船舶柴电混合动力系统设计应用

张丁标，卢园园，张育婵

(1.中船黄埔文冲船舶有限公司，广东 广州 510715；2.广船国际有限公司，广东 广州 511462)

0 引 言

为应对国际海事组织(IMO)及各国日趋严格的碳、硫、氮减排强制性法规相关的环境保护要求，世界上各大造船企业、主要航运企业和船舶设计研究院所正在积极推动绿色环保新能源技术应用于实船，以集成柴油发电机组和储能系统作为新能源船舶电站的柴电混合动力船舶实例应用较具有代表性和革新性[1]。将储能系统作为一种新能源引进船舶电能系统，通过等效折减(或降低)常规柴油发电机组装机容量(或输出功率)的技术途径，可显著减少废气排放量和降低能效设计指数(EEDI)[2]。

目前柴电混合动力系统主要应用于渡船、小型客船及游览观光船，涉及电站及储能系统功率较小，运行模式单一。深圳海上危险品应急指挥船主要作业于液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)储存等易燃易爆危险区域，配置3台2 000 kW柴油发电机组、2套650 kW·h动力锂电池组及2台3 000 kW/660 V永磁电机，是世界领先的柴电混合动力系统(柴油发电机组+锂电池组)船舶。该型船在系统设计时着重考虑其电站和储能系统容量大、作业工况复杂、运行模式多样等特点。

1 系统组成

该型船的柴电混合动力系统基于船舶在危险环境下的运行工况要求设计，包括柴油发电机组、配电板系统、推进器电力驱动系统/吊舱推进器和储能系统等4个部分。电制采用690 V/50 Hz三相绝缘系统，发电机组布置在机舱，配电板布置在集控室，动力电池组布置在动力电池间。柴电混合动力系统单线图如图1所示，其中：DG(Diesel Generator)为柴油发电机；AC为交流电；NC(Normal Close)为常断阀；AFE(Active Front End)为有源前端；MTM(Main Thruster Motor)为主推进器电机；BTM(Bow Thruster Motor)为艏侧推器电机。柴电混合动力系统设备配置如表1所示，其中：EMS(Energy Management System)为电能管理系统；PLC(Programmable Logic Controller)为可编程逻辑控制器；DCU(Drive Control Unit)为驱动控制器；BMS(Battery Management System)为电池管理系统。

表1 柴电混合动力系统设备配置

图1 柴电混合动力系统单线图

2 储能系统

2.1 系统概述

整个储能系统由动力电池组、直流电(DC)/AC逆变器、隔离变压器、BMS和电池舱灭火系统组成。动力电池组由单体电池组成电池模块，电池模块串联安装于电柜内，电柜并联，通过逆变模块与电网连接，可双向控制放电和充电，并通过BMS实时监控电池状态、安全管理及保护电池系统。

储能系统在海事方面可供遵循的法规、规范和标准相对较少，目前设计和配置主要根据中国船级社(CCS)的《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》《纯电池动力电动船检验指南(2019)》及美国船级社(ABS)的GuideforUseofLithiumBatteriesintheMarineandOffshoreIndustries规范进行设计，其他主要以陆用标准为主，包括《电动车辆传导充电系统第1部分：通用要求：GB/T 18487.1-2015》和《电磁兼容 试验和测量技术：浪涌(冲击)抗扰度试验：GB/T 17626.5-2008》等。

2.2 系统容量及组成

储能系统容量取决于船舶实际使用情况。在码头发生危险品事故应急时，该型船进入危险区域航行，切断所有室外非防爆设备，在限定航速(7 kn)下使用动力电池为全船动力设备及其他相关设备供电，航行时间不低于2 h。该型船的应急救援电力负荷计算结果如表2所示。汇总后的实际功率为520.4 kW，需要电量(使用2 h)为1 040.8 kW·h，动力电池组容量(满足0.5 C充放电需求)为1 300 kW·h，负荷率为80.1%。

表2 应急救援电力负荷计算结果

根据上述计算结果选用动力锂电池系统，该系统由DC/AC逆变器、隔离变压器、动力锂电池组等组成，每个电池舱配置1组电池系统，包含6个电柜和1个控制柜，每2个电柜串联形成1个支路，支路额定电压可达927.6 V，3个支路并联。动力锂电池系统架构如图2所示。动力锂电池系统组成如表3所示。

表3 动力锂电池系统组成

图2 动力锂电池系统架构示例

2.2.1 动力锂电池组

动力电池组选用磷酸铁锂电池，电池模块采用标准化设计，尺寸完全一致，具有较高互换性。电池组由电池架/电柜并联组成。由独立的2组电池分别为每段母排供电，每组电池由2～3个电池簇组成，每个电池簇通过1个高压配电箱供电，每组电池的2～3个电池簇通过高压配电箱并联组成1个电池组。电池组在设计上考虑动力冗余，即每组电池中的1簇电池在出现故障不能并网时，其余簇仍可输出额定功率。动力锂电池组主要技术参数如表4所示。

表4 动力锂电池组主要技术参数

2.2.2 BMS

BMS是保证锂电池安全的另一个重要组成部分，主要负责电池的监测保护和电能均衡功能。该系统由荷电状态(State of Charge,SOC)估测、动态监测和电池均衡等3个模块组成[3]，是锂电池作为电能必不可少的监控设备。一般根据需要确定选择1个BMS管理几个或几十个单体锂电池，主要对单体电池进行实时监控，包括电池状态监测、电池状态分析、控制功能、电能管理、电池安全保护，并对外传输电池运行状态、监测报警、降功率和停机信号。BMS主要功能如表5所示。

2.2.3 电池舱灭火系统

与采用传统柴油机推进的船舶动力电池间安全要求相比，锂电池在作为船舶动力源时，电池舱及舱内电池的安全性要求更高。目前主要通过七氟丙烷气体自动灭火系统保证船用动力电池的安全和使用。配置的电池舱灭火系统为七氟丙烷气体自动灭火系统工程及报警系统，包括2个保护区，每个保护区配置1套灭火系统。设计分为自动控制方式和手动控制方式。

(1)自动控制：气体灭火控制器处于“自动”状态，在任一烟感和温感探测器发出报警时，气体灭火控制器发出火警信号，该系统自动启动灭火系统进行灭火；在保护区无人值班时，应将气体灭火控制器调为“自动”状态。

(2)手动控制：气体灭火控制器处于“手动”状态，在任一烟感和温感探测器发出报警时，气体灭火控制器发出火警信号，在由值班人员确认后，按下气体灭火控制器上或防护区门外侧的紧急启动按钮，启动灭火系统进行灭火；在保护区有人值班时，应将气体灭火控制器调为“手动”状态。

3 电池舱布置

由于动力电池组在高温或受到外力碰撞时易出现爆炸等情况，因此在布置时应在通风和消防等方面进行考虑[3]。船级社及电池布置要求如下：(1)电池舱舱内应布置空调通风以满足储能系统正常工作的环境温度需求；(2)电池舱不应设置蒸汽加热管路和电加热等其他热源，以防止舱内温度过高；(3)船舶水管应避开电池舱(系统冷却必需除外)，以防止产生漏水，从而对电池造成损坏；(4)动力电池组动力电池应分为2套并安装在2个独立舱室，电池舱与其他相邻舱室应满足A-60防火分隔需求[4]；(5)电池舱内应布置温度探测装置和火警报警探头，可在温度异常或发生火灾时在船舶驾驶室发出声光报警；(6)应配置用于扑灭电池火灾的七氟丙烷气体灭火系统；(7)电池应安装在专用舱室内或开敞甲板上的箱或柜中；(8)电池应位于防撞舱壁后、除机炉舱外的区域；(9)对于船长≥20 m的船舶，电柜与舱壁的间距应≥150 mm，与上甲板的间距应≥500 mm(散热)，与舷侧板在水平方向的间距≥500 mm(防撞)；(10)电池舱的出入口应直接通向开敞甲板，起居处所不可设置直接通向动力电池舱的门或其他开口。动力电池舱布置如图3所示。

图3 动力电池舱布置

4 EMS

混合动力船舶EMS通过对混合动力系统进行整体性电能和电能需求分析，制订系统控制策略和电能管理实施方案。作为混合动力船舶EMS的运行控制神经中枢[5]，柴电混合运行模式是EMS的核心和主要设计依据方向。该型船具有发电机组电力推进、发电机组/动力电池组混合电力推进和纯电池动力推进等3种推进工作模式，因此需要着重考虑如下运行模式：

(1)全速/巡航模式

在该型船处于全速航行工况时，系统由3台AC 690 V柴油发电机组并网供电，通过2套AFE变频器驱动主推进器电机。此时若电站存在裕量，可向动力电池组充电；动力电池组不并网供电。

(2)经济航行模式

在该型船处于经济航行工况时，系统由2台AC 690 V柴油发电机组并网供电，通过2套AFE变频器驱动主推进器电机，同时动力电池组接入电网。在机组负荷率较高(例如85.0%，可设定)时，若出现突加负载，不会启动备用发电机组，而是由电池补充供电；在负载下降后，优先对电池充电。电池浅充浅放，实现削峰填谷。

(3)动力定位(Dynamic Positioning,DP)模式

在该型船处于DP工况时，系统由1台AC 690 V柴油发电机组与动力电池组并网供电，通过2套AFE变频器驱动主推进器电机和艏侧推器电机实现船舶DP。根据DP的初步计算分析，1台发电机组可满足DP所需要的电能需求。动力电池组主要作为备用动力源，提高系统的安全性。

(4)救援模式

在该型船处于救援工况时，柴油发电机组停止，动力电池组通过DC/AC逆变器放电至AC 690 V交流母排，向全船用电设备供电。

(5)驻停模式

在该型船处于驻停工况时，柴油发电机组停止，电池工作处于充电或放电工况：①连接岸电，岸电在供日用电的同时，向动力电池组充电，充电倍率满足1 C充电需求；②不连接岸电，动力电池组通过DC/AC逆变器向全船用电设备供电。

(6)混合推进模式

在该型船处于极限工况时，系统由3台690 V柴油发电机组与动力电池组联合供电，主推进器电机运行功率约3 000 kW。每台柴油发电机组分配负荷约2 000 kW，动力电池组分配剩余所需要的负荷约319 kW。

5 配电板系统

配电板系统包括AC 690 V、AC 400 V和230 V主配电板、动力变压器及应急配电板。动力锂电池组通过逆变器挂载在AC 690 V母排上。EMS根据当前供电状况选择合适的发电机数目(从1台发电机到所有发电机组与动力电池组联合供电)以达到最佳总效率。柴油发电机组通过自动模式(正常模式)或手动模式向船舶的低压配电网输入电能。电力设备的控制命令通常由EMS执行。可对配电板进行本地操作，但主推进器电机DCU的馈电除外。每个主推进器电机DCU的断路器只能通过主推进器电机DCU控制。在电力推进船舶上，电力设备的可靠性和安全性至关重要。整个配电板系统及其部件的设计宗旨是在任何航行条件下尽可能保证电力供应、推进与操舵及操作的稳定性，可确保在出现超载、短路和接地故障等电路故障时进行选择性跳闸。EMS与BMS通过通信方式可实时监测和控制电池组，确保船舶安全与稳定运行。

6 结 语

基于储能技术的柴电混合动力是满足当前碳达峰和碳中和切实可行的方式，适用于多种船舶类型，在国外相应技术已发展得较为成熟。目前我国正大力鼓励发展新能源船舶，预计将在各类船舶上得到广泛应用，所涉及的系统组成、设备配置、动力电池舱布置要求、EMS、运行模式等方面的设计及其应用，可对柴电混合动力船舶的发展起到引领作用。