湖南万骏船舶有限公司
摘要：随着全球气候变暖的加剧，人们的环保意识逐渐加强，当前国际海事组织对船舶的要求也趋向绿色发展，对有害废弃物体的排放进行限制，旨在实现船舶的绿色出行。我国也逐渐将船舶污染的控制治理作为重点，不仅进一步扩大排放范围也对区域内船舶相关物质的排放做出明确规定，开始尝试在船舶中使用一些新能源。由此可见，绿色环保电动船舶的应用前景是十分广阔的，电动船需要耗费大量储备能量，因此电池是不可缺少的。与常规电池相比而言，锂电池具有众多的优势。因此本文首先介绍了锂电池的相关情况，并对其在船舶中的应用情况进行了详细分析。
关键词：新能源；锂电池；船舶应用
1.锂电池的介绍
锂电池的材料可以分为正极和负极，由不同的材料构成。当前在市场中应用的锂电池正极材料可以分为以下几种类型，这些锂电池的电压特性在表1中有详细的说明。
表 1不同型号锂电池电压特性
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2.锂电池的特点
和传统的电池相比，锂电池的优点是更多的。首先锂电池的能量储存密度更高，目前已经达到500到600瓦时每千克。再次，从重量来看，同体积情况下锂电池的质量更轻。同时，从使用周期来看，锂电池的寿命更长，一般能够用到5年以上。此外，锂电池还能够承受高功率和低温环境，在充放电速度很快，在低温环境下仍然能输出满格电量。最后，从环保程度来看，锂电池里面不含铅，对环境的负面影响更小。然而，锂电池也不是十全十美的，和铅酸蓄电池相比，锂电池的安全程度要弱一些，在被撞击或是高温的状态下，容易起火发生爆炸。当前锂电池的制作成本还是较高的，在使用上要考虑成本预算。
3.电池管理系统（BMS）及配电网络
构成锂电池组的重要组成部分就包括电池管理系统，即Battery Management System，也就是我们所说的BMS，它在通常情况下都是由设备厂家提供的，它能够进行检测保护，实现能量的均衡划分。具体来说，包括以下几个部分：
（1）准确预测：对电池组的负电状态SOC，也就是电池剩余的电量，进行准确的预测，使其保持在合理的范围内，避免充电过多或者放电过多对电池造成损伤。因此为了安全起见，要能够随时显示储能电池的剩余电量。
（2）动态监控：当对电池进行充放电时，要了解蓄电池中电池的相关情况，比如电压、温度、电流以及总电压等，将相关信息聚集起来，避免出现过度充电或者是放电的情况。对电池状态有及时的了解，可以迅速发现有问题的电池，促进电池运行更加稳定高效。
（3）均衡电池：保持每个单体电池充电时的平衡，实现电池组织每个电池的统一。对于电芯个体之间的差异采取相应措施，可主动进行充电或是放电，保证每个电池都处于相同状态，延长电池的使用周期。锂电池组可以使用直流母线或是交叉母线作为电源和动力源使用直流母线供电时，
锂电池和直流母线直接相连，通过逆变器转化成交流电，为船上的设备和船本身供电。当使用传统的交叉母线时，锂电池会经过逆变器转化成交流电，然后送到交叉母线，再为全船设备和其本身供电。
下面是两种配电系统的构成方式，见图1和图2：
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图 1直流母线配电单线图
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图 2交叉母线配电单线图
直流配电系统和交叉配电系统相比，显而易见是更具有优势的。从损耗情况来看，直流配电系统不会产生像交叉配电系统那样的涡流损耗，而且在线路上的损耗会更小一些。从理论上来讲，直流系统不存在频率差、电压失衡等问题，因此也不会产生电压波动、频率变化，不仅提高了电能的质量，而且使电网安全稳定性增强。计算损耗的能量，可以发现直流母线配电的损耗，配电板占0.5%，变频器占2.5%，推进电机占3.2%，推进系统占6.2%。相对而言，交叉母线配电的损耗，逆变器占4%，配电板占0.5%，变频器占2.5%，推进电机占3.2%，总共的损耗达到10.2%，与直流母线配电系统相比，消耗是更多的。从对比中可以发现，采用直流母线配电系统能够促进传播稳定运行，减少投入成本。
4.锂电池在船舶上的使用方案
不同的船舶对锂电池的要求是不一样的，因此方案设计要有针对性：
（1）储存电力，避免船舶出现断电情况。在锂电池中设计并网结构，为船舶供电的稳定提供保障，如果船上突然出现意外的故障，可以通过并网的蓄电池，从逆变器向电网供电，以防止船舶出现断电情况，导致危险事故的发生。
（2）随机变化。在某些操作条件下，比如在使用自架式起动机装卸货物时，船舶在这个操作时间内负荷变化会很明显。多台发电机同时运行只为满足短时期内的最大负荷需求，是不经济的。安装锂电池系统以后，通过锂电池满足最大负荷的需求，实现短期供电。在负荷较小的情况下无需启用发电机，而是依靠电网补充电量。在这种情况下，只需打开一台发电机就能实现货物装卸，不仅经济划算而且能够提高发电机的运行效率。
（3）对发电机组的弱点进行补充。发机电组的燃料有其自身的特点，在短时期内无法承载大功率负荷。如果负荷超过船上的承载能力，发电组的运行就会变得缓慢，再严重的情况下，可能出现船舶断电情况。但是安装锂电池系统以后，能够让电池组承载另外的负荷，从而防止这种危险事故的产生。
（4）直接向电网供电。一般来说，船舶为了实现绿色环保，不会配备传统发电机，而是通过电池系统为船舶供电，通过电动机提供的电力进行驱动，船舶在运行的过程中不会产生污染，
（5）对环境有积极的影响。按照航行远近以及具体的操作情况，合理控制电池组的容量范围，为船舶停岸进行充电提供便捷。
5.船用锂电池应用现况
从现实状况看，锂电池的能量密度和燃油相比，完全不具有优势，而且价格相对较高，因此用纯电池进行驱动的船舶范围还不是特别广泛，仅限于短程客船、渡轮以及小型货船等。在西方国家，用纯电池进行驱动的船舶时间更早一些，目前已经有许多船舶在实际运行中将纯电池作为动力。世界上最大的纯电池进行驱动的客渡船是丹麦的，于2018年投入运行，可容纳198名乘客和31辆车。航行速度最高能达到14千牛，能够运行的航程为10.7海里，电池容量为4300千瓦的三元锂电池组，在一小时到一个半小时之间就能完成充电。该船舶的施工成本为2130万欧元，和传统渡轮相比，在使用期间能够减少二氧化碳和氮氧化物等有害物质的排放，从根本上实现绿色出行。
锂电池作为一种驱动力用于船舶中，目前在我国有很多实例。因为要考虑到电池成本，当前采用的锂电池的类别为磷酸铁锂电池，吨位小于2000吨，运行航程相对较短。此外，一些地方政府已经采取了相应的措施，改善渔民小型渔船造成的严重污染，比如为渔船的改造提供补贴等。同样，CCS船级社正在逐步完善锂电池动力在船舶应用的相关规定和法则。可见，锂电池在船舶中的应用会逐渐走向规范化和普及化，具有良好的发展前景。
当前，我们对环境越来越重视，要求也越来越严格。将新能源应用于船舶中是亟须推进的重点。为了减少对空气和水源的污染，交通运输部已经颁发了相关政策，积极鼓励港口船舶使用锂电池这类新能源。电力系统的持续更新以及在电价上做出的调整，当前将新能源锂电池应用于船舶中已经十分便捷。锂电池目前受到相关影响，比如价格和政策等，仅适用于内陆河流中的中小型船舶。随着锂电池价格的持续改善以及法律法规的完善，在船舶中使用锂电池将成为必然的趋势。
参考文献：
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作者简介：张爱钢 1987-01-17 男 辽宁 汉 大专 检验部经理 湖南万骏船舶有限公司 研究方向：船舶工程