为改善电动船舶的续航能力，提高电能补充的效率，实现大型新能源船舶快速换电，研发适用于船舶的标准集装箱箱式电源。考虑箱式电源的电气结构、散热通风、消防等多种复杂因素，合理设计电池舱、消防舱、汇流舱、空调舱等4大功能舱及功能舱内部的结构布局。提出一种适合多层堆叠场景的自动切换逻辑技术，为每个箱式电源进行唯一标识，通过逻辑判断的方式快速定位出现问题的箱式电源并及时切断对应的供电系统，有效避免出现箱式电源热失控。结合700 TEU纯电动集装箱船项目应用表明，集装箱船用箱式电源在最大限度提高能量密度的情况下运行整体安全、可靠，可快速为船舶补充电能，拓展航行里程。
为积极应对气候变化问题，170多个国家共同签署《巴黎协定》，我国相应提出了力争2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”的行动计划。中远海发集团围绕长江经济带“生态优先、绿色发展”的战略定位，积极推进航运业绿色转型，协调各方开展首个700 TEU纯电动集装箱船项目，打造绿水零碳航运示范，助力长江水运绿色转型。传统的大型船舶大多采用燃油动力，本文根据700 TEU纯电动集装箱船项目，研究设计一款基于230 Ah磷酸铁锂电池的20英尺高柜箱式电源。该箱式电源具有高安全性的特点，采用“即插即拔”的快速充换电模式，为大型纯电动船动力电池的研发奠定了基础。基于长寿命的换电模式，该箱式电源采用标准集装箱设计方案，因锂电池的化学特性不稳定，特别采用230 Ah磷酸铁锂电池。根据中国船级社对锂电池舱的布局和设备配置规定，本次设计的船用箱式电源总体布局图见图1，箱式电源整体位于700 TEU纯电动船船尾部分，共使用36个箱式电源，以3层堆叠方式进行布置。
箱式电源主要包括集装箱箱体、磷酸铁锂电池系统、散热系统、消防系统、辅助电气系统等部分。集装箱箱体内部分为4个功能舱，分别是电池舱、消防舱、汇流舱、空调舱。电池舱采用A60防火分隔结构，电池舱内集成1套磷酸铁锂电池系统、空调内机、消防喷头、消防传感器等，消防主机、汇流柜、空调外机分别集成在对应的舱室中，各个功能舱室均与电池舱隔离。箱式电源集装箱箱体总布置图见图2。
磷酸铁锂电池系统分为8个蓄电池柜，每个蓄电池柜含17个电池包，电池包选用230 Ah磷酸铁锂电池，电池系统通过汇流柜汇流后接入系统总输出/输入口，为大型船舶提供动力。箱式电源一次系统架构图见图3。
散热系统主要由1套空调系统、电池舱内风道等组成。空调系统主要包括1台空调外机和2台空调内机，其中：空调外机放置于空调舱，对外进行热交换；空调内机对电池舱内的环境温度进行调节，保证电池系统处于合适的温度和湿度环境内。消防系统主要灭火介质为七氟丙烷气体灭火剂，消防气罐、加压气罐、消防控制主机均位于集装箱内的消防舱，气体灭火剂通过管道连接到电池舱内，消防系统通过喷头将气体灭火剂喷入电池舱内进行灭火。集装箱的辅助电气系统集成在汇流柜中，汇流柜内部的集成逆变器将直流电转换为交流电，使辅助电气系统可以直接为集装箱内照明、散热系统、消防系统、插座等用电设备设施进行供电。辅助电气系统中涉及系统安全的设备，例如消防系统、电池管理系统（BMS）、应急设备、监控设备等，均会接入不间断电源（UPS），确保电池系统断电后，设备依然能够稳定运行。动态环境系统的主要功能是将箱式电源内部的温湿度传感器感应值、空调的运行状态等数据向外传输，使外部能量管理系统（EMS）能够实时监控箱式电源内部环境。箱式电源内部采用电池舱、消防舱、汇流舱、空调舱分开布置的方式。电池舱内面对面布置4个蓄电池箱（柜），两侧共8个。每个箱式电源蓄电池箱（柜）底部由8颗螺栓固定，背面配置多个支架支撑。每个蓄电池箱（柜）内安装17个电池包，电池包布置简洁，便于更换、检查、测试和清洁。本文设计的电池舱为步入式，两侧蓄电池箱（柜）中间留有走道，宽度约为620 mm，便于电池包的安装、维护、保养等。箱式电源采用20英尺高柜集装箱设计，集装箱整体防护等级满足中国船级社的认证要求，整体强度能够满足箱式电源起吊、装载、运输等工况要求。集装箱箱体电池舱部分按照A60防火标准设计，钢结构舱壁钢板厚度不小于4 mm，电池舱四周侧板和顶板按照A60防火标准要求的结构形式焊接扶强材，舱壁敷设A60级陶瓷棉板，A60级陶瓷棉板通过碰钉固定在舱壁上。内饰板采用B15级防火复合装饰板，起到防火和保温作用。电池舱底部采用A60级甲板敷料施工工艺处理。电池舱2个端部布置A60级防火风阀和百叶通风口，其中：一端安装无火花风机，便于电池舱内排风；另一端为电池舱入口，设置有A60级防火门，用于人员进出电池舱。空调舱、消防舱、汇流舱之间采用钢板隔开，空调舱外设置百叶进行通风，汇流舱外设置控制面板，并配备电池系统对外输出接口、通信接口、显示屏等。箱式电源箱体结构图见图4。
电池系统主要包括8个蓄电池箱（柜）和1套BMS，是箱式电源主要功能单元。每个蓄电池柜含17个蓄电池包和1个高压箱，单个电池包内含有2个电池模块，高压箱将17个电池包的能量汇总统一输出到汇流柜，为电动船提供稳定可靠的电力输入，保证电动船能够安全运行。BMS控制器主要由从控模块、簇控模块、域控模块等组成，线束主要由高压箱外连接线束、高压箱内连接线束、簇控线束、加热供电线束、从控线束等组成。BMS主要用于电池的充放电管理、状态检测和分析、电量管理和保护等，通过系统性的管理，可避免出现电池过充、过放、过温等情况，提高电池性能和使用寿命。BMS控制器主要性能用途：
- 从控模块。从控模块采集电池包（PACK）内电芯的电压、温度、单体电池荷电状态（SOC）、电池健康状态（SOH）等数据，通过控制器局域网（CAN网络）传送给高压箱内簇控模块。
- 高压箱内簇控模块。高压箱内簇控模块主要辅助采集从控模块上传的数据，控制高压箱内接触器的闭合/断开，检测簇电流、簇总压等，簇控模块将簇内所有信息上传至域控模块。
- 域控模块。域控模块负责收集高压箱内簇控模块上传的所有数据，进行就地显示。域控模块负责与储能变流器（PCS）通信（包括电芯极值、许可功率的上传、干接点输出等）。域控模块还负责与EMS进行通信，上送BMS的相关信息。
散热系统在电池系统运行正常情况下进行通风散热，由电池系统或外部电源对其供电。空调安装界面具有A60级防火功能。散热系统内置温度、湿度、压力等感应探头，当电池舱内电源模块出现故障时，空调控制主板通过RS-485协议通信或干接点将故障信息上传至可编程逻辑控制器（PLC），然后再上传至船上的报警系统。若发生火灾， PLC遥控空调停机并通过消防紧急启动按钮切断空调电源。当箱式电源电池舱内发生热失控，如出现气体泄漏等状况时，可燃气体探测器自动检测到气体体积分数大于其爆炸下限的20%时，A60级防火风阀打开，风阀打开到位后，自动启动应急排风机排出可燃气体。消防系统主要由火灾报警控制器、感烟探测器、气体探测器、紧急启停按钮、联动电源箱、声光报警器、气体灭火控制主机、警铃、感温探测器、放气指示灯等组成。消防系统控制方式一般有2种，一是自动控制，二是电气手动控制。本消防系统设置有2路独立的探测回路，其中：一路探测回路的工作原理为当探测器发出失火信号时，指示灯发出警报，提示火灾发生部位并示意值班人员预警；另一路探测回路的工作原理为当检测器检测并发出失火信号后，自动消防控制器进入启动阶段，向对应区域的控制保护启动瓶发送消防指令，同时电磁阀启动，接着储气瓶开启，对失火区域实施消防作业。此时，报警控制器将收到由压力信号器产生的反馈信息，并向控制台传递信号，报警指示灯变亮。如果报警控制器处于手动状态，则此时控制器上仅有声音提示报警，同时报警灯亮，并没有自动操作命令的发出，应由工作人员在确定是否出现失火现象后，手动按下应急启动按钮或紧急启停按钮，此时消防系统立即启动，并向失火点喷放灭火剂。如遇到遥控启动装置失灵需要立即施放灭火气体的情况，可以进行应急施放灭火操作。辅助电气系统是一种保证箱式电源内部用电设备能够稳定运行的系统。箱式电源的主要用电设备包括照明系统、空调、视频监控系统、消防系统、BMS、应急排风系统、动态环境系统等。辅助电气系统主要是从电池系统中取得直流电，直流电经过汇流柜中的功率模块进行变流，辅助电气系统将电池的直流电转换成主要用电设备所需的交流电。辅助电气系统还另外配置1路UPS，当系统供电出现问题时， UPS仍可给消防系统、BMS、动态环境系统进行供电，保证箱式电源在出现火灾等安全事故后，能够正常启动应急措施，防止事故蔓延。箱式电源配置有紧急切断系统，紧急切断系统是一种可以在箱式电源出现故障时，紧急切断内部电路，仅保留部分安全功能的系统。当紧急切断系统启动时，系统将直接切断箱式电源高压箱内的高压直流继电器，使蓄电池（柜）与外部断开，形成故障隔离，保护正常设备不被故障设备影响。当切断辅助电气设备电源后，由于UPS的存在，辅助电气安全设备仍然运作，从而保障系统的安全。当紧急切断系统启动后，普通照明系统和空调设备被强制关闭，应急照明设备、视频监控设备、温感探测器、烟感探测器、可燃气体探测器等均可正常运行。700 TEU纯电动船采用36个箱式电源，箱式电源分组图见图5，每6个箱式电源为1组同时给船舶供电，每组6个箱式电源均按照纵向布置，每个方框代表1个分组。采用3层堆叠的方式进行布局，每层12个。
由于箱式电源应急排风口统一朝向艉部，因此组3和组6内的箱式电源发生热失控后，不会影响另外4组箱式电源，但另外4组内任一箱式电源发生热失控，将会影响周围箱式电源。按照单个箱式电源热失控时不影响另外5个正在运行的箱式移动电源原则，设计每组6个箱式电源的放电顺序，保证任一时刻同时运行的6个箱式电源距离其他5个运行中的箱式电源应急排风口均超过3 m。对每组的6个箱式电源分别赋予1个唯一标识符，通过计算每个箱式电源的危险区域，标识在该危险区域内的所有箱式电源，最终可得每个箱式电源危险区域涉及的箱式电源。以唯一标识符标识，方便后期快速查询某个热失控箱式电源和对应需要断电的箱式电源。在常规模式下，自动或手动投入6组中放电次序为1的箱式电源，并启动定时任务，定时检查运行中的箱式电源SOC和故障报警信息。当检测到报警发生后，首先对每个报警进行判别。不同的报警类型对应不同处理逻辑，当检测到运行箱式电源SOC达到下限时，进行自动切换。箱式电源切换逻辑流程见图6。
当某个箱式电源发生热失控时，首先，查询热失控箱式电源对应需要断电的箱式电源，远程切断上述箱式电源的所有内外部供电，并将问题箱式电源设置为不可用状态；其次，启动热失控箱式电源应急排气风机；最后，按照切换逻辑实现热失控模式下的切换。热失控切换流程见图7。
当箱式电源应用在电动船上时，需要与船舶进行匹配性设计。如果36个箱式电源全部接入直流配电板，一方面会导致连接电缆过多，增加船厂施工敷设难度，另一方面每个箱式电源通过DCDC模块接入，会导致直流配电板尺寸过大，且过多的DCDC模块会导致EMS控制难度增加。箱式电源主回路原理图见图8，本设计采用直流组网分组集成技术，将6组箱式电源分别通过开关网络柜接入直流配电板，这种分组模式不仅可以减少电缆敷设工作量，而且便于实际应用中的联调联试。
根据中国船级社《船舶应用电池动力规范2023》中船用电池产品检验要求，产品检验应满足中国船级社相关规范、规则，船用电池系统及其零部件应持有相关型式认可证书。箱式电源除了需要具备相关型式认可证书外，还需要进行电池系统的相应试验，具体试验项目有电池架振动和倾斜试验、电气接口试验、电池系统（含BMS）试验、管路液压和密封试验、空调系统（温控系统）效用试验、消防系统效用试验、紧急切断系统试验、通风系统试验、接口系统试验、箱体风雨密封试验、主电路保护功能试验等。目前，只有通过中国船级社入级认证的船舶锂电池才能被运用在电动船上，认证内容主要包括BMS、单体磷酸铁锂电池、磷酸铁锂电池模组、磷酸铁锂电池包等。本项目设计的箱式电源系统以其各零部件均已通过中国船级社各项检测检验，并获得型式认可证书和各零部件检测报告。此次研究的箱式电源应用于全球第1艘700 TEU纯电动集装箱船，采用船电分离模式，可根据航程需要灵活配置箱式电源的搭载和使用数量，提高了箱式电源的利用率。700 TEU纯电动集装箱船于近期成功完成试航，航行全程采用电池动力推进，吊装1块箱式电池只需要10 min，有效解决传统电动集装箱船充电时间长、装载量低、续航里程短等问题，实现“零排放、零污染、零噪声”。该船投入运营后，预计每年可以减少CO2排放量2 918 t。20英尺标准集装箱箱式电源应用现场见图9。
