小型化船舶动力电池技术展望

2013-09-21彭澎司凤荣叶烽

船电技术 2013年9期

彭澎，司凤荣，叶烽

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

0 引言

未来是海洋世界，海洋资源保护十分重要。特别是国际关系发生了巨大变化，邻海国家都在争夺我国领海海域和石油资源，我国海岸线长，未来船舶近海作业综合能力急待提高，其性能也将发生较大演变，主要最求小型化、安静型、低能耗等技术，具备速度高、机动性强等特点。

目前电力推进船舶最大航程已达到数千海里，排水量约数千吨，最大航速数十节，具有较强的综合能力。目前全电力船舶电源都使用铅酸蓄电池，蓄电池组重量占船舶排水量5%～10%左右。目前使用的蓄电池主要性能见表1。

由上所述，国内船舶用铅酸蓄电池能满足目前电力船舶推进需要，蓄电池性能也达到国际先进水平，但是随着船舶向小型化方向发展，蓄电池技术必须进行大的变革。铅酸蓄电池必须大幅提高比能，降低重量。同时，根据今后20年电池技术发展，可将锂离子电池、燃料电池、阀控铅酸电池、超级电池、超级电容器技术和装备应用在未来安静性、小型化船舶上，作为其推进电源。

我们先设定未来安静性、小型化船舶排水量，并由此设计推进电源技术状态。其最大航速、航程通过和使用铅酸电池的船舶比较得出：

小型化船舶最大航速=(新型电池1 h率能量/铅酸1#电池1 h率能量)*（船舶重量比）*节数；

小型化船舶航程=(新型电池 50 h率能量/铅酸1#电池5 0h率能量)*（船舶重量比）*海里数。

由于新型船舶尚未定型，推算时未考虑整体阻尼系数变化和其它情况。

1 未来小型化船舶动力电池技术

根据目前技术现状和发展趋势，未来小型化船舶动力电池主要选择铅酸蓄电池、锂离子电池、燃料电池等高性能电池。

1.1 铅酸蓄电池

选择铅酸蓄电池作为未来小型化船舶动力电池，主要是因为目前它在国内外电力船舶上的成熟应用。铅酸蓄电池历史悠久，技术成熟，成本低廉，应用广泛，使用方便，没用复杂的辅助系统。目前铅酸电池具有大容量、较高比能、长寿命等特点，具备快速充电能力，而且技术仍然具有较大的提升空间，可以作为未来小型化船舶动力电池使用。

铅酸 1#电池和它刚替代的旧型电池相比，比能提高了 30%。未来 10～20年，还可以在现有基础上提高40%，1 h率比能达到32. 2 Wh/kg。按照现有电池的重量来设计，其1 h率实际容量可以达到15000 Ah，一条船装备200只该电池，重量160 T，1 h率能量达到5400 kWh。装备该组电池，可使小型化船舶航速达到40节，航程达到 1500海里。我们将该型号电池命名为铅酸 2#电池。也可以提高蓄电池组电压，设计铅酸3#电池。铅酸2#、铅酸3#电池主要性能参数见表2。

铅酸2#、铅酸3#电池关键技术有：

1）采用轻质金属(钛、铜)制造正负板栅，代替原来的铅板栅，大大减轻板栅重量，同时将减轻的重量增加到活性物质上，可以大大增加活性物质量；

2）采用高性能添加剂，提高活性物质利用率；

3）适当提高电解液比重；

4）采用新型辅助系统；

5）采用铠甲式正极板；

6）具备快速充电能力。

铅酸2#电池最大充电电流可以达到10000 A，采用新型脉冲充电方法，过渡电压为2.6 V，充足电时间只需2 h。应急充电15～30 min。提高铅酸蓄电池比能，采用多项关键技术，且具备快速充电能力，管理系统简单，未来将其装备在小型小型化船舶上，可以大大提高航速和机动性，降低能耗，符合未来小型化船舶战技术要求。

1.2 锂离子电池

未来小型化电力船舶使用锂离子电池作为动力电源是历史的必然。

首先是基于锂离子电池的高比能，目前实际的比能在（100～120）Wh/kg,未来实现其理论比能（160～300 ） Wh/kg非常可能。锂离子电池的比功率非常高，最高可达320 W/kg，单体电池的电压在3.7 V左右，大大高于铅酸蓄电池。具体情况见下表3。

其次是锂离子电池技术发展神速，近十年来手机用锂离子电池的发展就能说明问题，其比能、安全性都大大提高，成本大大降低，应用已十分普及。目前国家正在大规模投入锂离子动力电池研发，特别是纯电动汽车，锂离子动力电池已作为使用和发展的首选，目前在提高单体电池容量、功率、安全性方面正进行国家级专项研究，未来10年估计可以较好地解决这些问题。

未来小型化船舶采用锂离子动力电池，单体电池电压3.7 V，1 h率容量14400 Ah，重量240 kg。使用200只电池组成电池组，总重量只有48 T，船舶航速达到 60节，航程达到 1600海里。我们将该型号电池命名为L电池，性能参数见表4。

L电池关键技术有：

1）高性能正极材料。目前使用的正极材料包括磷酸铁锂、氧化锰锂等，未来可参杂稀土材料，进一步提高正极比能。

2）安全性。大容量锂离子电池安全性是最大的问题。锂离子迁移、结晶、穿刺、高温燃烧、甚至爆炸等问题是目前锂离子电池发展研究中急待解决的重要问题。使用新型隔膜和锂负极，采用新型生产工艺，通过大量投入、研究、试验、使用，未来20年这些问题可以解决。

3）电池管理系统。锂离子电池串并联使用对其均匀一致性要求非常高，成组电池温度、散热技术也很重要，电池监控系统技术也要成熟。

提高锂离子电池容量，保证其使用安全性，完善电池组管理系统，未来20年内，将其装备在小型小型化船舶上，可以大大提高航速和机动性，降低能耗，符合未来小型化船舶战技术要求。

1.3 燃料电池

德国M型船舶使用质子交换膜燃料电池，总功率为300/24 kW。基于燃料电池的高比功率、安静性、零排放等技术优点，和目前世界范围内对燃料电池电动车的大力研发，未来其系统集成度、氢源技术、安全性等将飞速发展，可以直接将燃料电池用作小型化船舶的动力电源，无需装备柴油机发电系统，节约船舶空间和重量。

小型化船舶使用燃料电池作动力，可使用10个300 kW质子交换膜燃料电池模块串并联使用，总功率3000 kW,过载率120%。使用金属贮氢（或者甲醇重整）作氢源。未来金属贮氢重量比提高到10%以上，只要30 T贮氢金属，贮备的氢气即可使船舶经航能力达到1500海里。如果将柴电系统的空间用来装备贮氢金属，则可使船舶航速达到30节，续航能力不受限制。

燃料电池关键技术有：

1）大功率电堆和模块。质子交换膜燃料电池可根据电压和功率要求来设计堆型和模块。大功率模块的信息管理、热管理、水管理、气管理技术已经比较成熟；

2）提高系统集成度和可靠性；

3）安全性。由于船舶大量贮氢，必须保证其安全性。

提高燃料电池技术，保证安全性，完善管理系统，未来20年内，将其装备在小型小型化船舶上，可以大大提高航速和航程，且无需充电，降低能耗，符合未来小型化船舶战技术要求。

2 其它电池

2.1 阀控密封铅酸蓄电池

船舶用铅酸蓄电池目前都是富液式，给使用维护带来一定困难。特别是液面高度在充放电过程中波动较大，受温度和船舶状态的影响也较大。阀控密封铅酸蓄电池的特点就是免维护，目前在汽车起动、固定用、电动车驱动方面已广泛使用。目前针对船舶使用的大容量阀控密封铅酸蓄电池正在研发中。将其应用于未来小型化船舶，单体电池1 h率容量3000 Ah，一组使用480只，可使船舶航速达到22节，航程1200海里。同时由于其具有免维护的特点，可以大大减少艇员工作量。

2.2 超级电容器

超级电容器是 20世纪70、80年代发展起来的一种电化学电容器，它是依据界面电化学原理研究出的一种全新储能器件，目前已经引起广泛关注和研究。俄罗斯ESMA公司推出的活性炭/氧化镍混合电容器，比功率超过1000 W/kg。由于其比功率高、寿命长、使用温度范围宽、充电迅速，既可单独充当电源，也可通过系统控制技术与蓄电池或燃料电池组成混合电源。基于目前发展趋势，提高其比能量，制造大容量超级电容器，应用于未来小型化船舶，可以大大提高船舶航速。