纯电池动力船舶续航力适宜性与经济性研究

蔡旭雯，谭祖胜，夏 军，吴放明，韩 莉

（1.武汉易华船舶设计有限公司，湖北 武汉 430063；2.武汉理工大学船海与能源动力工程学院，湖北 武汉 430063；3.江苏海事局，江苏 南京 210009）

0 引 言

2020年12月12 日，国家主席习近平在国际气候雄心峰会上发表了题为《继往开来，开启全球应对气候变化新征程》的重要讲话，宣布国家自主贡献一系列新举措，到2030年，我国单位生产总值二氧化碳排放量将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费的比例将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿m3，风电和太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上，力争在2030年之前使二氧化碳排放达到峰值，在2060年之前实现碳中和，为绿色发展订立了新目标。

船舶能源结构改革经过近几年的实施取得了关键性进步，以磷酸铁锂电池为能源的纯电池动力船舶得到了迅速发展［1］，我国船级社规范和海事局法规的研究成果对该类船舶的发展起到了引领和指导作用，从设计、建造和检验等多个方面对磷酸铁锂电池在船上的应用作出了明确的规定［2-3］。

与传统的柴油动力船舶相比，纯电池动力船舶具有便于维修、振动和噪声小、污染物排放少和环保性能好等优点，可有效解决大气污染和噪声问题。然而，基于磷酸铁锂电池的各项特性，对其安全性、可靠性、续航力、工作寿命、充放电次数（电量最少不低于20%）、投资和营运经济性等提出了一定的要求［2-3］，这使得磷酸铁锂电池在船上的应用面临着一定的困难，在一定程度上限制了纯电池动力船舶的发展。

本文以某型纯电池新型公务船研究项目为例，仅基于船舶柴油动力形式与纯电池动力形式中的能源对船舶舱室空间和排水量的需求对比，以及投资和运营成本对比，从纯电池动力船舶续航力的适宜性和经济性2个方面进行分析，提出一种解决方案，供纯电池动力船舶的立项可行性论证、研发和设计参考。

1 纯电池动力系统方案分析

本文仅从电力系统方案、机舱布置、电池舱布置和电池安装要求等方面进行分析。

1.1 电力系统方案

采用纯电池提供船舶动力，电力系统一般为电池与直流配电板连接，通过逆变电源向辅助设备供电，通过逆变器向推进电机供电［4-6］。

为保证船舶安全、可靠，法规和规范要求母排不少于2段，电池可采用2簇、4簇、6簇、8簇和10簇等偶数簇数［2-3，7-8］。

电池分簇数量根据技术可行性、系统复杂性和可靠性及性价比等因素确定。若将电池分为2簇，则当单个电池簇发生故障时会失去50%的动力，系统的可靠性较差；若将电池分为10簇或10簇以上，10簇系统的可靠性较好，但故障点较多，性价比较低；若将电池分为4簇、6簇或8簇，则系统的可靠性较好，故障点较少，性价比较高。

本文研究的项目的2段母排分为2组，共6簇，并联构成电池系统方案。

1.2 机舱布置与机舱容积

电池舱内不得布置与电池无关的设备［2-3］，因此纯电池动力船舶需设置机舱。

一般柴油动力船舶机舱内布置的主柴油机、柴油发电机组、日用油柜、燃油泵和水泵及相应的管系、变压器、主配电板和电缆等，由纯电池动力船舶机舱内布置的推进电机、直流配电板、交流配电板、隔离变压器、电力变压器、推进变频器、制动电阻箱、水冷柜及相应的管系、控制箱和电缆等替代。在纯电池动力船舶机舱内的设备中，除了电机和变压器等设备与柴油机的体积紧凑程度相当，考虑到电器元件的安装和散热等要求，其他设备的体积均相对更大，且数量更多；管系的规格和数量相对较少，电缆的规格和数量相对更多。

根据本文研究项目的实际布置对比情况，纯电池动力船舶的机舱在满足设备间距要求，且其布置相对更紧凑的情况下，其容积与柴油动力船舶相当，设备的总重量略大于柴油动力船舶。

1.3 电池安装要求与电池舱容积

在设计电池系统时，需从电池管理、电池散热、电池维护空间和环流影响等方面综合考虑，我国海事局法规和船级社规范也有严格的规定，比如对电池舱数量的要求，对电池舱的分舱布置与船舶总布置及结构关系的要求，对电池舱的脱险与维护通道的要求，对电池舱的通风与消防的要求，对电池的吊装与安装的要求，对电池与舱壁和甲板间距的要求等［2-3］，这些要求决定了电池舱容积并不仅等于或略大于电池总容量所占体积，亦即电池舱的容积系数较大［9］。

1.4 综合分析

纯电池动力船舶的机舱容积和机舱设备总重量与柴油动力船舶相当。

基于系统的可靠性、安全性和维护便利性等方面的要求，纯电池动力系统均具有一定的复杂度，其单位电池容量对安装、运行和维护空间的要求也较高，特别是对电池舱数量、通道和安装间距等参数的安全技术要求，船舶尺度和续航力要求越小，单位电池容量空间占比越大。

因此，下面仅从柴油和电池2种能源对船舶排水量和舱容的需求的角度进行分析。

2 续航力适宜性分析及电池容量推荐方案

2.1 开展续航力适宜性分析的必要性

根据对用船状态和用船需求的调研结果，日常巡航值班和救助工况下的续航力要求为2～4 h，白天使用间隔为2～4 h。

设计航速取不小于15 kn，根据阻力性能估算结果，采用2台推进主机，每台推进主机的功率约为250 kW。下面仅以推进功率为例探讨开展续航力适宜性分析的必要性。

对于柴油动力推进，以15 kn航速下的续航力为4 h、柴油机的燃油消耗率为210 g/（kW·h）、柴油密度为0.85 t/m3计算，柴油的重量和容积［9］分别为

式（1）和（2）中：Qye为推进用柴油的重量，t；ge为推进柴油机的燃油消耗率，g/（kW·h）；Ne为推进主机的额定功率，kW；T为续航力，h；Z为推进主机的数量，台；Vye为柴油总容积，m3；γ为柴油密度，t/m3。

目前还没有相关理论可用来指导纯电池动力船舶电池容量的计算，一般在设计纯电池动力船舶时参考柴油动力船舶燃油贮存量计算公式和相关变量的取值方法。以目前比较典型的某品牌电池包为例，单个电池包的容量为13.5 kW·h，重量为130 kg，外形尺寸为700 mm×550 mm×330 mm，按15 kn航速下的续航力为4 h计算，推进电池的容量、重量和体积分别为

式（3）～式（5）中：De为推进电池的总容量，kW·h；Qde为推进电池的重量，t；de为单个电池包的容量，kW·h；λ为单个电池包的重量，kg；Vde为推进电池的总体积，m3；Ve为单个电池包的体积，mm3。

在电池舱内布置电池时，还需留出1.3节要求的空间，这些额外的空间占电池舱的比例与电池的总容量及其布置有关，一般电池总容量越小，占比越大，反之亦然。柴油舱只需考虑总计约1.25倍的风浪系数、可利用系数和温度膨胀系数等因素［9］。即使忽略其他差异，在相同的续航力需求下，电池对船舶排水量和舱容的需求仍为柴油的40倍以上。

船舶的航速和续航力与电池容量密切相关，电池的能量密度相比柴油非常低，过高的航速和续航力要求势必占用船舶相当大的排水量和舱容。

船舶排水量和舱容与船舶阻力和船舶有效功率需求是相辅相成的，船舶的有效功率直接决定其推进功率，进而决定电池容量。因此，对于纯电池动力船舶而言，在确定续航力指标之前，应根据船舶的用途、航区和充电条件等因素对其适宜性进行必要的论证分析，根据任务需求与船舶在港和在航时间分布情况合理配置电池容量。

2.2 日用电力负荷取值

日用电力负荷为不包含推进功率的电力负荷，按目标船及与目标船同等尺度公务船的设备配置要求，分别对航行状态、进出港状态和停泊状态3种状态进行估算，进出港状态功率需求最大，本文日用电力负荷取15 kW作为分析依据。

2.3 推进功率电池容量配置需求分析

以日航行8 h，日充电2次，单次续航力4 h为例，根据船型阻力性能估算对不同航速下的推进功率的需求，不同工况下的航速、推进功率、电池容量和续航里程见表1，其中变工况/组合工况由15 kn航速下航行0.5 h，12 kn航速下航行1.5 h、10 kn航速下航行1.5 h和8 kn航速下航行0.5 h等4种工况组成。

表1 不同工况下4 h续航力的电池容量和续航里程

由表1可知，不同工况对电池容量的需求相差很大，但续航里程的差异相对较小。

根据2.1节的分析和对公务船工况特点及船型需求的研究，主要有巡航值班和紧急救助2种情形，前者最为常见，后者航行时间更短。以4 h的巡航值班为例，靠离码头时必定会低负荷运行，且时间均不长；在值班航段，一般采用巡航工况航行，根据需要和驾驶习惯，以及水流情况等，负荷稍有波动；偶尔会在满负荷工况下机动航行或纠察违规情况等。因此，本文推荐按变工况/组合工况配置电池，这样比较符合实际的航行需求。

变工况/组合工况下的电池容量不到满负荷工况的50%，续航里程相当于满负荷工况的75%，与巡航工况下的续航力相当，具有更合理的续航力适宜性。因此，本文按920 kW·h的有效推进电池容量作进一步的研究分析。

2.4 电池总容量推荐方案

纯电池动力船舶的电池和BMS（Battery Management System）包括推进功率和日用电力2部分，根据2.2节和2.3节确定的数据，按4 h航行需求，不同百分比的放电续航力最大电池利用率所需电池容量为

式（6）～式（8）中：D85%、D90%和D95%分别为85%、90%和95%的放电百分比所需电池总容量；De为推进电池有效容量，kW·h，见第2.3节；Df为日用电力负荷有效电池容量，kW·h，见第2.2节。

以典型的13.5 kW·h电池包为例，以90%报警点电池容量需求为基础，综合考虑2.1节的分析，并计及电池在使用过程中的容量衰减，推荐安装78个电池包，容量共计1 053 kW·h。根据法规和规范的要求，将78个电池包分为2组，每组1套BMS电池管理盒，2组电池包由1套直流配电板统一管理；同时，将每组电池包分为3簇，每簇13个电池包，分别由1套高压箱接入BMS电池管理盒和直流配电板。

3 续航力经济性分析

根据第2.1节和2.2节的分析，推进功率为2×250 kW，日用电功率为15 kW，以此为基础，对纯电池动力船舶和传统柴油动力船舶的经济性进行分析。

3.1 按柴油动力估算

取每台主柴油机的额定功率为250 kW，每台日用功率为15 kW的发电机组柴油机按额定功率18 kW计算，日平均航行时间按变工况折算成满负荷4 h计，主机和发电机组装船成本及运营用油成本估算结果见表2。

表2 主机和发电机组装船成本及运营用油成本估算结果

3.2 按电池动力估算

忽略其他影响因素，取推进电机功率为2×250 kW，日用功率为15 kW，其他参数同上，纯电池动力装船成本及运营用电成本估算结果见表3。

表3 纯电池动力装船成本及运营用电成本估算

3.3 按推荐电池更换周期对比分析

据目前的调研结果，一般要求电池约在5 a后更换，下面按周期为5 a进行对比分析。

根据第3.1节和3.2节的估算，纯电池动力的初投资成本相比柴油动力增加约73.54万元，年营运成本相比柴油动力减少约56.64万元，5 a合计节省营运成本约283.20万元。

因此，在第1个5 a周期内，纯电池动力船舶相比柴油动力船舶，在目前的市场行情下具有明显的综合成本优势。

不计电池技术发展及柴油机大修成本，仅按上述数据计算，以后每5 a更换1次电池需投入的成本约为140万元，而柴油动力船舶无更换投入。计及节约的营运成本，以后每隔5 a，纯电池动力船舶的综合成本相较柴油动力船舶，仍具有一定优势。

随着电池技术逐渐成熟，并得到广泛应用，电池成本会下降，电池有效使用寿命会延长；随着码头或趸船电网改造升级［10］，电池动力船舶的数量增加，充电电价会下降或是微幅上涨；我国电价放开范围扩大以后，在国家政策的引导下，岸电价格会进一步下降［11-12］；相比而言，受石油能源减少和国际油价上升的影响，油价整体呈上升趋势。因此，除了环保带来的社会效益以外，未来纯电池动力船舶相对柴油动力船舶的成本优势也将更加显著。

4 结 语

通过分析计算，提出了符合续航力适宜性和经济性的电池容量计算方法，可指导解决纯电池动力船舶发展面临的关键问题。该方法为基于公务船型得到的研究成果，其他船型可参考本文的思路进行分析计算。在研发设计纯电池动力船舶时，不能像柴油动力船舶那样完全按理论计算方法简单计算电池容量，而应首先对船舶的实际用途、航行工况分配和航区充电条件等影响续航力的因素进行充分调研和分析，按本文所述方法有针对性地分段确定电池容量计算依据，只有如此才能通过计算配置合适的电池容量。