船用磷酸铁锂电池储能系统配置关键技术

陈志宇，徐水金，张学瑾，陈海金，杨泽滨

(1.中船黄埔文冲船舶有限公司，广东 广州 510715；2.上海凌耀船舶工程有限公司，上海 201100；3.上海船舶设备研究院，上海 2 000311)

0 引言

船用锂电池动力系统兼备节能环保、低振动噪声、布局灵活等优势[1]，逐渐受到业界的重视与青睐。锂电池兴起于2000 年初期，是钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂等锂元素电极材料电池的统称。其电池的能量密度远高于传统的船用蓄电池，可达80～200 Wh/kg，同时还具有极高的能量效率（>97%）和极低的自放电率（<0.3%/天）[2]，尤其磷酸铁锂电池安全高，兼具高性价比，是目前开展研究最多的蓄能技术。但是随着磷酸铁锂电池在船上使用及其装船容量逐年递增，业内对磷酸铁锂电池储能系统的安全性和可靠性提出了更严格的要求。本文分析研究船用磷酸铁锂电池储能系统的关键技术，以智能型无人系统母船为载体阐述磷酸铁锂电池储能系统的集成方案配置，为工程设计人员提供参考和借鉴。

1 磷酸铁锂电池储能系统特性分析

1.1 磷酸铁锂电池的特性分析

能量密度：相同质量的条件下，其能量密度是传统蓄电池（如铅酸电池）的3～5 倍。

放电率：工作在不同的放电率下，磷酸铁锂电池在放电电压基本维持在设计阈值内。

使用寿命：在同等容量下，磷酸铁锂电池循环次数在3 倍于传统铅酸蓄电池时，其容量仍能保持在正常水平区间。

安全性：大部分锂电池的安全问题持续受到用户的质疑，但磷酸铁锂电池正负极本身有着较高的热稳定性，并可对电池包内部结构进行优化设计，使其通过目前行业内较高标准的性能测试及安全测试。有研究表明，在磷酸铁锂电池使用环境周围无明火状态下，其热失控一般不发生主动式爆炸[3–4]。

通过对智能型无人系统母船的磷酸铁锂动力电池的电芯热失控试验，试验过程中释放的气体成分结果见表1。

表1 电池单体热失控气体成分表Tab.1 Composition table of thermal runaway gas of single cell

该电池在热失控情况下，由于磷酸铁锂结构稳定，在高温时未见氧气析出，涉及的化学反应主要是在阳极与电解液之间发生。热失控时，电芯内部温度约300℃，远低于电池可释放的可燃气体在空气中着火温度（530℃～750℃），因此不会引燃可燃气体。可见，在没有助燃物的情况下，该船配置的磷酸铁锂动力电池在热失控时不会发生燃烧爆炸，其安全等级为2，满足船级社标准相关要求。

1.2 船用磷酸铁锂电池储能系统的特性分析

大容量动力电源。由于磷酸铁锂电池的固有电化学特性，虽然单个的电池单元容量小电压低，但在实际应用中可将小的电池单元加以扩展和封装，形成电池簇，更大的电池阵可由多个电池簇并联得到，其容量可达到兆瓦的级别[5]，不仅能满足船舶储能的需求，甚至可作为船舶主动力电源。

与直流电网并网的兼容性好。当作为船舶动力电源或电网储能系统时，磷酸铁锂电池储能单元的直流特性与常规柴油发电机组的交流特性相比不需要考虑频率和相位的匹配问题，具有并网制约因素少、系统响应快等特点。其中，作为储能系统时，其传统传递模式[6]主要有3 种：

1）当电网负荷率高于发电机组设定负荷率时，为了保持发电机组的最佳负荷率，由磷酸铁锂电池储能单元承担剩余功率储能单元放电；

2）当电网负荷低于发电机组最优负荷率时，发电机组的剩余功率用于给磷酸铁锂电池储能单元充电；

3）负载向电网反馈能量（如吊舱电力推进系统在推进电机刹车过程的能量流向）时，其能量被储能单元回收利用。

可见，在船舶电力系统中配置磷酸铁锂电池储能单元可使柴油发电机组保持在理想工况，提高能效和经济效益，且可避免在负载电机有能量回馈时，其回馈能量对电网造成激烈波动。

2 磷酸铁锂电池储能系统特性分析

中国船级社《纯电池动力船舶检验指南》（2019）提出船用磷酸铁锂动力电池主要涉及的潜在风险有：热失控、电击风险、火灾爆炸风险、气体蔓延风险以及外部火灾风险[7]。

2.1 热失控

针对热失控风险，在设计时可在舱室内配置探火和灭火系统，以实现对电池包早期火灾感知、智能判觉及抑制早期火灾。舱室内根据电芯热失控试验释放的气体成分配置对应的气体传感器，同时搭配烟雾传感器及温度传感器，通过多传感器的负荷判断提前预知热失控风险，并在驾驶室等控制站通过专业的复视器进行声光报警。同时感知系统设置成在达到一定感知阈值时与舱室排风机实现联锁功能以便实现自动应急排风。

2.2 电击风险

针对电击风险，主要依靠预防性措施，在电池包设计选型时，优先考虑内部电气元件之间及与外壳间的绝缘强度（满足CCS 要求）；同时通过电池管理系统（BMS）进行实时电池系统绝缘状态跟踪及输出绝缘低报警信号。

2.3 火灾爆炸风险

针对火灾风险，目前主流的方式是采取预防、阻断和降损相结合[8]：1）电池模块外壳结构设计，通过有效的防护措施增强电池包结构的强度和耐火的等级，避免单个或多个电池在受到碰撞和挤压等情况下引发热失控的一系列连锁反应；2）考虑内部空间设计散热能力，能一定程度上缓解内部热集聚速度；3）电池内部各组件选型时，重点关注其各自着火点数据，选用高着火点温度值的材料；4）采用BMS 实时跟踪电池电压值和温度值，在超过阈值时输出相关报警信号，甚至停止相应的电池充放电操作；5）在舱室内及外配置声光报警装置，并同时在船上公共场所输出延伸声光报警信号，给予舱内工作人员及船上人员最大限度的紧急处理和逃生时间窗口；6）针对磷酸铁锂电池热失控时的灭火有效性研究，在电池安装处所/舱室设置七氟丙烷灭火系统[9]，有效对初期火情进行控制。

针对爆炸风险，可参考预防火灾风险的相关措施，重点关注电池包及整体电模块内外压平衡问题，电池包的设计还要考虑在其可能发生爆炸时的泄压能力，从而降低爆炸时的力度。

2.4 气体蔓延风险

针对气体蔓延风险，通常：1）电池包设计选型时优先选用散热、阻燃出众的材料；2）同时参考预防防爆风险的措施，配置防爆阀；3）采用BMS 实时监控电芯温度、绝缘、荷电状态 (SOC)、电压等电池模块状态参数，当超过相关阈值时可采取停止相应的电池充放电操作的措施。

2.5 外部火灾风险

针对外部火灾风险，实时监控环境温度，在环境温度达到报警值时预先在舱内外输出声光报警信号，并同时在船上公共场所输出延伸声光报警信号，给予船上人员宽裕的紧急处理时间。当超过阈值时，BMS系统触发对电池电池停止充放电操作，同时自动联锁起动舱内七氟丙烷灭火系统进行灭火降温。

2.6 船用磷酸铁锂动力电池安全策略

该船在开发阶段，为确保船用磷酸铁锂动力电池系统高安全性，已采用多重策略以防止电池系统出现过充、过放、过温、过流的风险。

电池管理系统采用3 级预警机制，1 级主要为船员进行报警提示，2 级将触发降功率或者启动降温措施等，3 级将停止运行电池系统，通过BMS 与船上常规监测报警系统的通信来提示磷酸铁锂动力电池系统的工作状态，通过BMS 与能量管理系统的重要数据交换，来触发控制降功率或者启动降温措施等动作的执行。

3 磷酸铁锂电池储能系统集成配置方案

以智能型无人系统母船为载体，对船用磷酸铁锂储能系统的集成配置方案进行阐述。

3.1 电池子系统配置

为实现零排放达到高环保要求，动力蓄电池组是该船在港口低速航行时唯一动力来源。考虑到该船在进出港工况下，根据船舶电网设计原则[10]，按照连续负荷和间断负荷分类计算电力负荷，电力推进负荷235.5 kW（吊舱推进负荷126 kW；回转负荷(考虑到负荷系数LF-0.2 和同时系数CF-0.5 为18 kW)；首侧推装置负荷(考虑到负荷系数LF-0.16 和同时系数CF-1 为91.5 kW)），其余船舶系统负载约为287 kW，合计约525 kW。按1 小时配置该动力蓄电池，并计及安全裕度12.5%，动力电池的总容量设计为600 kWh。此容量配置方案可满足推进需求（其中电力推进系统有效功率占电网容量的40%）。

该船直流母线电压为1 000 V，配置电池总容量为Pah=600 Ah，能满足系统需求。具体配置如下：选用某厂家经船级社认证的3.22 V，271 Ah 磷酸铁锂电芯；5 个电芯串联后形成1P5S（1 并5 串）模组，电池包为4 个模组1P20S（1 并20 串）结构，电池包内部设置有电池单体电压和温度采集的模块。按照单个电池包标准充放电电流为100 A，最大持续充放电电流为200 A。单簇电池由12 个电池包组成，形成1P240S（1 并40 串）电池簇结构，电压为772.8 V，总计电量209.4 kWh。分成2 组：1 号电池组由1 个电池簇并联而成，电压为772.8 V，总计电量209.4 kWh；2 号电池组由2 个电池簇并联而成，电压为772.8 V，总计电量418.8 kWh；电池系统由2 个电池组并联而成，电压为772.8 V，总计电量628 kWh。

3.2 电池管理系统

该船采用三级架构模式的电池管理系统，形成电池域管理单元（BAMS）、电池簇管理单元(BMMS)、模块管理单元(BCMS)，如图1 所示。

图1 电池管理系统构架图Fig.1 Battery management system architecture diagram

该系统主要由3 个电池簇、3 套BMMS、2 套BAMS、集控室显示屏等组成。集控室集控台显示屏用于监控和部分控制功能，其余部件均安装在电池舱内。

高压盒及簇管理单元可实现功能：与BCMS 通信及供电；总电压、总电流采集；绝缘、室温检测；充放电控制；SOC 计算；状态诊断、故障定位，并实现保护及报警功能。

域管理单元盒用于实现：1）与高压盒及BMMS通信及供电。接收高压盒上传的电池簇运行状态信息、故障信息、电池簇运行参数等信息；接收高压盒上传的请求指令；给高压盒发送待机、放电、充电、停止放电、停止充电等指令。2）与能量管理系统（EMS）装置及全船监测报警通信。上传所有电池簇的信息给对于系统。3）决策功能。通过与EMS 装置交互，上传电池和系统信息，接受控制命令；执行电池簇并联管理策略。

3.3 储能系统功能

近年来大容量储能技术不断进步，在综合考虑了电池储能单元的各项技术指标后，其在陆地上的并网应用越来越多[11–12]，进而储能单元船用并网技术也在逐渐开展。该船储能系统通过DC-DC 变流器模块，实现充放电控制。在充电工况下，变流器配合滤波器（LDC）电路将直流母排电压1 000 V DC 进行降压斩波至电池组充电所需的电压阈值。在放电工况下，直流换流器配合滤波器（LDC）电路将电池侧低压进行升压斩波，使直流母排电压稳定在1 000 V DC，通过直流母排实现向推进器和日用负载供电。该船磷酸铁锂电池储能系统实现就地和集控室遥控2 个控制位置进行操作。

在集控室遥控时，EMS 根据当前电网负荷状态实时对电池进行控制，当电网的负荷率低于30%（可手动设置）且电池SOC 低于85%（可手动设置）时，EMS 发出起动命令，开始对电池进行充电，当电网的负荷率超过60%时，充电停止。EMS 系统会实时监测当前电网负荷的变化，当有高频的负荷变化时，会让电池系统进行快速充放电，从而避免柴发机组的负荷激烈波动。

储能系统还有维持当前直流电网电压的功能，当电网电压高于1 050 V 时，EMS 就会控制电池充电，当直流电网电压低于950 V 时，EMS 就会控制电池系统进行放电，从而维持电网电压的稳定。

4 磷酸铁锂应急蓄电池配置方案

传统船舶通常采用应急发电机组作为船舶应急电源，该船开创性地采用磷酸铁锂蓄电池作为船舶应急电源，其主要有轻量化、清洁环保和高安全性等特点。

根据中国船级社规范要求，蓄电池容量需满足应急情况下使用设备的负荷要求[13]。根据该船应急情况优先保障供电的设备配置情况，船上应急电源有220 V AC和24 V DC 两种电制（380 V AC 电制的设备需配置独立的不间断电源UPS 或手摇启动装置），故该船磷酸铁锂蓄电池系统需要配置2 种电制。应急电源系统需额外配置逆变器，将磷酸铁锂电池组输出24 V DC 电源转换为220 V AC 电源。特别需注意：船上应急电源为220 V AC 电制的设备是交流单相或交流三相的问题，考虑到部分船舶在开发设计阶段，为了均衡整体船舶电网的三相功率负荷，通常直接采用24 V DC 电源转换为三相220 V AC 电源输出方案，但对应的逆变系数降低问题需通过合适的电源模块选型来解决。在方案设计时尽量选用纯正弦波、失真率低，且高输出效率的产品，同时该电源模块还需满足过流、短路、过温等保护功能，否则将大大增加蓄电池组的计算容量。

船上的两类电制优先保障供电设备需求情况见表2。

表2 应急蓄电池组负荷及容量统计表Tab.2 Statistics of load and capacity of emergency battery pack

蓄电池容量计算如下式：

式中：C为蓄电池容量需求，kWh；PAC为交流用电设备功率，kW；PDC为直流用电设备功率，kW；t为规范规定的用电时间，取18h；K1为用电设备使用系数；K2为逆变系数，根据系统设计要求，取0.8。

相关数据代入式（1），该船应急蓄电池容量C=158.5 kWh。

考虑到安全裕量，该船磷酸铁锂应急蓄电池系统配置组成主要包括电池系统、充放电板和UPS。

1）电池系统由28 个磷酸铁锂电池包串并联组成，采用3.22 V DC，271Ah 磷酸铁锂电芯，4 个电芯串联后形成1P4S 模组，电池包为2 个模组1P8S 结构。单簇电池由1 4 个电池包组成，形成1 4 P 8 S电池簇结构，电压为25.76 V DC，总计电量97.72 kWh。电池系统由2 个电池簇并联而成。设计总容量为7 588 Ah，额定电压25.76 V DC，输出电压为23.2～28.8 V DC，合计电量约为195.4 kWh。

2）充放电板由整流器、充电机和分电板组成。整流器为24 V DC 负载供电，正常输出电压为28.8 V DC，输出功率约为8 kW。主电源失电时，由电池包为24 V DC负载供电，放电深度为90%情况下，可满足8 kW 放电时长18 h 电量的需求。

3）考虑到供电的不间断性，在主配电板失电后，BMS 的220 V AC 电源丢失，导致整套充分电板工作失效。故BMS 额外配置1 套UPS 24 V DC，5A。根据充放电板的工作时间，需同时满足18 h 放电时长要求，故该船BMS 配置UPS 容量为120 Ah。

5 结语

随着大容量磷酸铁锂动力蓄电池储能系统的技术不断成熟和进步，其在船舶的应用前景受到高度关注，本文分析磷酸铁锂电池系统的特性，对磷酸铁锂动力电池风险提出相应的应对措施。以智能型无人系统母船为载体，阐述该船的磷酸铁锂储能系统集成配置方案和磷酸铁锂应急蓄电池配置方案等关键技术，为工程设计人员提供参考和借鉴。