动力锂电池与电力推进船舶发展分析

0引言

随着船舶推进技术的革新，电力推进技术在船舶上逐渐推广应用，而储能技术的发展，主要是各种动力电池技术的进步，直接推动了全电池和混合动力船舶的研发建造。由于动力锂电池作为船舶推进电源尚处于起步阶段，有必要通过梳理、研究动力锂电池的特性和应用技术发展，并结合船舶动力系统特点分析为新能源船舶研发提供参考。

1锂电池技术现状及发展

目前，已广泛应用的动力锂电池主要有磷酸铁锂、锰酸锂、三元锂和钛酸锂电池，其主要性能见表1所示。

我国对动力锂电池技术指标要求及规划如表2所示，对应电池未来指标要求和目前发展现状，动力锂电池发展技术路线逐渐向三元锂电池方向发展的可能性更大。

NCM系列材料按过渡金属离子相对含量不同可分为LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2（简称NCM111），LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（简称NCM523）和LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2（简称NCM424）等，目前应用最多的是NCM111，能量密度比肩NCA的高镍LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（简称NCM811）受到很大关注。

2锂电池热管理技术

2.1工作温度区间

锂电池的最优温度区间、工作温度区间及可承受温度区间分别为10℃～35℃、-20℃～45℃和-40℃～60℃。在-20℃～45℃内电池性能衰减较小尚能正常工作；温度降低到-20℃～-40℃时，电解液或逐渐凝结、带电离子丧失流动性，电池阻抗增大致使容量衰减；温度升至60℃以上时，电池化学特性开始失稳，直至电池热失控。中国船级社（ChinaClassificationS℃iety，CCS）的《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》（2014）基于使用寿命和效率考虑，建议磷酸铁锂电池长期工作温度为：充电0℃～45℃，放电-20℃～55℃。

2.2散热方法

船用动力锂电池一般是成组使用，锂电池组散热系统设计的重点控制目标是电池组最高温度要低于50℃，并且电池组的温度均方差（SDT）最小，即电池组内单体电池间的温度均匀性最佳。目前，锂电池组散热技术主要包括空冷、液冷、热管冷却和相变冷却，不同散热技术可用于产热率和环境温度不同的情况。

（1）空冷。以空气为冷却介质，利用对流换热原理将锂电池组产热带走。

空冷系统结构简单、易维护且成本低，在设备冷却方面应用最广。但空气的导热系数和比热容小，所以冷却效果差而不适合产热率高的场合。空冷技术重点在优化空气流量、电池布局和流道设计等，合理设计电池组的包装面积、电池间距、电池与外部包覆结构之间距离、电池组空间通风装置流量可以增强散热；利用热气流的浮升效应及场协同原理，进风口设置在出风口上方并增加出风口数量可以改善散热效果。

（2）液冷。以液体为冷却介质，利用对流换热原理将锂电池组产热带走。

液冷系统选用换热系数和比热容大的冷却介质，如乙二醇水溶液、水、空调制冷剂类、乙二醇和硅油等，冷却速度和降温效果优于空冷，并能提高温度分布均匀性，系统结构也较紧凑。当前液冷技术研究重点是优化流道和流速、冷却剂选型及建立热电耦合模型分析等。目前，液冷较少应用于锂电池组散热系统，国内已投入使用的大容量锂电池储能系统多采用强制空冷。

（3）热管冷却。利用热管冷却技术将锂电池组产热带走。

热管是由管壳、管芯和工质构成的利用工质相变换热原理实现高效换热的元器件，特点是导热能力高、热流密度和热流方向可变、等温、恒温及成本高等，且热管与电池接触方式为线接触而非面接触，不适合单独直接使用，目前热管产品还存在寿命短的缺点。当前大容量电池系统很少使用热管冷却，相关实验室研究主要为冷却性能评估、冷端冷却优化、预测建模等。

（4）相变冷却。利用相变材料（phasechangematerial，PCM）发生相变换热的原理来带走锂电池组产热。

由于相变材料导热系数小、导热性能差而导致储、散热速度低，无法用于锂电池组高产热工况下的温度控制。目前研究将相变材料填充于膨胀石墨或泡沫金属等多孔介质中，制成高导热率的复合相变材料；或是在相变材料如石蜡中添加碳纤维或金属粉末、石墨等高导热率材料构成复合相变材料，提高相变材料导热率。相变冷却技术用于锂电池组散热尚处于实验室阶段。

2.3电池组预热技术

锂电池组在环境温度过低时使用会严重损失电量且充电速度慢，需要进行预热以恢复电池组的正常性能，预热可通过外部加热装置加热和内部自体加热的方式。

外部加热主要有：

①在电池组底部设置加热板预热，但时间长且电池组内部温度均匀性差；

②加热套预热的加热速度快且受热均匀性好，但影响电池高温时的正常散热；

③方形电池可在两侧面装设加热膜预热，成本低且对电池高温环境下正常散热的影响小；

④利用珀尔贴效应（Peltiereffect）改变电流方向和大小实现加热和冷却电池的方法适合主动热管理系统。内部加热可采用交流电加热或单体电池自加热方式，但高倍率交流电预热会影响电池寿命而应用较少。

电池组热管理系统的设计需综合考虑电池组总功率、工况、主被动管理模式及单体模块的空间布置等，并可通过CFD建模预测电池组的温度场。CCS《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》（2014）和《混合动力船舶检验指南》（2019）要求电池舱具备温度控制能力，确保均匀散热和通风，并能防止电池产生的危险气体集聚；电池舱通风系统应为独立机械负压通风系统。

3锂电池的安全性

锂电池在通常情况下是安全的，但在生产、运输、应用环节中会出现某些失效现象。而且单体电池的失效现象会影响整个电池组的性能和可靠性，甚至会导致严重的安全问题。

3.1锂电池的失效行为

锂电池在储存和应用中常见的失效行为包括内阻增大、倍率性能变差、容量衰减、胀气、漏液、形变、短路、析锂、热失控等，降低了锂电池的充放电性能、一致性、可靠性和安全性，甚至可能造成起火爆炸等严重事故。这些行为现象是由锂电池内部复杂的化学反应和物理作用相互影响引起的，图1反映了单体电池内部可能发生的异常行为。

3.2热失控

热失控是指锂电池内局部或整体发生温度急剧上升，无法及时有效散热而产生内部热积聚并诱发其他副反应，发生剧烈、高危害，通常伴有电池“胀气”甚至起火爆炸的行为。Doughty将锂电池发生起火、爆炸等剧烈热失控现象分为3个发展阶段：第1阶段为电池内部发生热失控；第2阶段为电池出现鼓包现象；第3阶段为电池剧烈热失控并发生爆炸失效。研究表明，当锂电池内部温度过热达到1000℃时会引发爆炸。

热失控的本质是散热速率和产热速率的竞争结果，诱发锂电池热失控的主要因素是电池的非正常使用，即滥用、短路、充放电倍率过高、高温，挤压以及针刺等。

图2表示了锂电池典型热失控过程。

3.3安全性影响因素

锂电池电芯材料自身的本征轨道能量、晶体结构和性状特点仅仅决定电芯的本征安全性能；电芯的制造工艺精度，自动化水平和化成条件决定其热稳定性和安全性能。电池的安全性受电芯的稳定性和安全性影响，而电池应用环节的环境温度、充放电制度、存储时间等也会对电池安全性造成重大影响，电池的滥用更是造成安全性风险的主要因素。电池规模化应用时，成组电池单体一致性、电池组内的热失控蔓延问题等对整个储能系统的安全性影响同样不能忽视。电池集成应用中要重点关注在BMS和安全性设计中包含电池发生热失控的预案，如Tesla公司通过预设冷却喷淋系统和安全阀门等方案达到消减热失控影响的目的，并对电池组承载结构进行加强设计，保障电池组热失控发生后人身安全的技术思路值得借鉴。

磷酸铁锂电池的本征安全性高于三元锂电池，尤其大容量锂电池组应用较适于使用磷酸铁锂电池，并且大规模使用三元锂电池对BMS、电池模组防护、热管理系统等应用技术水平的要求更高。船舶动力锂电池组的总容量通常远超商用汽车的电池容量，加之船用设备对安全性的要求一般高于陆用设备，所以CCS《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》（2014）中仅允许磷酸铁锂电池可以装船使用。

随着对锂电池能量密度要求的提高，以及锂电池安全性和应用技术水平的进步，CCS《混合动力船舶检验指南》（2019）中允许除磷酸铁锂电池之外的新型蓄电池装船使用。全固态锂电池用不燃烧、热稳定性好的固体电解质替换可燃易爆的有机液态电解液，或是未来综合解决高能量密度和电池安全性的有效途径。

4锂电池火灾消防技术

4.1锂电池火灾特点

（1）锂电池从发生内部短路到极速发热再到热失控，直至爆燃前都只冒烟不产生明火，起火突然，单体电池发生爆燃后产生的热量会快速蔓延至相邻电池，以连锁反应方式相继发生爆燃，起火8min左右就可能发生爆炸。锂电池组若有烟雾冒出，应迅速向电池冒烟区域喷水降温，防止突然爆燃。

（2）火场温度和烟气浓度高，能见度低，不易查找明火源，需使用消防用红外热像仪观测。大量高温、有毒的浓烟会对人体产生健康影响。

（3）锂电池燃烧热值大，明火扑灭后容易复燃，需要用大量的水持续冷却，但大量消防水可能引发电池短路燃烧或爆炸，致使灭火过程延长。明火扑灭后应持续给锂电池喷水降温并用测温装置监控，电池降温后迅速转移电池，避免复燃。

4.2灭火剂选择

锂离子电池电极材料采用金属锂合金的氧化物而不是金属锂，可以用水、干粉等灭火剂扑救。刘昱君等研究发现ABC干粉、七氟丙烷、水、全氟己酮和CO2灭火剂均能快速熄灭锂电池明火，但CO2灭火后出现复燃现象。由于灭火剂带走的热量小于锂电池内部反应释放热，火灭后锂电池表面温度仍会上升，不同灭火剂抑制电池温度上升的效果优良性依次为水、全氟己酮、HFC、ABC干粉和CO2，但均无法中止电池内部的连锁反应。灭火剂仅扑灭了电池明火，同时降低了失控电池的表面温度，减少失控电池对临近尚稳定电池的热辐射和热传导，从而降低电池组内发生热失控蔓延的可能性，争取到更多的灭火和人员疏散时间。CCS《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》（2014）中提出磷酸铁锂电池舱可使用七氟丙烷灭火系统。

5锂电池在船舶动力系统的应用

5.1锂电池在船舶动力系统中的作用

锂电池在船舶上主要构成储能系统，可单独作为船舶推进动力源或与其它能源装置共同构成混合动力系统。在混合动力系统中，锂电池常用在如太阳能光伏离/并网电力系统中作为系统的间歇光伏电能储存器以稳定负载需求；或作为主发电机组的功率响应与短时突变负荷需求之间的缓冲供能；也可用于主柴油动力之外的辅助推进动力源等。既可提供动力系统能源，又可作为储能装置回收短时过剩能源，提高能源利用率，改善电网电能质量。此外，目前船舶上还使用锂电池和超级电容等构成混合储能单元，发挥锂电池作为能量型和超级电容作为功率型储能装置的优势互补效果。

5.2电力推进船舶动力系统类型

5.2.1全电池动力系统

锂电池组作为船舶电网的唯一能源，配电系统可采用直流母线或交流母线，采用直流母线供电时电池组连接直流母线，直流电经逆变器逆变成交流电供全船设备和推进负载用电；采用传统交流母线则需将电池组经逆变器逆变成交流电，送至交流母线供全船设备和推进负载用电。图3为常见的船舶全电池电力推进系统。

5.2.2混合动力系统

以内燃机（主要是柴油机）为主推进动力的船舶处于轻载工况时，发动机同时工作在部分负荷状态，燃油效率明显降低而噪声和排放污染物增加。某些特种作业船舶和渡船、拖船等特殊船舶的负载工况会经常变动或长时间处于轻载工况，使用传统推进方式难以达到船舶的经济性和环保要求，而混合动力技术能使发动机长时间工作在高效区间，从而实现节能减排。

现代船舶混合动力系统主要分为串联式、并联式和混联式（见图4）。串联式混合动力系统的柴油机和推进器之间无机械连接，发电机和电池组可分别向（推进）电动机供电驱动推进器；并联混合动力系统的柴油机和推进器之间仍采用机械连接，柴油机和电动机均可为推进器提供动力；混联混合动力系统融合了串联和并联系统的特点，具备柴油机（主机）推进和电动机推进模式，设置专用发电机为电网供电。并联式和混联式系统的（推进）电动机同时具备发电机功能，可通过耦合装置分配的柴油机动力驱动为电池组充电。

5.3锂电池动力实船应用情况

锂电池技术发展水平及成本是制约锂电池动力船舶大规模应用的主要障碍。2008年以来，随着欧盟、IMO等国际组织船舶排放新法规的实施，以及锂电池和混合动力技术的不断成熟和装船成本下降，锂电池动力船舶的市场认可度不断提高，装船量快速上升。

2015年建成的世界首艘大型全电池动力船舶“Ampere”号汽车渡船[17]（见图5），采用铝制双体船型，船长79.4m，最大宽度21.44m，吃水3.0m，总吨1598，载重量199t，速度12.3kn，运载能力为120辆汽车和360名乘客。

2017年1月交付的500吨级电力推进货船“浙湖州货1625”[18]（图6）由原柴油机动力改为（锂电池+超级电容）动力模组供能，全长38m，宽7.5m。最大航速17km/h，最大续航力300km，船上还装有风力和太阳能发电设备辅助提供船上生活用电。

2017年5月交付的浙江海洋大学“浙渔科2”科考船（见图7），是柴电混合动力船舶，总长48.8m，型宽8.0m，型深5.15m，满载排水量688t，续航力4500nm，自持力40天。柴油主机功率1007kW，电力推进功率为220kW，可根据海上作业要求，分别采用柴油机推进、电力推进以及柴电混合推进等模式，最大航速13.6kn，电推节能模式下调查航速6～7kn。

2019年1月交付的“河豚”号是全电池动力钢制自卸船（见图8），总长70.5m，型宽13.9m，型深4.5m，设计吃水3.3m，载重2000t。采用（2400kW·h锂电池+超级电容）动力模组供电，2×160kW电驱直翼全向推进器，航速12.8km/h，续航力约80km，满足CCS《内河绿色船舶规范》的绿色船舶-Ⅲ。

2019年4月，挪威游船公司ColorLine投资的全球最大混合动力客滚船“ColorHybrid”号下水（见图9），船长160m，可搭载约2000名乘客和500辆小汽车，既可通过岸基充电桩充电，也可通过船上发动机充电。

6结论

目前，欧洲在环保意识、法规及船舶电力推进技术方面走在前列，所以锂电池动力船舶的建造和运营主要集中在欧州，我国目前尚处于起步阶段。锂电池动力船舶的船型目前以车客渡船、客船为主，少量内河货船、海工船舶及海洋科考船舶也有应用。国内船用动力锂电池以磷酸铁锂电池为主，欧洲较多使用三元锂电池，通过单独成组或与超级电容等构成混合储能装置。

我国现阶段对动力锂电池的补贴政策主要集中于新能源汽车领域，极大地推进了新能源汽车的研发和市场普及，但动力锂电池在船舶上的应用仍然缺乏广泛性，全电池动力船舶大多尚属试验性应用，相关船舶规范也处于不断推出并完善的阶段。但随着水运行业节能及环保要求的提高，锂电池动力船舶的发展前景光明。