員的安全。因此，研究制動(dòng)能量回饋儲(chǔ)存具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 結(jié)語(yǔ)

大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)對(duì)于艦船行業(yè)節(jié)能減排、新能源革命具有重要戰(zhàn)略意義。本文針對(duì)目前艦船大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)進(jìn)行梳理，重點(diǎn)分析和討論了目前主要應(yīng)用的不同類型儲(chǔ)能技術(shù)，并對(duì)大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)做出有現(xiàn)實(shí)意義的探討和展望。

中國(guó)大容量船艦電能儲(chǔ)能系統(tǒng)有望保持規(guī)模化發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)。在國(guó)家新能源政策持續(xù)推動(dòng)下，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)?huì)取得不斷進(jìn)展，中國(guó)船艦大容量電能儲(chǔ)存技術(shù)將繼續(xù)保持向好發(fā)展態(tài)勢(shì)，繼續(xù)加速“跑進(jìn)”國(guó)際儲(chǔ)能技術(shù)前列地位。

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Status and prospect of large-capacity electrical energy storage technology for ships

Zheng xiao, Yu Fan

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2022）10-0169-04

2022-07-08

鄭曉（1991-），女，工程師。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。E-mail: 136252524@qq.com