新能源内河船舶动力蓄电池发展研究

新能源内河船舶动力蓄电池发展研究

容族泉

广东凯力船艇股份有限公司        523000

摘要：绿色可持续发展战略对于我国内河船舶动力蓄电池提出更高要求。未来我国新能源内河船舶将会逐渐向着绿色化、智能化方向发展。为促进我国新能源内河船舶行业的转型升级，需要利用电力系统的优化升级，提高我国新能源内河船舶动力蓄电池系统。本文以笔者曾参与设计建造的珠江公主号纯电动力游船项目为例，分析国外内河船舶新能源动力蓄电池发展趋势，探究新能源内河船舶性能动力蓄电池系统发展的技术要点，以期为我国内河船舶动力系统的高质量发展提供参考。

关键词：新能源；内河船舶；动力；蓄电池

引言：传统的内河船舶的动力系统在运行过程中将会产生大量的二氧化碳、烟尘等污染物，对于我国生态环境产生不利影响。新能源内河船舶动力蓄电池发展，将会采用纯电池动力，替代原有的动力系统，保证内河船舶运行过程中不会产生大量的污染物，促进我国内河船舶的绿色化转型升级。因此，我国内河船舶的纯电池动力系统将会成为船舶动力系统发展的主旋律。相关企业及技术部门应该加大对于新能源内河船舶动力系统的研究力度，提高其绿色化水平。

一、国内内河电力推进船舶发展案例

笔者曾参与多次新能源船舶的设计和建造项目，例如，300客位新能源观光游览船设计建造、380客位纯电动力客船设计建造、400客位客货船设计及建造等项目。本文笔者将简要介绍2020年10月至2021年7月参与设计和建造的珠江公主号纯电动力游船项目。

珠江公主号纯电动力游船推进系统布置在船舶尾部。推进装置采用电机推动，电机电源来源于电池舱。本船设计有冷却水系统，压缩空气系统，舱底水系统，消防系统，七氟丙烷灭火系统，生活污水处理装置，全船通风系统，空调系统，全船供水系统，全船生活污水管系，液压帆杆系统等等。笔者主要负责轮机及管系系统调试及报验，技术澄清、功能演示，设备调试故障排查，计划安排等。在试航期间，几乎全天候的调试工作，完成了推进电机负荷试验，航速测试，舵桨定置试验，并且以1天的高效率、高质量地完成船舶试航工作。

珠江公主号纯电动力游船的设计与建造对于我国新能源内河船舶的绿色化发展具有里程碑式的意义。未来我国内河船舶的动力系统也逐渐将向着纯电动力系统方向转型，保证我国生态环境的绿色可持续发展。

二、国外内河船舶新能源动力蓄电池发展趋势

目前，国外的内河船舶动力系统的主要形式已经是电力系统。利用直流电力和回转舵桨构建出组合动力系统，满足内河船舶运行的动力需求[1]。随着经济全球化发展，碳中和等理念的提出，电动船舶市场迎来了发展的黄金时期。电动船舶主要可以分为三类，即纯电动、柴油混合动力、燃料电池电动船舶。但是，相较而言，纯电动船舶和燃料电池电动船舶的技术成熟度不足，国外的电动船舶公司对于这两类电动船舶还处于试验阶段。电动船舶的主要市场还是以柴油混合动力船舶为主。这种电动船舶虽然相比于传统的内河船舶而言，环境污染程度有所缓解，但仍具有较强的环境污染性[2]。

全回转舵桨等设备的运用，对于内河船舶的操纵性水平起到绝对的促进作用。以莱茵河-多瑙河的河流船舶尺度的大型化发展为例，全回转舵桨等设备的使用在满足航道通航船舶尺度的大型化发展的同时，提高了船舶的回转性能，促进了该航道的河流船舶机舱布局的高质量发展，扩大了该航道内河船舶的可利用空间。

内河船舶的电动推进技术不但能够提高内河船舶的可操纵性，还能够提高内河船舶的综合性能。电动推进技术的使用将会降低内河船舶运行过程中的振动噪音，延伸船舱的内部空间，提高内河船舶的运行过程中的舒适性[3]。

现阶段，我国国内的内河船舶电池动力系统的关键技术是动力电池和电力推进的直流组网技术。因此，借鉴国外内河船舶新能源动力蓄电池发展经验，利用直流推进和全回转舵桨的组合模式，对于我国国内的内河船舶电力推进的直流组网技术进行优化升级，为动力电池的高质量发展奠定基础。

三、内河船舶新能源动力蓄电池系统技术要点

（一）新能源动力内河船舶的主要配置

为了促进我国内河船舶运行过程中实现零排放这一目标，需要在内河船舶的动力源系统上进行调整。传统的柴油混合动力船舶的污染物排放量较大，环境污染能力较强。因此，可以采用动力蓄电池系统，对于内河新能源船舶技术的电力推进技术进行优化升级，将动力蓄电池作为船舶电力推进的源能量，打破传统机械推进的技术束缚，如图1所示[4]。

新能源动力内河船舶的主要配置主要包括七大系统，即储能、电池消防、配电、推进、定制化充电、船舶自动化、远程信息化及附加功能。

新能源动力内河船舶的储能系统主要是负责满足船舶的动力性需求，利用两套处于独立状态的动力蓄电池组（磷酸铁锂动力蓄电池），为新能源动力内河船舶的推进系统、信息化系统、日常服务系统等提高电力资源，保证船舶的运行安全。在动力蓄电池选择过程中，需要满足我国CCS（中国船级社）对于动力电池的管理标准，保证动力蓄电池的安全性的前提下，选取能力密度较为合理，且便于操作的动力蓄电池。一旦动力蓄电池在工作过程中出现热失控等问题，相邻的动力蓄电池模块不会受到干扰，依旧能够正常运行。

新能源动力内河船舶的电池消防系统主要是负责电池组的运行安全管控工作。电池消防系统主要是利用电池舱消防管控模式，对于舱内保护区域进行划分，一般情况下会划分为两个保护区域，并在每个保护区域内设置一套独立式的七氟丙烷灭火系统。一旦动力电池组工作过程中出现故障问题引发火灾时，该系统会自动被触发进行灭火处理，保证电池组运行安全。

新能源动力内河船舶的配电系统主要是负责船舶的直流组网、能量回馈等设计工作。利用双向直流转直流电源、整流器、回馈变频器等装置，提高船舶配电系统的电力供应线路的运行安全。

新能源动力内河船舶的推进系统主要是利用直推轴系统和永磁推进电机等装置，结合配套的交流变频电动机的驱动需求，将POD（吊舱）推进器、永磁推进电机、船舶的螺旋桨等组合在一起，实现集成推进和操控的一体化发展。

新能源动力内河船舶的定制化充电系统是利用岸电接入箱，在船舶充电过程中出现的短路、过载等问题进行有针对性地处理。同时对于充电过程中的相序问题进行自动转换，保证船舶充电过程中船舶的电源处于切断状态。并且，利用远程运维保护系统，进行船舶自动化检测，制定个性化的船舶充电方案，保证定制化充电系统运行安全。

新能源动力内河船舶的船舶自动化系统内含智能机舱、物联网等技术。其主推进自动化控制系统中包含全触屏控制面板、推进模式选择模块、电池系统监控、参数设置等功能。利用较高性能的可编程逻辑控制系统，对船舶自动化系统进行实时监测以及风险预警。并将风险预警信息在人机交互界面进行显示。

新能源动力内河船舶的远程信息化及附加功能主要由岸基远程控制系统负责，利用船舶运行过程中的专业化系统，进行船舶运行重要数据收集，并建立三维模型，帮助船舶远程系统控制人员及时掌握船舶运行信息，并进行系统化管理。

图1动力电池船舶电力推进系统拓扑结构图

（二）新能源动力内河船舶的动力蓄电池选型

现阶段，我国新能源动力内河船舶的动力蓄电池系统主要包括：单体电池模块、电池模块、电池包、电池管理系统等。根据动力蓄电池的安全等级以及船舶自身运行情况进行动力蓄电池的选择。一般情况下，国内新能源内河船舶的动力蓄电池主要是选择磷酸铁锂电池，该类电池的安全等级为2级，需要在使用过程中采用有毒可燃气体防护措施，减轻电池运行过程中污染物的产出量。

我国在新能源动力内河船舶的动力蓄电池系统的关键性技术领域已经取得了一定的发展。研究结果表明，磷酸铁锂电池与我国电动船舶的适配度较高。并且，磷酸铁锂电池的性能较为均衡，应用成本相对较低，可使用时间较长，其是现阶段我国新能源内河船舶动力蓄电池的最优选择。目前，磷酸铁锂电池无论是在车用还是船用领域的性能并未有太高的差异。但是，船用的动力蓄电池系统相比于车用动力蓄电池系动而言，对于磷酸铁锂电池的安全和消防问题具有较高要求。电池管理（BMS）系统的管理水平与动力电池的高速发展相匹配，目前我国已经有多家电动船舶电池生产厂家，开始进行动力电池产品生产，并在相应的实验检测后，表明我国电动船舶电池生产厂家的动力电池产品能够满足新能源动力内河船舶的动力蓄电池的性能需求，符合我国CCS（中国船级社）的动力蓄电池技术标准。

结合兆瓦级容量的新能源内河船舶动力蓄电池的实际运用来看，我国新能源内河船舶动力蓄电池的单体电池和电池模组的供应商相对单一。并且，单一的供应商在进行动力系统集成过程中，主要依靠自主研发的动力电池电芯，或是与动力集成系统配套的设备。因此，我国其他动力蓄电池的供应商应该积极加入内河船舶动力蓄电池研发之中，政企校多方合作，结合我国CCS（中国船级社）的动力蓄电池安全标准，促进我国船舶动力蓄电池产品的系统化、标准化、实用化发展。

（三）新能源动力内河船舶动力蓄电池的安全性分析

依据我国新能源动力汽车的动力蓄电池的发展情况，对于动力蓄电池中的三元、磷酸铁、钛酸锂电池的性能进行分析。从能量密度角度进行分析，能量密度最高的是三元锂电池，其次是磷酸铁锂电池，能量密度最低的是钛酸锂电池。从安全性角度分析，钛酸锂电池的安全性最高，其次是磷酸铁锂电池，安全性最低的是三元锂电池。由此可知，磷酸铁锂电池的综合性能相对较好。并且，目前我国针对除磷酸铁锂电池外的其他两种电池的系统检验指南暂时处于缺失状态，所以在我国新能源内河船舶动力蓄电池的选择上主要是磷酸铁锂电池。

磷酸铁锂电池在内河船舶中应用时需要对于其安全和消防系统进行重点设计，结合现阶段车用动力蓄电池的设计思路，即对于热失控传播进行延缓控制，使得动力蓄电池运行故障引发的燃烧或爆炸的时间延长，保证车内人员安全。现阶段，我国动力蓄电池系统引发的安全事故主要是由于电池外部热源被破坏或是出现短路等问题，使得电池单体等出现热失控问题，使得电池温度上升，进而引发周围区域电池单体产生热失控，影响整个动力蓄电池系统的运行，造成运行安全事故，如图2所示。

我国新能源内河船舶动力蓄电池系统在运行需要的总能量在几兆瓦时以下，几百千瓦时以上，能量需求相对较高。在船舶电池系统舱中为满足总能量需求，其电池系统舱的单位体积功率相对较小，内部空间相对较大，其单位体积功率在30W/L左右，上下浮动在10W/L以内，这使得新能源船舶的动力蓄电池系统对于冷却系统的要求相对宽松。同时，为了满足总能量需求需要对于船舶电池模块设计成大规模阵列，利用电池柜等形式进行船舶电池模块的设计，保证新能源内河船舶的电力推进系统电压的直流电压在600V以上，1000v以下。利用分簇管理的电池管理方式，将不同电池簇并联在一起，使用能源管理系统对于船舶的充电和放电进行控制。为了保证船舶动力蓄电系统进行正常且安全的电池运行及养护工作，需要在动力蓄电池舱中设置合理的检修通道，并保证电池之间的距离处于安全距离以内。

此外，在新能源内河船舶运行过程中，其动力蓄电池系统对于运行环境有着较高要求，需要保证每个电池在温和且适宜的环境中运行。在船舶运行过程中一旦电池系统的总储能达到兆瓦时，需要立刻对于动力蓄电池的电芯进行阻断处理，避免热失控传播，提高船舶运行安全。

图2动力蓄电池系统运行故障原因示意图

结论：新能源内河船舶的动力系统向着纯电动方向发展是我国绿色可持续发展战略影响下的必然结果。利用动力蓄电池作为内河船舶的动力系统，能够满足内河船舶运行过程中对于电池安全性的需求，提高我国船舶运行过程中的安全性，保证我国内河运输事业的高质量发展，促进我国经济的跨区域融合。

参考文献：

[1]谢苇.淮南地区内河船舶污染防控新思路[J].中国水运,2023(09):63-65.

[2]梁译尹,刘隽.内河电动船舶换电技术试点推广研究[J].中国水运,2023(07):63-66.

[3]汪玚.内河航运的绿色转型：新能源、清洁能源船舶如何助力我国实现绿色可持续发展[J].交通建设与管理,2023(03):35-37.

[4]黄东篱,冯富萍.新能源内河船舶动力蓄电池发展探析[J].中国设备工程,2023(09):11-13.