純電池動力珠江內(nèi)河游覽船電池系統(tǒng)設計及應用

摘" " 要：為推進實現(xiàn)“雙碳”目標，近年來，粵港澳大灣區(qū)內(nèi)河流域有序開展了新能源和清潔能源船舶的示范應用。本文以某型珠江純電池動力客船為例，闡述了珠江內(nèi)河游覽船的典型特點以及船用動力電池系統(tǒng)設計及應用情況，可為內(nèi)河游覽船電池動力的應用提供借鑒與參考。

關鍵詞：珠江內(nèi)河；游覽船；純電池動力；電池系統(tǒng)

中圖分類號：U665.1" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Design and Application of Battery System for Pure Battery Powered Pearl River Cruise Boat

SHU Zhongwang1，" WEI Chengliang2

（ 1.Guangzhou Marine Technology Co.，Ltd.，" Guangzhou 511458;" 2.Guangzhou Marine Engineering Corporation，" Guangzhou 510250 ）

Abstract： In order to promote implementation of the \"Double Carbon\" goal， in recent years， demonstration applications of new energy and clean energy vessels have been carried out in an orderly manner in the inner river basins of the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area. This paper takes a pure battery powered passenger ship navigating on the Pearl River as an example， expounds the typical characteristics of the inland river cruise ships on the Pearl River as well as the design and application of the marine power battery system， which can provide reference for the application of battery power on the river cruise ships.

Key words： Pearl River;" cruise ship;" pure battery power;" battery system

1" " "引言

珠江是中國的第二大河流，境內(nèi)第三長河流?！扒嗲喟自粕?， 悠悠珠江水”，孕育著花城廣州這座依山傍水的美麗城市。交通運輸部海事局于2020年6月下發(fā)了《關于推進海事服務粵港澳大灣區(qū)發(fā)展的意見》，意見提出要積極促進粵港澳大灣區(qū)航運綠色發(fā)展，全面開展船舶大氣污染防治工作，推進電池動力等船舶應用，促進船舶節(jié)能減排。

鋰離子電池作為一種清潔、高效、低噪聲、可循環(huán)使用的新型動力源，可實現(xiàn)船舶零排放、零污染，已成為行業(yè)內(nèi)關注的焦點之一。當前，鋰離子電池類型眾多，各類型電池因其性能、體積、重量、壽命、工作溫度、環(huán)保性、安全性等技術(shù)特征，應用場景也存在較大差別。伴隨電動汽車動力電池技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)船舶逐漸開展了以磷酸鐵鋰電池為新型動力船舶的研發(fā)。本文以某型珠江純電池動力客船（下稱：本船）為例，闡述了珠江內(nèi)河游覽船船型典型特點以及船用動力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、技術(shù)參數(shù)、總體布置等設計及應用情況，可為內(nèi)河游覽船電池動力的應用提供借鑒與參考。

2" " "純電池動力珠江內(nèi)河游覽船的特點

珠江內(nèi)河游覽觀光，特別是珠江夜游，已成為廣州的城市窗口之一。作為觀賞廣州市內(nèi)河江景的最主要水上交通工具，純電池動力珠江內(nèi)河游覽船的設計有別于一般運輸船舶，在船舶主尺度、游客舒適性、營運航程等方面具有顯著特點。

在船舶主尺度上，受珠江夜游航線通航凈空高度、凈空寬度、靠泊碼頭條件、船舶艙室布置等因素影響，純電池動力珠江內(nèi)河游覽船主力船型[1]的總長在42.5～54.5 m之間，型寬在9.6～16 m之間，滿載吃水在1.6～2.5" m之間。在游客舒適性上，純電池動力珠江內(nèi)河游覽船一方面上層建筑客艙區(qū)域通常采用大面積玻璃，室內(nèi)通透明亮，采光效果好，以達到旅客視野廣闊，體感舒適的目標；另一方面采用基于全回轉(zhuǎn)舵槳的新型電力推進裝置，可大大降低推進裝置運行時產(chǎn)生的振動和噪音。在營運航速航程上，純電池動力珠江內(nèi)河游覽船航程通常在50 km～100 km之間，最大航速在10節(jié)左右，以保證每天連續(xù)運營時間要求。

3" " 船用動力電池系統(tǒng)設計要點

3.1" "概況

本船主要功能用途為提供江景游覽、娛樂餐飲、會議招待、婚禮、音樂舞會、年會等服務。船型為雙體船，主船體為鋼質(zhì)，主要布置船舶功能艙室；上建結(jié)構(gòu)為鋁合金材質(zhì)，分為兩層甲板，主要布置游客服務廳室。主要參數(shù)如下：

總" 長" " " " " " " " " " " " " " " " "39.32 m

片體寬" " " " " " " " " " " " " " " "3.70 m

設計航速" " " " " " " " " " " " " 10 kn

乘" " 客" " " " " " " " " " " " " " " "130人

推進裝置" " " " " " " " " " " " " 全回轉(zhuǎn)舵槳

主電源/推進電源" " " " "磷酸鐵鋰電池組

船級符號：

★ CSAD 雙體客船；A級航區(qū) 。

★ CSMD電池（動力）；綠色船舶-III；Z型推進裝置。

本船外形如圖1。

3.2" "動力電池的容量計算

純電池動力船舶具有用電工況多樣性的特點，動力電池容量計算時，須考慮不同航速及不同使用工況下的推進功率、非推進負荷功率的變化規(guī)律；以及水流流速、電池正常衰減、推進效率、充電頻次等影響因素；在保證經(jīng)濟性前提下，盡量預留20%以上的容量裕度，以保證動力電池始終工作在舒適的區(qū)間，最大限度地保證其工作安全和壽命。本船電力負荷計算見表1。

備注：表1中，設計電池總電量=航行工況電量+停泊工況電量，即293.3 kW×5 h+70.7 kW×1 h=1537.2 kW h。

通過電力負荷計算，經(jīng)綜合分析后，本船設置兩套蓄電池組，總電量為2 050 kWh（總電量=單電池簇電量×簇個數(shù)）。其中，每套蓄電池組的容量能滿足《純電池動力船舶檢驗指南》中維持船舶安全所必須的用電設備至少4 h的供電的要求，兩套蓄電池總能量可滿足本船在7 kn經(jīng)濟航速下續(xù)航時間不小于6 h。

3.3" "船用動力電池系統(tǒng)集成設計

船用動力電池系統(tǒng)是采用串并聯(lián)方式由單體電池（電芯）經(jīng)電池包、電池簇、高壓箱等主要單元組合而成，具有裝船容量大（電芯單體數(shù)量通常數(shù)千以上）、模塊化組成結(jié)構(gòu)及非標化布局等特點。為此，需在全船電力負荷計算基礎上開展單體電池、電池包、電池簇等電池系統(tǒng)模塊化設計，以保證船上用電設備正常運行。

1）單體電池

用作動力源的鋰離子電池，按電芯材料分類，主要有三元鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等幾種，當前船用動力電池主流應用為磷酸鐵鋰電芯。本船單體電池額定容量為271 Ah，標稱電壓為3.22 V。

2）電池包

由于電池單體的容量小，電壓低，通常采用一個以上的單體電芯按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并混聯(lián)方式組合成電池模塊。多個電池模塊再按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并混聯(lián)方式組合成電池包。電池包一般包括蓄電池模塊、電池模塊連接排、電池包箱體、銘牌、防護液體、電池包管理單元、電池連接排、正負輸出接口、泄壓閥、通訊接口、密封橡膠圈等組件。 按規(guī)范及產(chǎn)品標準有關要求，電池包需進行外殼、防護等級、防爆等成組設計，本船電池包額定容量為10.47 kWh，額定電壓為DC38.4 V。

3）電池簇

多電池包采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并混聯(lián)方式組合，并與高壓箱一起組成電池簇。高壓箱由電池管理單元、熔斷器、繼電器、二極管、霍爾傳感器、動力插座和通訊插座組成，具有電壓檢測、串聯(lián)回路電流檢測、絕緣檢測、環(huán)境溫度測量以及與電池簇、外部系統(tǒng)通訊等功能。 按規(guī)范及產(chǎn)品標準有關要求，電池簇需進行高壓箱、電池架、簇電壓及溫度采集等成組設計，本船電池簇由 14 個電池包、1 個高壓箱、4 個電池架、動力電纜、通訊電纜等組成，電池簇外形見圖 2。

電池簇額定容量為145.7 kWh，額定電壓為DC537.6 V。

4）電池系統(tǒng)

多個電池簇組合成電池系統(tǒng)。本船電池系統(tǒng)共由14個電池簇組成，左右舷電池系統(tǒng)各由7簇組成，每舷電池系統(tǒng)額定容量為 1 025 kWh。電池系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。電池系統(tǒng)額定容量為2 050 kWh，額定電壓為DC537.6 V。

5）電池管理系統(tǒng)

為防止電池出現(xiàn)過充、過放、過流、過溫等問題，在充放電過程中須實時跟蹤監(jiān)測電池的健康狀況數(shù)據(jù)，以保障電池系統(tǒng)安全可靠的運行，因此，動力電池系統(tǒng)需配置電池管理系統(tǒng)（BMS）。電池管理系統(tǒng)一般采用三級架構(gòu)設計，主要組成單元包括BMS采集單元（BCU）、BMS簇管理單元（BCMU）、BMS域管理單元（BAMU）。一般BCU和電池包為一個整體，作用為采集電池的電壓和溫度并上傳數(shù)據(jù)；BCMU和高壓箱為一個整體，作為完成BMS主機的基本功能和接受三級主控的并聯(lián)上下線管理；BAMU和與管理盒為一個整體，作用為完成三級架構(gòu)系統(tǒng)的并聯(lián)控制決策和對外匯總通訊。本船左舷電池管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖見圖4。

BMS功能要求如表2所示。

3.4" "船用動力電池綜合布置設計

磷酸鐵鋰電池因其高能量密度及采用有機易燃電解液，當發(fā)生意外時會引發(fā)熱失控，引起事故。同時，受電池裝船總存儲能量、船舶主尺度、船舶穩(wěn)性、人員脫險等因素的影響，動力電池在船上布置安裝時要充分考慮以下幾點。

1）動力電池的安裝形式

通常，動力電池裝船總存儲能量越大，安全風險等級也越高。按《純電池動力船舶檢驗指南》要求，裝船總存儲能量大于20 kWh的蓄電池應安裝在專用蓄電池艙或開敞甲板上的蓄電池箱柜中；裝船總存儲能量等于和小于20 kWh但大于2 kWh的蓄電池，可安裝在蓄電池箱柜中，并在保證箱柜使用環(huán)境的情況下，置于機艙中。

對于專用蓄電池艙，其與其他相鄰處所之間的艙壁和甲板應為 “A-60”級分隔結(jié)構(gòu)（其與空艙、衛(wèi)生間等無失火危險的處所相鄰時上述分隔可為“A-0”級）。

2）動力電池艙空間的大小

動力電池裝船總存儲能量越大，動力電池體積也越大。按《純電池動力船舶檢驗指南》要求，對于船長超過15 m長的船舶，若動力電池布置在船艙內(nèi)，應至少分設兩個專用艙室，且每個專用艙室內(nèi)電池總存儲能量不得大于2 000 kWh。此外，對于船長大于等于20 m的船舶，動力電池（柜/包）距艙壁的間距應不小于150 mm，距上方甲板的間距應不小于500 mm 。

此外，從安裝、維護等角度，動力電池艙內(nèi)應留有足夠的電池組檢修空間和檢修通道，并預留電池包等單元整體式吊艙口。

3）動力電池艙的位置

由于動力電池總存儲能量大，動力電池重量也大，對船舶結(jié)構(gòu)與穩(wěn)性存在較大的影響。為此，在設計過程中，應結(jié)合船型特點對動力電池艙的位置進行綜合考慮。通常，采用專用電池艙布置的船舶，動力電池艙優(yōu)先考慮在主甲板以下、船舯位置，且艙內(nèi)動力電池采用縱向安裝，以保證船舶具有良好的穩(wěn)性。此外，動力電池艙（柜/包）還應位于防撞艙壁以后的區(qū)域。所有和電池系統(tǒng)無關的管系、電纜及設備都不可以布置到電池艙中，電池艙也應避免和熱源及高危失火源緊挨，需提供獨立的電池艙消防系統(tǒng)[3]。

4）動力電池艙內(nèi)的人員脫險

當船舶發(fā)生火災或其他危險事故時，尤其是當電池艙內(nèi)出現(xiàn)險情時，由于電池引起火災的突發(fā)性強、傳導快的特點，設計過程中，需考慮為動力電池艙內(nèi)可能存在的檢修維護人員提供安全、快捷的脫險通道，以保證人員盡快逃生撤離。因此，動力電池艙需設有直接通向開敞甲板的出入口，且起居處所不應設置直接通向動力電池艙的門或其他開口。此外，對于人員可進入的動力電池艙，應至少設置1條脫險通道。

綜上，本船采用專用電池艙布置動力電池，其中1#～7#電池簇布置在左電池艙（如圖5所示），8#～14#電池簇布置在右電池艙，左右電池艙柜體采用對稱布置。

4" " 結(jié)論

電池動力船舶可以實現(xiàn)船舶污染氣體零排放，并具有能源高效利用、減振降噪等良好性能，是船舶動力未來重要發(fā)展方向之一。本船作為珠江內(nèi)河游覽船先行示范新型動力船舶之一，已成為珠江夜游一張新名片。珠江內(nèi)河游覽船電動化必將推動珠江生態(tài)健康發(fā)展和粵港澳大灣區(qū)休閑旅游創(chuàng)新升級，助力打造生態(tài)、綠色、環(huán)保的珠江游品牌，加速推進我國內(nèi)河綠色航運發(fā)展進入快車道。

目前，國內(nèi)電池動力船舶的發(fā)展尚處于起步階段[2]，鑒于動力電池的價格、能量密度、功率密度、安全性、充電設施等因素的制約，船舶電池系統(tǒng)電氣及機械安全性技術(shù)還需進一步研究以及示范應用探索，現(xiàn)階段無法滿足電池動力船舶大型化、長續(xù)航等應用場景的需求。

參考文獻

[1] 陸茵.廣州珠江游游船船型現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].珠江水運， 2019 （ 12 ） ："""73-74.

[2] 卞良浩.電池動力小型旅游渡船的應用探討[J].青島遠洋船員職業(yè)學"院學報， 2021， 42 （ 1 ） ：" 38-43.

[3] 季信一.動力電池組在船舶電站上的設計應用[J].船海工程， 2019 （ 7 ） ："""314-315， 319.

[4] 純電池動力船舶檢驗指南[S].北京： 中國船級社， 2019.