浅谈纯电池推进在珠江水域游船上的应用

李科沛 姚富文 柳春晓 潘海优 吴梓峰

摘    要：随着美丽中国建设的稳步推进，珠江游船开始向纯电池动力方式转型。本文主要描述纯电池作为船舶动力方式在珠江水域游船中的应用情况，并对电池选型、电池系统安全性进行多方面的分析，为同行提供纯电池推进船舶设计思路，对珠江水域纯电池动力船舶的应用和发展具有一定的价值。

关键词：纯电池；珠江游船；磷酸铁锂电池

中图分类号：U662.3                                文献标識码：A

Application of Pure Battery Propulsion in Tourist

Boat in the Pearl River Waters

LI Kepei1 ，  YAO Fuwen2，  LIU Chunxiao2，  PAN Haiyou1，  WU Zifeng1

（ 1.Guangdong Shipping Science Research Institute ，  Guangzhou 510050; 2. Foshan Branch of China Classification Society ，  Foshan 528000 ）

Abstract： With the steady progress of building a beautiful China in China， the Pearl River cruise ships began to transform to battery power. This paper mainly describes the application of pure battery as a ship power mode in cruise ships in the Pearl River waters， and analyzes the battery selection and battery system safety in many aspects， provides a design idea for pure battery ships for people of the same industry， and has certain value for the application and development of pure battery powered ships in the Pearl River waters.

Key words： pure battery;  pearl river tourist boat;  lithium iron phosphate battery

1     前言

众所周知，石油是不可再生资源，目前世界石油储量据估计为10 000亿吨左右，一旦石油枯竭，将对生活产生巨大影响。随着近些年新能源汽车的不断推广和使用，在同是交通工具的船舶上，如何利用新能源替代传统能源，是未来船舶行业发展的首要课题。

随着广州旅游业的高速发展，珠江游这一极具羊城特色的文化品牌已成为广州的特色旅游名片，近几年珠江游旅客人数不断增加，市场前景广阔，根据目前各游船公司反馈的相关信息，珠江游运力需求巨大，增加珠江游船运力是一个极佳的市场切入点。

党的二十大报告提到要推进美丽中国建设，加快发展方式绿色转型，推动交通运输、能源结构向绿色化、低碳化转型，倡导绿色的生活方式及生产方式。并提到要推动能源清洁低碳高效利用，推进工业、建筑、交通等领域清洁低碳转型，提升生态系统碳汇能力。

2023年5月，广东省交通运输厅印发《广东省绿色港口行动计划（2023-2025年）》，明确提出逐步推进港作机械和车船油改气、油改电或改氢能源等绿色能源，加快在港区规划建设充电、加气、加氢站，优先在客运港口配置公共充电设施[1]。

广东省在新能源汽车领域开展了广泛的节能减排工作，作为另一种交通方式的船舶，目前珠江游览船主要采用传统柴油机推进或柴油发电机交流电力推进方式，航行时噪声大、污油水排放量大、硫化物、氮氧化物和二氧化碳气体等氮氧化物排放量高，对珠江两岸景观河道环境造成了污染，也影响了珠江两岸市民的生活。采用纯电池作为推进动力的船舶，具有零排放、低噪音等优点，应用到珠江流域将使该水域的空气污染、水污染排放量大大降低，实现珠江生态建设健康发展。

2     电池选型分析

船用电池早期主要以铅酸蓄电池为主，由于铅酸蓄电池循环充电次数少、能量密度低、单位质量能量低、使用寿命低，很难在船舶中推广使用。

目前在车用电池方面，主要有以下三种方式：锂离子电池、燃料电池及超级电容。其中，锂离子电池广泛应用于电动车行业，在未来一段时间都会占据主要市场地位。表1为三元锂电池、磷酸铁锂电池及钛酸锂电池的优缺点对比表。

在船舶领域，《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》（2014）及《钢质内河船舶建造规范》（2016）公布后，已有数家动力锂电池厂家及系统集成厂商取得了相关船舶产品认可证书，磷酸铁锂电池已经通过在船舶上使用的条件及技术上的检验，为纯电池推进船舶提供了可靠的动力保障。2019年中国海事局发布《内河小型船舶检验技术规则》（2019），明确了内河船舶纯电池相关设计及检验的要求；同年CCS新发布《纯电池动力船舶检验指南》，明确了纯电池船电池系统的相关设计指南；2022年中国海事局发布《国内航行海船法定检验技术规则》修改通报，补充了海上船舶使用锂离子蓄电池的要求，为海船、内河船舶向纯电池推进方式发展提供了技术支持。由此可见，随着锂电技术的发展，相关政策、法规、技术文件的不断出台与更新，纯电池在珠江水域游船的应用将会越来越广泛。

3     纯电池动力船型分析

目前珠江水域游船受河道宽度、水深、桥梁高度等影响，普遍船长在35～50 m、吃水不超过2.5 m、主甲板上设二层上建，船型主要为单体船、常规双体船。

常规双体船由左、右两个片体以及中间的连接桥构成，其特点是宽度较大，甲板以上空间较大，横向稳定性能好；双体船因主甲板以下分左、右两个片体，片体较窄，舱室较多，底舱空间较难布置，舱底、消防、通风、透气等系统均较单体船布置更复杂，且因电池组之间、电池组和片体外舷、内舷均有最小距离的要求，使电池舱布置难度较大。

单体船特点是甲板以下舱室较宽，电池组、电柜、泵组机械件较好布置，底舱管路相对较少，但甲板面相对较窄，横向稳定性能相对较差。

我们设计的三艘纯电池动力珠江游船，其中“金龙鱼”号、“珠江王子”号为双体船，“珠江公主”号为单体船； “金龍鱼”号总长38 m、型宽12 m、型深3.2 m、设计吃水2.2 m；“珠江王子”号总长42.5 m、型宽12.5 m、型深3.3 m、设计吃水2.26 m；“珠江公主”号总长36 m、型宽8 m、型深3 m、设计吃水1.9 m。图1～3分别为三艘船的外形图。三艘纯电池推进珠江游船整体性能良好，全船振动、噪音较原有的柴油动力船有了极大的改善。

4    纯电池电力推进系统的优势

4.1   环保减排方面

使用纯电池作为船舶动力，取消了柴油发电机组，实现了废水、废气零排放。以“珠江王子”号游船为例，其在最大航速10 kn下航行时间可达3 h，在经济航速7 kn下航行时间可达7 h，实现了零排放。参考同为40 m级的“穗港之星”号游船，其动力为柴油主机型，配置2台237 kW主机用于推进，最大航速为10 kn，2台240 kW的柴油发电机组用于船上设备及生活用电，其中一台使用一台备用，按其实际运营情况，每天经济航速7 kn运营时间约6 h，其在经济航速7 kn时的主机功率约为90 kW，用于船上设备及生活用电的柴油发电机平均消耗功率约为200 kW，柴油机耗油量按0.2 L/kW.h计算，每天所需燃油约456 L，按每年运行330天计算，每年消耗燃油约128 t，产生的二氧化碳排放量约为409.6 t。

由此可见，珠江水域40 m级游船采用纯电池作为动力，每年可减少约400 t的碳排放量，在环保减排方面起到了很好的示范作用。

4.2   运营成本方面

参考 “穗港之星”号游船，其一年消耗柴油约128t柴油费用约为921 600元。

按“珠江王子”号游船取与“穗港之星”号游船相同的船舶使用功率进行分析，其每天使用推进设备及发电设备总功率为 380 kW，运营时间同样按6 h计算，每天消耗电量为2 280 kWh，“珠江王子”号游船一般在晚上低谷时进行错峰充电，根据广州市电价价目表，按全年工作330天测算，年动力成本仅为251678元，较“穗港之星”号游船每年节省动力成本约67万元。

“珠江王子”号游船，其动力系统及电池成本约为1200万元，比“穗港之星”号造价高约1200万元，因广东省政府对纯电池动力船有50%的补贴政策，即采用纯电池动力系统仅比采用柴油机动力系统只高约600万元。考虑电池组充放电循环次数为4 000次，按每天充电1次，电池正常使用可达10年以上，纯电池船使用10年可节省动力成本约670万元，即10年可将增加的动力系统成本回收。按电池组按每10年更换1次，更换电池组费用约550万元，更换电池组后使用10年节省的动力成本也可回收电池组更换成本。

由此可见，纯电池动力游船虽然初始投入成本较传统柴油机动力船要高，但后期可为船东大大节省运营成本，所以总的来说纯电池动力游船的投资及后期运营成本与柴油机动力船相差并不大，且纯电池动力船在晚上错峰充电，对城市优化电力配置也起到了重要的作用。

5    纯电池动力系统安全性分析

5.1   动力源失控对电池舱布置的影响

对于纯电池动力船舶而言，动力电池作为全船唯一的动力源，一旦发生火灾或其他造成电池失控的紧急情况，船舶将失去动力，这对船舶的自救造成巨大的困难，同时在内河中容易阻碍航道发生其它次生事故。为此，我们在设计时应将电池进行分舱处理，分为左、右舷两个独立电池舱，两套推进系统分别与同侧的电池舱相连，船上动力系统采用独立分区供电的系统结构，当一套推进支路发生故障时，其余一套推进支路仍可正常运行。当单个电池舱室发生意外事故切断电源后，仅会使一套推进设备失电，另一个电池舱仍可以为另一套推进设备供电，为船舶避险或返航提供动力保证，同时配备24 V铅酸蓄电池作为应急电源。

5.2   浮态与稳性对电池舱布置的影响

由于蓄电池组重量大、重心低，对稳性有利，使船舶具有良好的浮态。在设计过程中，根据蓄电池组的布置、安装检修通道宽度、散热空间裕度初步推算单个电池舱的舱长，同时初估船舶的重心位置以确定电池舱组的纵向位置，将电池舱设置于舱底，使整船重心尽可能降低，保证船舶具有良好的浮态和稳性。

5.3   碰撞对电池舱布置的影响

碰撞是船舶航行及使用过程中较为常见的事故，船舶发生碰撞会造成船体变形或破损，并可能造成对电池的挤压，甚至造成电池舱进水，对电池单体及电池系统形成巨大的安全隐患。

在设计时电池舱底部应设置双层底，一方面双层底结构较强可以更好地支撑电池组框架，另一方面可减小船底进水的影响；电池舱纵向布置应在首、尾端防撞舱壁之内，电池箱柜尽可能远离船舶舷侧，以减少碰撞的影响。

5.4   消防需求对电池舱布置的影响

电池由于自身的特性，使电池舱具有较高的失火危险性。为降低其在发生火灾时造成的影响，内河法规中要求电池舱内部作全围蔽A60防火分隔，与客舱分隔开；且有脱险通道直通开敞甲板，当船舶电池舱内出现险情时，能够为电池舱内可能存在的检修维护人员提供安全、快捷的脱险通道，保障人员尽快逃生；逃口处设置斜梯，缩短人员脱险时间；（下转第页）（上接第页）

在电池舱内部设置独立的七氟丙烷灭火系统，在脱险斜梯口设置消防水接口，多重保障船舶安全。

5.5   电力推进系统对电池状态的影响

从整个电力系统出发，保障实时不间断地对每个电池模块状况的监控；正常使用及充电时，电力系统会实时调整各个电池簇的充放电平衡，保证电池的一致性；停船靠岸及充电时，电力系统仍能监控各电池状态，谨防停放及充电时电池故障。

6     结语

本文主要描述了纯电池动力在珠江水域游船中的市场前景及政策推动、电池选型、电力系统的优势及安全性、纯电池动力船型设计等问题。纯电池动力船舶在珠江水域极具优势，实现了零排放、零污染，又降低了珠江两岸的传统柴油推进噪音污染，且采用错峰充电的方式为船舶电池充电，很大程度上减少了船舶动力成本。

随着交通方式不断向绿色、低碳化转型的力度逐步加大，纯电池动力船舶在珠江水域的发展将按下加速键，并推动珠江水域两岸充电桩的发展，对其他船型向纯电池方向转型提供技术支持，相信未来珠江水域游船纯电池推进占比会越来越高，为珠江水域带来更好的生态效益和经济效益。

参考文献

[1] 王晓玉，  苏普远.基于SCP视角的动力电池行业分析[J].物流工程与管理， 2020.

[2] 广东省交通运输厅.广东省绿色港口行动计划（2023-2025年）[Z]. 2023.