蔡旭雯，譚祖勝，夏 軍，吳放明，韓 莉

（1.武漢易華船舶設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué)船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；3.江蘇海事局，江蘇 南京 210009）

0 引 言

2020年12月12 日，國家主席習(xí)近平在國際氣候雄心峰會(huì)上發(fā)表了題為《繼往開來，開啟全球應(yīng)對氣候變化新征程》的重要講話，宣布國家自主貢獻(xiàn)一系列新舉措，到2030年，我國單位生產(chǎn)總值二氧化碳排放量將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)的比例將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億m3，風(fēng)電和太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上，力爭在2030年之前使二氧化碳排放達(dá)到峰值，在2060年之前實(shí)現(xiàn)碳中和，為綠色發(fā)展訂立了新目標(biāo)。

船舶能源結(jié)構(gòu)改革經(jīng)過近幾年的實(shí)施取得了關(guān)鍵性進(jìn)步，以磷酸鐵鋰電池為能源的純電池動(dòng)力船舶得到了迅速發(fā)展［1］，我國船級(jí)社規(guī)范和海事局法規(guī)的研究成果對該類船舶的發(fā)展起到了引領(lǐng)和指導(dǎo)作用，從設(shè)計(jì)、建造和檢驗(yàn)等多個(gè)方面對磷酸鐵鋰電池在船上的應(yīng)用作出了明確的規(guī)定［2-3］。

與傳統(tǒng)的柴油動(dòng)力船舶相比，純電池動(dòng)力船舶具有便于維修、振動(dòng)和噪聲小、污染物排放少和環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)，可有效解決大氣污染和噪聲問題。然而，基于磷酸鐵鋰電池的各項(xiàng)特性，對其安全性、可靠性、續(xù)航力、工作壽命、充放電次數(shù)（電量最少不低于20%）、投資和營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性等提出了一定的要求［2-3］，這使得磷酸鐵鋰電池在船上的應(yīng)用面臨著一定的困難，在一定程度上限制了純電池動(dòng)力船舶的發(fā)展。

本文以某型純電池新型公務(wù)船研究項(xiàng)目為例，僅基于船舶柴油動(dòng)力形式與純電池動(dòng)力形式中的能源對船舶艙室空間和排水量的需求對比，以及投資和運(yùn)營成本對比，從純電池動(dòng)力船舶續(xù)航力的適宜性和經(jīng)濟(jì)性2個(gè)方面進(jìn)行分析，提出一種解決方案，供純電池動(dòng)力船舶的立項(xiàng)可行性論證、研發(fā)和設(shè)計(jì)參考。

1 純電池動(dòng)力系統(tǒng)方案分析

本文僅從電力系統(tǒng)方案、機(jī)艙布置、電池艙布置和電池安裝要求等方面進(jìn)行分析。

1.1 電力系統(tǒng)方案

采用純電池提供船舶動(dòng)力，電力系統(tǒng)一般為電池與直流配電板連接，通過逆變電源向輔助設(shè)備供電，通過逆變器向推進(jìn)電機(jī)供電［4-6］。

為保證船舶安全、可靠，法規(guī)和規(guī)范要求母排不少于2段，電池可采用2簇、4簇、6簇、8簇和10簇等偶數(shù)簇?cái)?shù)［2-3，7-8］。

電池分簇?cái)?shù)量根據(jù)技術(shù)可行性、系統(tǒng)復(fù)雜性和可靠性及性價(jià)比等因素確定。若將電池分為2簇，則當(dāng)單個(gè)電池簇發(fā)生故障時(shí)會(huì)失去50%的動(dòng)力，系統(tǒng)的可靠性較差；若將電池分為10簇或10簇以上，10簇系統(tǒng)的可靠性較好，但故障點(diǎn)較多，性價(jià)比較低；若將電池分為4簇、6簇或8簇，則系統(tǒng)的可靠性較好，故障點(diǎn)較少，性價(jià)比較高。

本文研究的項(xiàng)目的2段母排分為2組，共6簇，并聯(lián)構(gòu)成電池系統(tǒng)方案。

1.2 機(jī)艙布置與機(jī)艙容積

電池艙內(nèi)不得布置與電池?zé)o關(guān)的設(shè)備［2-3］，因此純電池動(dòng)力船舶需設(shè)置機(jī)艙。

一般柴油動(dòng)力船舶機(jī)艙內(nèi)布置的主柴油機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、日用油柜、燃油泵和水泵及相應(yīng)的管系、變壓器、主配電板和電纜等，由純電池動(dòng)力船舶機(jī)艙內(nèi)布置的推進(jìn)電機(jī)、直流配電板、交流配電板、隔離變壓器、電力變壓器、推進(jìn)變頻器、制動(dòng)電阻箱、水冷柜及相應(yīng)的管系、控制箱和電纜等替代。在純電池動(dòng)力船舶機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備中，除了電機(jī)和變壓器等設(shè)備與柴油機(jī)的體積緊湊程度相當(dāng)，考慮到電器元件的安裝和散熱等要求，其他設(shè)備的體積均相對更大，且數(shù)量更多；管系的規(guī)格和數(shù)量相對較少，電纜的規(guī)格和數(shù)量相對更多。

根據(jù)本文研究項(xiàng)目的實(shí)際布置對比情況，純電池動(dòng)力船舶的機(jī)艙在滿足設(shè)備間距要求，且其布置相對更緊湊的情況下，其容積與柴油動(dòng)力船舶相當(dāng)，設(shè)備的總重量略大于柴油動(dòng)力船舶。

1.3 電池安裝要求與電池艙容積

在設(shè)計(jì)電池系統(tǒng)時(shí)，需從電池管理、電池散熱、電池維護(hù)空間和環(huán)流影響等方面綜合考慮，我國海事局法規(guī)和船級(jí)社規(guī)范也有嚴(yán)格的規(guī)定，比如對電池艙數(shù)量的要求，對電池艙的分艙布置與船舶總布置及結(jié)構(gòu)關(guān)系的要求，對電池艙的脫險(xiǎn)與維護(hù)通道的要求，對電池艙的通風(fēng)與消防的要求，對電池的吊裝與安裝的要求，對電池與艙壁和甲板間距的要求等［2-3］，這些要求決定了電池艙容積并不僅等于或略大于電池總?cè)萘克俭w積，亦即電池艙的容積系數(shù)較大［9］。

1.4 綜合分析

純電池動(dòng)力船舶的機(jī)艙容積和機(jī)艙設(shè)備總重量與柴油動(dòng)力船舶相當(dāng)。

基于系統(tǒng)的可靠性、安全性和維護(hù)便利性等方面的要求，純電池動(dòng)力系統(tǒng)均具有一定的復(fù)雜度，其單位電池容量對安裝、運(yùn)行和維護(hù)空間的要求也較高，特別是對電池艙數(shù)量、通道和安裝間距等參數(shù)的安全技術(shù)要求，船舶尺度和續(xù)航力要求越小，單位電池容量空間占比越大。

因此，下面僅從柴油和電池2種能源對船舶排水量和艙容的需求的角度進(jìn)行分析。

2 續(xù)航力適宜性分析及電池容量推薦方案

2.1 開展續(xù)航力適宜性分析的必要性

根據(jù)對用船狀態(tài)和用船需求的調(diào)研結(jié)果，日常巡航值班和救助工況下的續(xù)航力要求為2～4 h，白天使用間隔為2～4 h。

設(shè)計(jì)航速取不小于15 kn，根據(jù)阻力性能估算結(jié)果，采用2臺(tái)推進(jìn)主機(jī)，每臺(tái)推進(jìn)主機(jī)的功率約為250 kW。下面僅以推進(jìn)功率為例探討開展續(xù)航力適宜性分析的必要性。

對于柴油動(dòng)力推進(jìn)，以15 kn航速下的續(xù)航力為4 h、柴油機(jī)的燃油消耗率為210 g/（kW·h）、柴油密度為0.85 t/m3計(jì)算，柴油的重量和容積［9］分別為

式（1）和（2）中：Qye為推進(jìn)用柴油的重量，t；ge為推進(jìn)柴油機(jī)的燃油消耗率，g/（kW·h）；Ne為推進(jìn)主機(jī)的額定功率，kW；T為續(xù)航力，h；Z為推進(jìn)主機(jī)的數(shù)量，臺(tái)；Vye為柴油總?cè)莘e，m3；γ為柴油密度，t/m3。

目前還沒有相關(guān)理論可用來指導(dǎo)純電池動(dòng)力船舶電池容量的計(jì)算，一般在設(shè)計(jì)純電池動(dòng)力船舶時(shí)參考柴油動(dòng)力船舶燃油貯存量計(jì)算公式和相關(guān)變量的取值方法。以目前比較典型的某品牌電池包為例，單個(gè)電池包的容量為13.5 kW·h，重量為130 kg，外形尺寸為700 mm×550 mm×330 mm，按15 kn航速下的續(xù)航力為4 h計(jì)算，推進(jìn)電池的容量、重量和體積分別為

式（3）～式（5）中：De為推進(jìn)電池的總?cè)萘?，kW·h；Qde為推進(jìn)電池的重量，t；de為單個(gè)電池包的容量，kW·h；λ為單個(gè)電池包的重量，kg；Vde為推進(jìn)電池的總體積，m3；Ve為單個(gè)電池包的體積，mm3。

在電池艙內(nèi)布置電池時(shí)，還需留出1.3節(jié)要求的空間，這些額外的空間占電池艙的比例與電池的總?cè)萘考捌洳贾糜嘘P(guān)，一般電池總?cè)萘吭叫?，占比越大，反之亦然。柴油艙只需考慮總計(jì)約1.25倍的風(fēng)浪系數(shù)、可利用系數(shù)和溫度膨脹系數(shù)等因素［9］。即使忽略其他差異，在相同的續(xù)航力需求下，電池對船舶排水量和艙容的需求仍為柴油的40倍以上。

船舶的航速和續(xù)航力與電池容量密切相關(guān)，電池的能量密度相比柴油非常低，過高的航速和續(xù)航力要求勢必占用船舶相當(dāng)大的排水量和艙容。

船舶排水量和艙容與船舶阻力和船舶有效功率需求是相輔相成的，船舶的有效功率直接決定其推進(jìn)功率，進(jìn)而決定電池容量。因此，對于純電池動(dòng)力船舶而言，在確定續(xù)航力指標(biāo)之前，應(yīng)根據(jù)船舶的用途、航區(qū)和充電條件等因素對其適宜性進(jìn)行必要的論證分析，根據(jù)任務(wù)需求與船舶在港和在航時(shí)間分布情況合理配置電池容量。

2.2 日用電力負(fù)荷取值

日用電力負(fù)荷為不包含推進(jìn)功率的電力負(fù)荷，按目標(biāo)船及與目標(biāo)船同等尺度公務(wù)船的設(shè)備配置要求，分別對航行狀態(tài)、進(jìn)出港狀態(tài)和停泊狀態(tài)3種狀態(tài)進(jìn)行估算，進(jìn)出港狀態(tài)功率需求最大，本文日用電力負(fù)荷取15 kW作為分析依據(jù)。

2.3 推進(jìn)功率電池容量配置需求分析

以日航行8 h，日充電2次，單次續(xù)航力4 h為例，根據(jù)船型阻力性能估算對不同航速下的推進(jìn)功率的需求，不同工況下的航速、推進(jìn)功率、電池容量和續(xù)航里程見表1，其中變工況/組合工況由15 kn航速下航行0.5 h，12 kn航速下航行1.5 h、10 kn航速下航行1.5 h和8 kn航速下航行0.5 h等4種工況組成。

表1 不同工況下4 h續(xù)航力的電池容量和續(xù)航里程

由表1可知，不同工況對電池容量的需求相差很大，但續(xù)航里程的差異相對較小。

根據(jù)2.1節(jié)的分析和對公務(wù)船工況特點(diǎn)及船型需求的研究，主要有巡航值班和緊急救助2種情形，前者最為常見，后者航行時(shí)間更短。以4 h的巡航值班為例，靠離碼頭時(shí)必定會(huì)低負(fù)荷運(yùn)行，且時(shí)間均不長；在值班航段，一般采用巡航工況航行，根據(jù)需要和駕駛習(xí)慣，以及水流情況等，負(fù)荷稍有波動(dòng)；偶爾會(huì)在滿負(fù)荷工況下機(jī)動(dòng)航行或糾察違規(guī)情況等。因此，本文推薦按變工況/組合工況配置電池，這樣比較符合實(shí)際的航行需求。

變工況/組合工況下的電池容量不到滿負(fù)荷工況的50%，續(xù)航里程相當(dāng)于滿負(fù)荷工況的75%，與巡航工況下的續(xù)航力相當(dāng)，具有更合理的續(xù)航力適宜性。因此，本文按920 kW·h的有效推進(jìn)電池容量作進(jìn)一步的研究分析。

2.4 電池總?cè)萘客扑]方案

純電池動(dòng)力船舶的電池和BMS（Battery Management System）包括推進(jìn)功率和日用電力2部分，根據(jù)2.2節(jié)和2.3節(jié)確定的數(shù)據(jù)，按4 h航行需求，不同百分比的放電續(xù)航力最大電池利用率所需電池容量為

式（6）～式（8）中：D85%、D90%和D95%分別為85%、90%和95%的放電百分比所需電池總?cè)萘?；De為推進(jìn)電池有效容量，kW·h，見第2.3節(jié)；Df為日用電力負(fù)荷有效電池容量，kW·h，見第2.2節(jié)。

以典型的13.5 kW·h電池包為例，以90%報(bào)警點(diǎn)電池容量需求為基礎(chǔ)，綜合考慮2.1節(jié)的分析，并計(jì)及電池在使用過程中的容量衰減，推薦安裝78個(gè)電池包，容量共計(jì)1 053 kW·h。根據(jù)法規(guī)和規(guī)范的要求，將78個(gè)電池包分為2組，每組1套BMS電池管理盒，2組電池包由1套直流配電板統(tǒng)一管理；同時(shí)，將每組電池包分為3簇，每簇13個(gè)電池包，分別由1套高壓箱接入BMS電池管理盒和直流配電板。

3 續(xù)航力經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)第2.1節(jié)和2.2節(jié)的分析，推進(jìn)功率為2×250 kW，日用電功率為15 kW，以此為基礎(chǔ)，對純電池動(dòng)力船舶和傳統(tǒng)柴油動(dòng)力船舶的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

3.1 按柴油動(dòng)力估算

取每臺(tái)主柴油機(jī)的額定功率為250 kW，每臺(tái)日用功率為15 kW的發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)按額定功率18 kW計(jì)算，日平均航行時(shí)間按變工況折算成滿負(fù)荷4 h計(jì)，主機(jī)和發(fā)電機(jī)組裝船成本及運(yùn)營用油成本估算結(jié)果見表2。

表2 主機(jī)和發(fā)電機(jī)組裝船成本及運(yùn)營用油成本估算結(jié)果

3.2 按電池動(dòng)力估算

忽略其他影響因素，取推進(jìn)電機(jī)功率為2×250 kW，日用功率為15 kW，其他參數(shù)同上，純電池動(dòng)力裝船成本及運(yùn)營用電成本估算結(jié)果見表3。

表3 純電池動(dòng)力裝船成本及運(yùn)營用電成本估算

3.3 按推薦電池更換周期對比分析

據(jù)目前的調(diào)研結(jié)果，一般要求電池約在5 a后更換，下面按周期為5 a進(jìn)行對比分析。

根據(jù)第3.1節(jié)和3.2節(jié)的估算，純電池動(dòng)力的初投資成本相比柴油動(dòng)力增加約73.54萬元，年?duì)I運(yùn)成本相比柴油動(dòng)力減少約56.64萬元，5 a合計(jì)節(jié)省營運(yùn)成本約283.20萬元。

因此，在第1個(gè)5 a周期內(nèi)，純電池動(dòng)力船舶相比柴油動(dòng)力船舶，在目前的市場行情下具有明顯的綜合成本優(yōu)勢。

不計(jì)電池技術(shù)發(fā)展及柴油機(jī)大修成本，僅按上述數(shù)據(jù)計(jì)算，以后每5 a更換1次電池需投入的成本約為140萬元，而柴油動(dòng)力船舶無更換投入。計(jì)及節(jié)約的營運(yùn)成本，以后每隔5 a，純電池動(dòng)力船舶的綜合成本相較柴油動(dòng)力船舶，仍具有一定優(yōu)勢。

隨著電池技術(shù)逐漸成熟，并得到廣泛應(yīng)用，電池成本會(huì)下降，電池有效使用壽命會(huì)延長；隨著碼頭或躉船電網(wǎng)改造升級(jí)［10］，電池動(dòng)力船舶的數(shù)量增加，充電電價(jià)會(huì)下降或是微幅上漲；我國電價(jià)放開范圍擴(kuò)大以后，在國家政策的引導(dǎo)下，岸電價(jià)格會(huì)進(jìn)一步下降［11-12］；相比而言，受石油能源減少和國際油價(jià)上升的影響，油價(jià)整體呈上升趨勢。因此，除了環(huán)保帶來的社會(huì)效益以外，未來純電池動(dòng)力船舶相對柴油動(dòng)力船舶的成本優(yōu)勢也將更加顯著。

4 結(jié) 語

通過分析計(jì)算，提出了符合續(xù)航力適宜性和經(jīng)濟(jì)性的電池容量計(jì)算方法，可指導(dǎo)解決純電池動(dòng)力船舶發(fā)展面臨的關(guān)鍵問題。該方法為基于公務(wù)船型得到的研究成果，其他船型可參考本文的思路進(jìn)行分析計(jì)算。在研發(fā)設(shè)計(jì)純電池動(dòng)力船舶時(shí)，不能像柴油動(dòng)力船舶那樣完全按理論計(jì)算方法簡單計(jì)算電池容量，而應(yīng)首先對船舶的實(shí)際用途、航行工況分配和航區(qū)充電條件等影響續(xù)航力的因素進(jìn)行充分調(diào)研和分析，按本文所述方法有針對性地分段確定電池容量計(jì)算依據(jù)，只有如此才能通過計(jì)算配置合適的電池容量。