純電池動力船舶續(xù)航力適宜性與經(jīng)濟性研究

蔡旭雯，譚祖勝，夏 軍，吳放明，韓 莉

（1.武漢易華船舶設計有限公司，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學船海與能源動力工程學院，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，國家主席習近平在國際氣候雄心峰會上發(fā)表了題為《繼往開來，開啟全球應對氣候變化新征程》的重要講話，宣布國家自主貢獻一系列新舉措，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的比例將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億m3，風電和太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億kW以上，力爭在2030年之前使二氧化碳排放達到峰值，在2060年之前實現(xiàn)碳中和，為綠色發(fā)展訂立了新目標。

船舶能源結構改革經(jīng)過近幾年的實施取得了關鍵性進步，以磷酸鐵鋰電池為能源的純電池動力船舶得到了迅速發(fā)展［1］，我國船級社規(guī)范和海事局法規(guī)的研究成果對該類船舶的發(fā)展起到了引領和指導作用，從設計、建造和檢驗等多個方面對磷酸鐵鋰電池在船上的應用作出了明確的規(guī)定［2-3］。

與傳統(tǒng)的柴油動力船舶相比，純電池動力船舶具有便于維修、振動和噪聲小、污染物排放少和環(huán)保性能好等優(yōu)點，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%）、投資和營運經(jīng)濟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用面臨著一定的困難，在一定程度上限制了純電池動力船舶的發(fā)展。

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

1 純電池動力系統(tǒng)方案分析

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

1.1 電力系統(tǒng)方案

采用純電池提供船舶動力，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備供電，通過逆變器向推進電機供電［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)簇數(shù)［2-3，7-8］。

電池分簇數(shù)量根據(jù)技術可行性、系統(tǒng)復雜性和可靠性及性價比等因素確定。若將電池分為2簇，則當單個電池簇發(fā)生故障時會失去50%的動力，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，但故障點較多，性價比較低；若將電池分為4簇、6簇或8簇，則系統(tǒng)的可靠性較好，故障點較少，性價比較高。

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

1.2 機艙布置與機艙容積

電池艙內不得布置與電池無關的設備［2-3］，因此純電池動力船舶需設置機艙。

一般柴油動力船舶機艙內布置的主柴油機、柴油發(fā)電機組、日用油柜、燃油泵和水泵及相應的管系、變壓器、主配電板和電纜等，由純電池動力船舶機艙內布置的推進電機、直流配電板、交流配電板、隔離變壓器、電力變壓器、推進變頻器、制動電阻箱、水冷柜及相應的管系、控制箱和電纜等替代。在純電池動力船舶機艙內的設備中，除了電機和變壓器等設備與柴油機的體積緊湊程度相當，考慮到電器元件的安裝和散熱等要求，其他設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)本文研究項目的實際布置對比情況，純電池動力船舶的機艙在滿足設備間距要求，且其布置相對更緊湊的情況下，其容積與柴油動力船舶相當，設備的總重量略大于柴油動力船舶。

1.3 電池安裝要求與電池艙容積

在設計電池系統(tǒng)時，需從電池管理、電池散熱、電池維護空間和環(huán)流影響等方面綜合考慮，我國海事局法規(guī)和船級社規(guī)范也有嚴格的規(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構關系的要求，對電池艙的脫險與維護通道的要求，對電池艙的通風與消防的要求，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容量所占體積，亦即電池艙的容積系數(shù)較大［9］。

1.4 綜合分析

純電池動力船舶的機艙容積和機艙設備總重量與柴油動力船舶相當。

基于系統(tǒng)的可靠性、安全性和維護便利性等方面的要求，純電池動力系統(tǒng)均具有一定的復雜度，其單位電池容量對安裝、運行和維護空間的要求也較高，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)和用船需求的調研結果，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。

設計航速取不小于15 kn，根據(jù)阻力性能估算結果，采用2臺推進主機，每臺推進主機的功率約為250 kW。下面僅以推進功率為例探討開展續(xù)航力適宜性分析的必要性。

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

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

目前還沒有相關理論可用來指導純電池動力船舶電池容量的計算，一般在設計純電池動力船舶時參考柴油動力船舶燃油貯存量計算公式和相關變量的取值方法。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計算，推進電池的容量、重量和體積分別為

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

在電池艙內布置電池時，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容量及其布置有關，一般電池總容量越小，占比越大，反之亦然。柴油艙只需考慮總計約1.25倍的風浪系數(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，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功率，進而決定電池容量。因此，對于純電池動力船舶而言，在確定續(xù)航力指標之前，應根據(jù)船舶的用途、航區(qū)和充電條件等因素對其適宜性進行必要的論證分析，根據(jù)任務需求與船舶在港和在航時間分布情況合理配置電池容量。

2.2 日用電力負荷取值

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

2.3 推進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功率的需求，不同工況下的航速、推進功率、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)的分析和對公務船工況特點及船型需求的研究，主要有巡航值班和緊急救助2種情形，前者最為常見，后者航行時間更短。以4 h的巡航值班為例，靠離碼頭時必定會低負荷運行，且時間均不長；在值班航段，一般采用巡航工況航行，根據(jù)需要和駕駛習慣，以及水流情況等，負荷稍有波動；偶爾會在滿負荷工況下機動航行或糾察違規(guī)情況等。因此，本文推薦按變工況/組合工況配置電池，這樣比較符合實際的航行需求。

變工況/組合工況下的電池容量不到滿負荷工況的50%，續(xù)航里程相當于滿負荷工況的75%，與巡航工況下的續(xù)航力相當，具有更合理的續(xù)航力適宜性。因此，本文按920 kW·h的有效推進電池容量作進一步的研究分析。

2.4 電池總容量推薦方案

純電池動力船舶的電池和BMS（Battery Management System）包括推進功率和日用電力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容量；De為推進電池有效容量，kW·h，見第2.3節(jié)；Df為日用電力負荷有效電池容量，kW·h，見第2.2節(jié)。

以典型的13.5 kW·h電池包為例，以90%報警點電池容量需求為基礎，綜合考慮2.1節(jié)的分析，并計及電池在使用過程中的容量衰減，推薦安裝78個電池包，容量共計1 053 kW·h。根據(jù)法規(guī)和規(guī)范的要求，將78個電池包分為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，將每組電池包分為3簇，每簇13個電池包，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)濟性分析

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

3.1 按柴油動力估算

取每臺主柴油機的額定功率為250 kW，每臺日用功率為15 kW的發(fā)電機組柴油機按額定功率18 kW計算，日平均航行時間按變工況折算成滿負荷4 h計，主機和發(fā)電機組裝船成本及運營用油成本估算結果見表2。

表2 主機和發(fā)電機組裝船成本及運營用油成本估算結果

3.2 按電池動力估算

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

表3 純電池動力裝船成本及運營用電成本估算

3.3 按推薦電池更換周期對比分析

據(jù)目前的調研結果，一般要求電池約在5 a后更換，下面按周期為5 a進行對比分析。

根據(jù)第3.1節(jié)和3.2節(jié)的估算，純電池動力的初投資成本相比柴油動力增加約73.54萬元，年營運成本相比柴油動力減少約56.64萬元，5 a合計節(jié)省營運成本約283.20萬元。

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

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

隨著電池技術逐漸成熟，并得到廣泛應用，電池成本會下降，電池有效使用壽命會延長；隨著碼頭或躉船電網(wǎng)改造升級［10］，電池動力船舶的數(shù)量增加，充電電價會下降或是微幅上漲；我國電價放開范圍擴大以后，在國家政策的引導下，岸電價格會進一步下降［11-12］；相比而言，受石油能源減少和國際油價上升的影響，油價整體呈上升趨勢。因此，除了環(huán)保帶來的社會效益以外，未來純電池動力船舶相對柴油動力船舶的成本優(yōu)勢也將更加顯著。

4 結 語

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