产业研究-2024 | 智能的船舶锂电池动力技术最新应用进展报告-【浩博电池】

摘要：本论文探讨锂电池在船舶中的应用现状、政策规范、磷酸铁锂电池的优势和存在的问题以及主要船型应用情况。通过整理相关文献和政策文件，分析电动船舶在全球范围内的发展现状。

关键词：船舶电动化船舶锂电池动力技术政策法规

引言

目前电动船舶的应用正处于探索、示范期，全球范围内有数百艘电动船舶投入运营，磷酸铁锂电池以其安全性高、使用寿命长、能量密度较高等优势，逐渐成为电动船舶的首选能源，但是锂电池在船舶应用中仍面临着缺少统一规划、技术法规不完善、企业技术水平不高和船型应用受限等问题。

【一】电池技术在船舶动力中的应用现状

随着对环境污染、资源紧缺等问题越来越重视，航运业污染问题也受到越来越多人的关注。船舶是排放大户，近年来各国航运业积极行动，不断推动和拓展绿色船舶技术的应用【1】。

虽然业界关注的船舶新能源种类众多，如LNG、甲醇、LPG、生物质燃料、太阳能、氢气、燃料电池、锂电池等,但真正能够实现零排放,并在海运业逐步推广且具初步市场规模的新能源动力，目前只有锂电池电动船舶。纯锂电池动力船舶主要适用于航线固定、航程短、补点便捷的场合,对于航线距离相对较长的场合，柴电混合动力则更能兼顾节能减排与航程适应性。

1.锂电池在纯电动船舶的应用

相较传统的推进系统，电力推进系统具有经济性良好、操纵灵活、安全性高、振动小和可靠性高等特点，电力推进系统现广泛应用于渡轮、挖泥船、拖轮和大型邮轮等。随着电力电子技术快速发展以及能源危机日益加剧，电力推进替代传统的柴油机推进成为不可阻挡的趋势【2】。

电力推进技术依靠其在机动性、可靠性、运行效率、布置灵活性、经济性、易于维护等方面的巨大优势，广泛应用于工程船、油船、豪华游船等船舶上。在世界各国都在追求可持续发展、倡导低碳经济的今天，其将成为未来绿色船舶的前进动力。国内外最新完成设计或投入使用的纯电动力船舶包括：我国的纯电动力集装箱船N997、N998、英国沿海工作船EST-Floattech、美国纯电拖船eWolf，新加坡纯电客船X-Tron和纯电货船Hydromover、加拿大纯电拖船HaiSea Brave等。

▲ 扬州中远海运重工所建全球最大纯电动力集装箱船N997-N998

▲ 英国沿海工作船EST-Floattech设计模型

▲ 新加坡纯电客船X-Tron

▲ 新加坡纯电货船Hydromover

▲ 美国首艘全电动拖船eWolf

▲ 加拿大纯电拖船HaiSea Brave

针对电力推进系统产品，国际上几个较大船舶电力推进生产厂商都有自己的电力推进系列产品，并已将其投入实际运行中。例如ABB公司的Azipod推进系统，J、Siemens公司与Schottel公司的SSP推进系统。然而，船舶电力推进一直面临着一个技术难题，即频繁的负载扰动给推进系统的性能带来了重大影响。一方面，海洋环境复杂多变，风、浪、流对负载的影响不可预知，带来的扰动也在不断变化;另一方面，某些工程船(破冰船、挖泥船、海上钻井平台等)在作业时除了受环境干扰以外,其负载功率需求还随工况要求等客观因素的变化而变化，会产生巨大的负载扰动。显然，这些负载扰动会给船舶电网带来巨大冲击，对船舶推进系统的性能有着巨大影响。解决该问题的一个办法是采用能量存储技术。储能单元可以提高系统的稳定性，在电力系统遇到扰动时，其可以瞬时吸收或释放能量，平复扰动给系统带来的影响，增强系统的稳定性。近年来，大容量存储技术飞速发展，几个大的储能单元生产商(如Corvus Energy公司和Maxwell公司)都在生产自己的大容量储能产品并将其投入到实际运行中。

2.锂电池在混合动力船舶中的应用

混合动力船舶过去通常指的是柴-电混合动力船舶，但随着船舶新能源技术逐步得到推广，以太阳能、燃料电池LNG等为代表的新能源技术开始在船舶上应用，使混合动力船舶定义越来越广【3】。混合动力船舶包含了以电能为中心的多种能量来源，其多样性赋予了船舶运行灵活、经济的优点，而不同能量来源只有通过管理,充分利用各自的特性、协调控制它们之间的流动,才能在保证船舶的功能性、安全性的同时，有效降低能耗、减少排放。国内外最新完成设计或投入使用的插电混合动力船舶包括芬兰航运公司ESLShipping旗下的12艘Electramar系列散货船、芬兰混合动力客滚船Finnsirius、法国邮轮公司布列塔尼渡轮订购中的混合电力/天然气动力邮轮Guillaume de Normandie、美国第一艘插电式混合动力内陆拖船Green Diamond、镇江造船厂建造的柴电混合拖船甬港拖80等。

▲ Electramar系列散货船

▲ 金陵船厂建造的混动客滚船Finnsirius

▲ 混电/天然气动力邮轮Guillaume de Normandie

▲ 美国第一艘混电动力内陆拖船Green Diamond

▲ 江苏镇江造船厂-柴电混合拖船甬港拖 80

在混合动力船舶中，锂电池主要有两大作用，供能和储能。锂电池可以根据船舶不同的使用要求进行方案设计，主要有以下应用:

1)电力保留，防止船舶失电。

2)削峰填谷:可以在负荷最大的时候，通过锂电池短期供电;负荷较小的时候，电网给锂电池进行充电补充。

3)弥补发电机组的特性不足:可将突加的负荷转移到电池组上承受，有效地规避了“闷车”风险。

4)作为电力直接对电网进行供电:船舶不配备柴油发电机，直接采用电池系统对船上的设备进行供电，推进系统采用电动机提供动力，就可以实现船舶“零排放”。

【二】锂电池在船舶储能中的应用

在多数情况下，船舶电力推进系统都是内燃机驱动发电机组为系统供电。由于海洋环境复杂多变，负载是变化的，当负载偏离最佳负荷点时，燃油就会得不到充分燃烧，燃油的利用率随之大幅度下降，同时会产生大量的氮氧化物和硫氧化物，对环境造成污染。

能量存储技术是解决这一问题的办法之一。利用储能单元在系统轻载时将多余的能量储存起来，来防止该能量对电网的冲击。在系统过载时，储能单元释放能量来满足负载的需求。能量存储技术已经很好的应用于电动汽车行业。而大容量能量存储技术的发展，使得储能单元应用于船舶电力推进系统成为可能，利用储能单元来克服功率波动对船舶电力推进系统的影响将是未来船舶推进技术发展的新方向。

储能系统可增强汽轮机功率提升能力,提高汽轮机调速水平，改善电网质量，实现发电的平滑输出，从而增加了系统的稳定性和可靠性【4】。同时，储能系统也能将多余的能源储存起来，一定程度上提高了船舶运行的经济性。另外，由于船舶所处环境较为恶劣，且长期远离陆地，遇险救援时效性较差，因此，对于保证安全的电力系统要求很高。储能系统作为电力系统最可靠的能源，是保护船舶安全的最后一道屏障。

根据储能载体区分，储能方式主要分为电化学储能、物理储能和电磁储能三种。其中电化学储能主要包括电池储能和超级电容器储能;物理储能主要包括抽水储能、高压空气储能和飞轮储能;电磁储能主要包括超导储能。

在各种储能方式中，抽水储能、压缩空气储能因为响应速度慢，不能满足船舶的要求。超导储能能量密度过低、成本过高且技术成熟度不高，实际运用中可靠性和经济性都不高，也不适合应用于船舶。船舶中主要应用的储能方式为电池储能、超级电容器储能和飞轮储能。超级电容器储能和飞轮储能两种储能方式都具有响应快、比功率高的特点。相比起来，超级电容器储能比功率更高，但比能量极低，放电时间极短，成本更高。

电池储能中，铅酸电池和锂电池是当前应用较为广泛的电池。两种电池均具有额定功率高，放电时间长的优点。相比起来，铅酸电池技术更为成熟，成本较低，安全性较高，但比能量远低于锂电池，且环保性很差。锂电池本身电池特性更为优越，但技术成熟度还不高，散热问题较为严重，安全性不足。用作动力源的锂电池，按电芯材料分类，主要有三元锂、锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂等几种，目前主流应用的是三元锂电池和磷酸铁锂电池。三元锂电池能量密度最大，但是出于安全原因，在电池管理系统需要投入更多资金，一定程度上限制了三元锂电池在国内船舶的应用。磷酸铁锂电池技术己相当成熟，广泛应用在陆用交通、太阳能和风力发电发电储能、电动工具等领域，大规模的生产也使电池价格回落到较为合理的空间。结合国内船舶实际和电池产业现况，磷酸铁锂电池在船舶领域发展较快。国内外电池能源技术公司已推出一系列船用储能系统产品。

▲ 瑞典船舶电池供应商Echandia的电池储能系统

【三】锂电池在船舶中应用的政策和规范

1、政策基础

为了推进新能源在船舶产业领域的应用，国家和地方出台了一些针对锂电池在船舶领域应用的政策。国家层面,虽然没有专门针对电池动力船舶的鼓励政策，但相关政策可见于各文件中。

2018年11月30日,交通运输部印发《船舶大气污染排放控制区实施方案》，鼓励船舶使用清洁能源、新能源、船载蓄电装置或尾气后处理等替代措施以满足船舶排放控制的要求【5】。

▲ 交通运输部印发《船舶大气污染排放

控制区实施方案》的通知

2019年1月4日，生态环境部等11部委联合印发《柴油货车污染治理攻坚行动计划》【6】，鼓励淘汰使用20年以上内河航运船舶，依法强制报废超过使用年限的航运船舶，推广使用纯电动和天然气船舶【7】。

▲ 生态环境部等部委印发《柴油货车污染治理

攻坚行动计划》的通知

2019年9月，中共中央国务院印发实施《交通强国建设纲要》【8】，特别强调加强新能源在船舶行业的应用研究，要求推广新能源、清洁能源等技术装备，提升新能源船舶设计建造能力，强化新能源等前沿关键科技的研发。

▲ 国务院印发实施《交通强国建设纲要》

2020年6月，交通运输部发布《内河航运发展纲要》提出【9】:加大新能源、清洁能源推广应用力度，推广LNG节能环保船舶，探索发展纯电力、清洁燃料等动力船舶。

▲ 交通运输部印发《内河航运发展纲要》的通知

地方层面，各地方政府出台的政策更具针对性，这些政策的发布与实施极大地推动了当地电池动力船舶产业的发展。如深圳市制定的《2018年“深圳蓝”可持续行动计划》【10】、广州市制定的《广州港口船舶排放控制作战方案(2018-2020年)》【11】、武汉市制定的东湖等封闭水域禁止运行燃油船舶的要求【12】，以及湖北省即将出台的禁止封闭水域运行燃油船舶的规定等。

▲ 地方政府制定的电池动力船舶相关政策

▲ “长江三峡1”号(全球最大电池容量纯电池动力船)

【四】锂电池在船舶中的应用现状

电池动力船舶是目前国际上最新颖的船型之一,其电气化特点能够为下一代智能船的发展提供基础。其设计和建造并不是动力系统的简单替代，需要设计和建造理念的革新。对于设计和建造部门来讲都是巨大的挑战。其船舶系统及功能的配备、设备操作和船员技能的要求、作业环境对船舶的影响、事故和风险的预防处置等方面较常规动力船舶更为复杂。各船级社、海事部门等都处于研究起步阶段，相关研究和设计体系尚不完善。

1、产业现状

从全球范围看，电池动力船舶的应用正处于探索、示范期，运营经验不足。截止2019年5月底，全球电动船舶数量为155艘，其中包括营运船舶75艘，拟建造船舶80艘，已实现1000KWh到4000KWh之间较大容量电池动力船舶的应用。电池动力的选择上既有磷酸铁锂电池，也有三元锂电池。我国内河已建纯电池动力船舶20余艘，在建及计划建造纯电池动力船舶10余艘。2015年以前，我国电池动力船舶的应用仅限于600KWh以下的小型船舶;2015年以后，使用的最大电池容量达到3000KWh,且全为磷酸铁锂电池。我国电池行业发展相对成熟，但是船用产品及其配套产业占据的市场份额较小，参与船用电池认证的企业较少，仍存在较大发展空间。电池动力船舶的核心部件是为推进电池及其配套的电池管理系统。在全球前十的电池制造商中，国产厂家占到五家。2020年第一季度国内动力电池装机量合计约5.68GWh，涉及的装机动力电池企业51家，其中宁德时代、比亚迪、国轩高科、亿纬锂能、中航锂电等是排名靠前的企业，

主要装机产品是新能源汽车。国内锂电池配套船舶作为动力源，必须经过中国船级社(CCS)的资质认证。截至2019年10月，中国船级社已完成和正在进行的船用电池产品认证共37项，其中15项动力电池项目、5项电池管理系统项目己经完成审核工作。在电池管理系统方面，中国船舶重工集团公司第712研究所、711研究所、704研究所已具备纯电池动力系统及整船解决方案的设计和供货能力，无锡赛思亿己具备船舶直流网电力推动系统、混合动力推进系统、试验站用电系统的供货能力，中车上海汉格已具备直流电力推进系统、交流电力推进系统、ESS节能系统的供货能力。

2、港口配套现状

港口配套设施特别是充电设施是限制电动船舶发展的因素之一。截至2018年底，我国已建成岸电2400余套，这些设备使用中存在与船舶供电不匹配等诸多问题，并且不能直接为纯电池动力船舶进行充电，但是为电池动力船舶获取动力提供了较好的硬件基础。随着《船舶大气污染物排放控制区实施方案》的持续推进，特别是船用岸电使用方面政策的强制实施，全国岸电的配套规模和区域有望进一步扩大和提升。

【五】锂电池在船舶应用中的问题

1、缺少统一规划

一是电池动力船舶推广缺少统一部署。在电池动力船舶的应用和推广中，锂电池生产企业、电力企业、配套企业各自推进，缺少国家层面的宏观规划，技术研发、发展路径、推广模式缺少统一的规划和指导。目前，我国只有个别省市出台了电动船建设、改造补贴方案，如《深圳市绿色低碳港口建设补贴资金管理暂行办法实施细则》《广州港口船舶排放控制补贴资金实施方案》，积累了一定的经验。同时，由于电池动力船舶虽然使用成本低，但前期投入较多，电池动力船舶推进系统的造价一般是传统动力系统的2.2至2.5倍。由于电动船产业规模较小，国家对新建、改建电池动力船舶并未出台专门的补贴政策，在电价优惠、岸电规划方面缺少统一的部署。二是缺少对锂电池全生命周期的规划。锂电池的生命周期受使用环境、充放电循环工况等因素的影响，电池一旦老化，安全风险会急剧增加。电池的负荷状态(SOC)由100%降低到80%一般认为电池即将寿命终止，按照目前的技术标准，厂家承诺的电池寿命为8年，而船舶的寿命按照20~30年计算，在船舶的生命周期内要进行三到四次的电池更换，对于电池的生产、使用、报废、分解以及再利用等整个生命周期的综合处理，缺少相应的政策引导。

2、技术法规不完善

一是船用标准尚未建立。锂电池根据不同的应用领域其性能标准不尽相同，目前船用锂电池性能标准参用电动汽车的相关标准，基础通用性能和试验标准还未形成。考虑到船用锂电池蓄能能力是车用锂电池能力级别的几十倍甚至上百倍，且船用产品工作环境更恶劣、安全性能要求更高，因而船用试验标准引用 IEC及国标电动车标准，存在一定的局限性和不适用性。船用标准的构建和完善是目前急需解决的问题。

二是检验法规尚不完善。虽然相关海事局已经编制了内河动力船舶技术规范，但是由于船用锂电池产业能力偏弱，尚不具备向长途、大功率船舶供货的能力，因而对于沿海电池动力船舶相关法规的编制尚处于起步阶段。

三是锂电池作为船舶动力应用的研究有待进一步深入。电池动力船舶根据能源形式一般可归为两类:纯电池动力船舶和混合动力船舶。由于电池动力船舶实船较少，对此类系统的安全性、动力匹配性研究及积累的经验尚显不足。两种技术路径的优劣还有待实际运营的验证，缺少数据积累。纯电池动力的安全性差、能量密度低，以及一次性投入成本太高等缺点，是制约其在船舶领域大规模应用的主要障碍。动力电池作为大容量储能元件，其本身具有起火爆炸等隐患，在船舶航行中存在电池失效、控制系统失效风险，在船舶操纵过程中存在因故障、特殊天气条件导致的安全返航风险，在船舶停泊充电期间存在船岸操作安全事故风险等。

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