新型铁电池电力推进系统在船舶中的应用前景分析

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摘 要：本文结合对船舶行业节能环保的发展趋势分析，通过对传统柴油机推进、柴油发电机电力推进和新型蓄电池电力推进方案的综合对比，分析新型蓄电池电力推进在船舶行业的应用。

关键词：电力推进；蓄电池；节能环保

中图分类号：U664.14 文献标识码：A

1 前言

随着我国经济的迅猛发展，环境污染日益严重，船舶行业作为二氧化碳排放大户，推行节能减排的绿色船舶改革势在必行。对于航行于内河的中小型客船及货船，由于其航程和航行时间较短，采用蓄电池作为船舶动力，具有利用效率高、不排放有害气体、噪音和振动较小的特点，达到绿色环保、节能减排的目的，是内河中小型客船及货船最佳动力源的选择。

近年来，电池技术有了很大进步，铁电池作为其中一种，已经广泛应用于通信、储能系统、汽车等工业上。铁电池具有能量转化率高、结构稳定性好、原料丰富、绿色无污染等优点，其作为未来船舶电力推进动力电池的应用前景是光明的。

2 铁电池原理及其特性

2.1 铁电池原理

铁电池是以磷酸铁锂为正极材料的一种锂离子二次电池，其充放电的化学方程式如下：

（1）充电过程

Li+从正极脱嵌经过隔膜嵌入负极，同时电子的补偿电荷从外电路（电源）供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。

（2）放电过程

Li+从负极脱嵌，经过隔膜嵌入正极，而电子由外电路（负载）从负极到正极，从而实现电池对负载供电。

2.2 铁电池特性

（1） 稳定性好

铁电池具有良好的结构稳定性，充放电过程中，LiFePO4和FePO4相互转化，两者结构类似，因此电极结构非常稳定。

（2）倍率特性好

铁电池的倍率特性：2.5C（放电倍率）。

以下倍率充电容量≥98%，放电容量≥99%。

（3）高、低温性能好

铁电池在-30℃～60℃均是有良好的输出性能，可以满足不同环境的使用要求。

温度特性：0℃下0.5C充电容量>85%；-30℃下0.5C放电容量>90%。

（4）能量效率高

铁电池即使在大倍率下，也具有极高的能量转换效率。

（5）循环寿命长

3 铁蓄电池应用分析

铅酸蓄电池，技术成熟，作为船舶动力电池已经应用于船上多年，如杭州西湖游览客船、云南滇池游船、长江游船及上海世博会游览船等。铁电池是最近几年发展起来的新型电池，目前已应用于通信、电动汽车等行业，使用范围越来越广泛。

铁电池与传统铅酸电池性能对比，见表1。

从表1可以看出，铁电池对比铅酸电池有以下优点：

（1）重量轻体积小；

（2）超长的寿命；

（3）高能高容量；

（4）可实现电流快速充放电；

（5）耐高温，更符合船舶使用环境；

（6）不含重金属，绿色无污染。

对于内河中小型船舶，铁电池相比传统铅酸蓄电池，可以节省船上使用空间，减轻船舶自重，实现快速充电，使用寿命长，不用频繁更换蓄电池，不含重金属，满足绿色环保要求；并且铁电池经第三方试验证明，在过充、过放、挤压、短路、针刺、火烧的环境条件下，不会发生爆炸，安全性能满足船舶使用要求。

铁电池作为动力电池已应用于电动大巴及轿车上，但在船舶上尚未有使用先例，还未取得船舶产品证书，相应的船舶法规，规范中对铁电池作为动力还未制定相关规定。目前已有厂家和船级社对铁电池在船舶上使用进行论证，争取早日应用于实船。另一方面，铁电池短期内设备与原材料成本较高，初始投入远大于传统铅酸蓄电池。不过铁电池目前正处于快速发展期，随着铁电池大规模的应用，成本会快速下降，并且相比于传统铅酸蓄电池，铁电池是有寿命长、对使用环境要求低、绿色环保、安全性好等诸多优点，所以铁电池的应用前景还是广阔的。

4 铁电池动力船舶应用方案

以我院设计的广州新型水上巴士为例，对传统柴油机推进、柴油发电机电力推进和铁电池电力推进方案进行综合比较。

广州新型水上巴士主要参数如下：

4.1 铁电池电力推进方案

（1）电源

电源采用30只铁电池模块串联组合成380 V铁电池组，每组电池容量为200 Ah，全船共设置35组铁电池系统可同时满足全船动力及用电需要。单个铁电池模块为12.8 V、200 Ah，重量26.5 kg，体积475×286×170 mm，价格约1万元。单组电池模块为380 V、200 Ah，重量800 kg，体积30×（475×286×170 mm），价格约30万元。

（2）工作原理

主要工作原理如下：航行时，35组蓄电池同时使用，使用功率管理系统实时监测每组蓄电池的电压及电流，当某组蓄电池出现故障时，可将故障的电池组切除；设置二套智能逆变设备，动力蓄电池组经逆变后对主配电板提供AC380 V/50 Hz/3P电源。

充电设备采用陆上充电站对35组蓄电池组同时进行充电，充电时间最快为2 h。

动力蓄电池组容量满足本船10 h航行要求，装船蓄电池容量为2 660 kWh。

（3）配电系统

在机舱内，设有动力蓄电池逆变电源板1屏。动力蓄电池电源经逆变转换成AC380V/3P电源，供主配电板使用，提供监测、控制接口至功率管理系统。

在机舱内设有蓄电池组充电接口，方便陆上充电站充电。

设有变压器2台，为船上AC220 V设备提供电源。

船上动力设备由主配电板直接供电。

（4）推进系统

本船配置AC380 V/3P主推进交流变频电动机2台，由主配电板直接供电，分别带2台固定螺旋桨。控制设备采用成熟的交流变频技术进行起动及控制，保证船舶有良好的操控性能。

4.2 方案对比

柴油机推进、柴油发电机电力推进及铁电池电力推进方案对比，见表2。

5 结语

铁电池作为一种新型动力电池，相比传统铅酸蓄电池有较大的技术进步，应用于船舶上有很多优势。鉴于铁电池电力推进形式的特点，目前只能适用于中短途的客船、观光船以及豪华接待船等船型。由于铁电池本身属于新型电池，目前产品还未取得船舶产品证书，相应的船舶法规、规范中对铁电池电力推进还未制定相关规定，因此铁电池推进技术方案目前还只能停留在技术构想阶段，但考虑其绿色环保的显著优点以及未来船舶发展方向，铁电池未来在实船上应用还是很有前途的。

参考文献

[1] 桂长清.混合电力推进系统及蓄电池选型 [J] .电池工业.2005（8）.

[2] Nelson R F.Power requirements for batteries in hybrid electric vehicles [J].J Power Sources. 2000，9 .