鋰電池電力推進系統(tǒng)在觀光游覽船上的應用

曾翠梅 羅芳

摘? ? 要：本文簡要介紹了鋰電池電力推進系統(tǒng)的主要特點及與傳統(tǒng)鉛酸電池推進系統(tǒng)的對比，重點介紹了鋰電池在觀光游覽船上作為推進動力電源的應用情況。

關鍵詞：觀光游覽船;電力推進;鋰電池

中圖分類號：U664.3? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： This paper introduces the main characteristics of lithium battery propulsion system， the comparison with the traditional lead-acid battery propulsion system and focuses on the application of lithium battery as propulsion power supply in the sightseeing ship.

Key words： Sightseeing ship; Electric propulsion; Lithium battery

1 前言

隨著內河、湖泊、水庫等旅游資源的開發(fā)，船舶動力系統(tǒng)排放的廢油、廢氣和噪聲所引發(fā)的水體、空氣、噪聲污染問題顯得日益嚴重，尤其是一些水庫還擔負著城市供水取水源的作用。因此，采用無污染、零排放的動力系統(tǒng)來代替柴油機作為船舶動力系統(tǒng)顯得十分重要和迫切。

作為無污染、零排放、低噪音的新能源船舶推進動力系統(tǒng)，普遍采用的是由光伏電池組成的太陽能動力系統(tǒng)和由鉛酸蓄電池組成的電池動力系統(tǒng)。

太陽能動力系統(tǒng)采用光伏電池將太陽光直接轉換為電能并產生動力。它需要在船舶上鋪設足夠數(shù)量的光伏薄膜電池，這對旅游船舶來說將大大占用室外空間，減少了旅客的室外活動場所。另一方面，由于光伏電池在受光發(fā)電時，發(fā)電量將隨光照強弱而變化，為保證船舶推進系統(tǒng)的穩(wěn)定性及在光照不足情況下仍能繼續(xù)推進，需與鉛酸蓄電池組相結合作為船舶推進動力系統(tǒng)，無形中又增加了成本和船舶重量。

為了解決上述問題，既要滿足無污染、零排放、低噪音的環(huán)保要求，又要增加船舶室外活動空間、減少由于電池重量的增加造成船舶運輸能力的損失，本文結合我司為桂林兩江四湖旅游有限責任公司設計、建造的漓江城市段五星級豪華觀光游船《漓江之夢》號，探討采用動力鋰電池組作為觀光游覽船舶推進電力系統(tǒng)的技術方案及特點。

2 鉛酸電池與鋰電池的比較

鋰電池作為一種新型電池，目前主要用于滿足手機、筆記本電腦、PDA等電子產品，近年也開始逐漸應用在新能源動力汽車上。相比傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，鋰電池具有額定電壓高、自放電率低、重量輕、綠色環(huán)保等優(yōu)點。鉛酸電池與鋰電池的比較，見表1。

由于鋰電池比鉛酸蓄電池在重量、體積、充放電特性及環(huán)保方面的優(yōu)勢，采用動力鋰電池及其管理系統(tǒng)組成的船舶電力推進系統(tǒng)，有助于改善船舶的整體性能，減少船舶重量帶來的運輸能力損失，因此我司在進行《漓江之夢》號方案設計時采用了鋰電池作為船舶的主要電力推進電源及全船日常用電電源。另外，根據漓江航段的特殊性及船東營運的要求，本船還配置了2臺柴油發(fā)電機組作為電力推進系統(tǒng)的備用及應急使用電源。

3 船舶主要參數(shù)

《漓江之夢》號五星級豪華觀光游覽船按內河C級航區(qū)設計，同時滿足漓江旅游客船法定檢驗規(guī)定的要求，為淺吃水平底雙隧道線型、首部采用U型縱流線型、尾部采用平底線型的全鋁合金船。船長30 m、型寬6 m、吃水0.5 m、水線以上總高不超過6.2 m、設計航速16 km/h、人均客艙面積不低于1.4 m2、旅客人數(shù)46人。全船的整體外觀采用簡約風格，內部裝修按五星級標準（見圖1、2、3）。

4 鋰電池電力推進系統(tǒng)

根據該船的續(xù)航力要求，配置了4組DC537.6V、180Ah的鋰電池組作為全船的推進及日常用電電源，供船上2臺交流變頻推進電機用電的同時，還能滿足船上包括空調、照明、廚房設備等的日常用電需求。

鋰電池采用中航鋰電（洛陽）有限公司生產的鋰離子電池，單個電池容量為DC3.2V、180 Ah，每組鋰電池組由若干個單體電池串聯(lián)組合成DC537.6V、180 Ah?？紤]鋰電池在艙內的安裝和接線，鋰電池采用模塊箱的形式進行安裝，每個模塊箱由14個單體鋰電池組成單層模塊箱或由28個單體鋰電池組成雙層模塊箱，每個模塊箱內集成了電池管理系統(tǒng)（BMS）、火災探測裝置、溫度傳感器及控制裝置，電池箱與電池箱之間采用航空接插件進行連接。

推進控制系統(tǒng)、全船配電系統(tǒng)、充放電系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)以及全船監(jiān)控報警系統(tǒng)由中船重工遠舟（北京）科技有限公司集成配套供應。主要工作原理如下：

（1）推進控制系統(tǒng)

實現(xiàn)對船舶推進系統(tǒng)的管控、對推進系統(tǒng)的運行操作及基本參數(shù)（如工作電壓、電流、功率等數(shù)據）的設置和數(shù)據的采集。

（2）配電系統(tǒng)

實現(xiàn)對四組鋰電池組和兩臺發(fā)電機組的能量調度，實現(xiàn)電池組之間、電池組與發(fā)電機組之間的無縫切換供電。系統(tǒng)具有自動運行式和手動運行兩種模式：①在自動模式下，配電系統(tǒng)對全船的供電系統(tǒng)進行自動管理，根據鋰電池組的數(shù)量、狀態(tài)及負載情況，自動進行加載/卸載鋰電池組數(shù)量、發(fā)電機組臺數(shù);當任一鋰電池組剩余電量≤15%時系統(tǒng)發(fā)出報警信號，當剩余電量≤11%時系統(tǒng)自動將負載轉移到其它鋰電池組并自動卸去該組鋰電池組;當檢測到運行的鋰電池組剩余電量不能夠滿足推進和船上日常用電需求時，系統(tǒng)將自動起動備用發(fā)電機組并入電網供電，將負載從鋰電池組轉移至發(fā)電機組供電，并自動卸去該組鋰電池組;② 在手動模式下，鋰電池組和發(fā)電機組的加載/卸載需由操作人員在主配電板上的相應控制面板上進行手動操作。

（3）充放電系統(tǒng)

實現(xiàn)鋰電池組的充電和放電功能。本船采用雙向DC/DC整流單元，通過操作配電板上的充電-0-放電轉換開關對鋰電池組進行充電或者放電。鋰電池組的充電可由岸電或船上發(fā)電機組進行，所有電池組的充放電狀態(tài)、充放電電流均可在配電板或駕控臺上的電池管理系統(tǒng)顯控終端上進行監(jiān)控和管理。

（4）電池管理系統(tǒng)

實現(xiàn)對全船鋰電池的監(jiān)控和管理.具備對鋰電池充電系統(tǒng)的管理功能，包括：① 基本充電參數(shù)的設置、充電數(shù)據的實時采集，以及每個電池的溫度、電壓、電流等參數(shù)的監(jiān)控和管理;② 對電池組進行集中智能管理，實時掌握電池組的運行狀況，包括每組電池組的剩余電量顯示、運行溫度顯示、充放電電流大小顯示及監(jiān)控，確保系統(tǒng)安全、可靠運行。

（5）全船監(jiān)控報警系統(tǒng)

實現(xiàn)對全船推進系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、重要設備、艙柜液位、底艙進水報警等參數(shù)進行實時采集，并上傳至駕駛室的顯控終端，使船上工作人員能夠集中掌握全船設備的運行狀態(tài)，實時了解每個設備的運行情況。

5 鋰電池電力推進系統(tǒng)的優(yōu)點

由鋰電池組成的電力推進系統(tǒng)是一種比較先進的船舶推進方式，符合國家節(jié)能減排的環(huán)保要求。對于航行于沿海、江河上的觀光游覽船非常適合，此類游覽船通常營運時間較短、航線固定、航速要求一般在≤10 kn、對排放、噪音均有比較高的要求。

鋰電池電力推進系統(tǒng)的優(yōu)點主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）環(huán)保節(jié)能，可有效提高船舶推進系統(tǒng)運行的環(huán)保性和經濟性。全船鋰電池組和發(fā)電機組組成一個公共電站，電站管理系統(tǒng)根據不同的航行狀態(tài)控制不同數(shù)量的鋰電池組或發(fā)電機組投入工作供電，提供與船舶相應航速的推進功率和生活用電需要匹配的功率，只有當鋰電池組的容量不足以滿足推進和生活用電需求的情況下才起動備用發(fā)電機組投入電站進行供電，使各個工作狀態(tài)下運行的鋰電池組或發(fā)電機組始終保持在一個較高的負荷率;

（2）明顯減少噪聲和振動，有效提高船舶的舒適性。與傳統(tǒng)的柴油機驅動推進方式相比，鋰電池和柴油發(fā)電機混合電力推進方式，只存在推進電機與軸系和船體的聯(lián)結，鋰電池組和柴油發(fā)電機組與軸系和船體均無直接聯(lián)結，大大減少了振動和噪聲。同時，在設計時可以事先考慮使鋰電池組和柴油發(fā)電機組的安裝盡量遠離船舶結構的共振點，減少因推進系統(tǒng)運轉引起船舶共振的可能性;

（3）提高了船舶動力裝置的可靠性。推進系統(tǒng)采用4組鋰電池組和2臺備用柴油發(fā)電機組，即使個別鋰電池組容量不足或發(fā)生故障也不至于喪失船舶全部動力，仍能保證船舶的正常航行，提高了安全性;

（4）提高動力設備布置的靈活性，有利于船舶總體布置。電力推進系統(tǒng)的鋰電池組和備用柴油發(fā)電機組可以分散布置，使動力裝置安排更加合理，從而優(yōu)化船舶總體布置，合理節(jié)省有效空間。同時，與相同容量的鉛酸蓄電池相比，采用鋰電池組作為電力推進電源可比相同容量的鉛酸蓄電池組重量減少約5.35 t、體積減少約20%，不但節(jié)省了安裝空間，在相同航速下還可大大節(jié)省電機推進功率;

（5）解決了采用太陽能光伏電池作為動力推進系統(tǒng)時由于受光照不足影響全船發(fā)電量，以及影響游客室外活動空間的問題。鋰電池電力推進系統(tǒng)將鋰電池和所有相關設備均安裝在底艙和配電間，除有利于船舶的穩(wěn)性外，還能將所有的室外空間作為游客的觀光平臺。

鋰電池作為新能源推進動力電池應用在漓江城市段五星級豪華觀光游船上，通過實船試航及運營驗證，滿足了無污染、零排放、低噪音的環(huán)保要求。從試航測量的噪音數(shù)據為：推進機艙為80.1 dB、主甲板客艙為63.5 dB、上甲板客艙為58.8 db，遠低于船舶規(guī)范及桂林市五星級游船標準中要求的噪音水平，船東對該船整體性能感到滿意。

6 結語

基于國家和地方政府對海上運輸、內陸江河、湖泊等的環(huán)保要求越來越高，新能源的船舶電力推進系統(tǒng)技術日趨成熟，無污染、零排放、低噪音的鋰電池在觀光游覽船上作為推進動力電源的應用，必將越來越廣泛。

參考文獻

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[2]中宇鋰電.磷酸鐵鋰電池對比鉛酸電池優(yōu)勢簡介.2012.