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电动游艇、渡轮电池系统的设计与选型
摘要
零排放和清洁能源船舶的需求是近年来的一个重要问题。本论文的目的是利用锂离子电池技术设计和测量豪华游艇和渡轮的电池系统。近十年来，电池技术的发展促使游艇/渡轮船主将电池技术应用到电动船舶上。本文论述了电池系统的布置、电池架的尺寸、电池冷却系统的选择、对电池稳定性、成本、安全性和设计寿命的影响。
关键词:电动渔船设计电动渡船电池尺寸锂离子电池
- 简介
越来越多的人开始意识到气候变化的影响，海洋运输部门也面临着要求更高的法规来减少影响。在渡轮市场有商业利益的公司所进行的研究证实，全电动渡轮对全球暖化的影响，较使用船用柴油的传统渡轮为小。这些研究的挑战大多是缺乏明确的方法或难以获得的数据和计算。全世界有2000多万艘游船，其中近1000万艘在美国。每年大约有236,000公吨的碳氢化合物从船上进入水中，相当于1989年阿拉斯加埃克森瓦尔迪兹号泄漏量的7倍多。许多船的发动机是二冲程设计，燃烧石油和天然气的混合物。这类发动机的污染物含量可能是四冲程发动机的8倍，因为多达25%的燃料可能通过废气半燃半烧地排放到水中。海洋航运业是快速增长的行业之一，占全球环境二氧化碳排放量的3%，预计到2050年将增长到5%。世界各国的政府、港口、码头等海事管理机构都在推动船舶零排放。本文介绍了利用国内霍恩布洛尔船舶资料和研究资料设计和制作电船的步骤。该报告还比较了美国锂离子电池和电力的资本支出和运营成本，以及渡轮/游艇典型船用柴油机的相关成本。
- 电池技术的发展
电池技术的演进从铅酸电池向高容量尺寸比、低成本存储的锂离子电池转变。汽车锂离子电池的成本从5年前的500美元/千瓦时下降到250美元/千瓦时，预计到2020年将继续下降到低于100美元/千瓦时。锂离子电池的能量密度从10年前的200 Wh/kg提高到今天的约270 Wh/kg。
这场革命不会随着汽车工业的发展而停止。小众市场，如船舶、游艇、水艇、无人机和水下航行器，最终将受益于电池价格的降低。锂离子电池已经为这些市场提供了比铅酸电池多4倍的能量和10年的生命周期。目前采用锂离子电池的初始成本高于铅酸电池，但在不久的将来会变得更有吸引力。虽然铅酸不会很快消失，但体积、重量和物流都很重要的利基市场将引领锂电池的应用。在解决锂离子电池的安全问题方面已经取得了很大的进展。电池制造商现在正在将防火材料和技术应用到他们的电池中，以促进锂电池的快速整合。近年来，锂离子电池船舶的发展取得了一定的进展。第一艘全电动挪威渡船MF Ampere每天行驶56个行程5.6公里，由位于旅程终点的两个410千瓦时海岸充电站为1.04 MWh锂离子电池充电。同样，2018年推出的新船“峡湾的未来”(Future of the Fjords)以1.8 MWh的电池容量被评为“2018年船”(Ship of the year of the Fjords)，因为它的创新和零排放。
- 所有电动容器概述
所有电动船舶的主要动力来自为推进装置和公用事业(即电力负荷的住宿)服务的电池。电力推进系统有三种型式，即柴油机机械式、柴油机电动式和全电动式。考虑到所有三种推进系统的螺旋桨效率相同，最有效的是全电力系统，效率为68%，而柴油机机械系统为32%，柴油机电力系统为28%。全电动船舶配置由电池架、变速驱动器、推进电机和螺旋桨组成，如图1所示。。
图 1全电动容器系统配置
一艘电池船将不需要燃料箱，燃料处理，排气和空气管道，柴油发动机和它的齿轮箱。目前的电池在生命周期内是有限的(最长为10年，但一般为5年)，这意味着它们可能需要在整个船的生命周期内更换几次。更换电池的成本以及从海岸电网消耗的电力成本是推进装置的主要运营成本，但这被一个事实所抵消，即不再需要燃料补给和柴油发动机的定期维护。电力系统往往是可靠的，易于重新配置，因此无人驾驶船舶可能是未来海上运输的方式。
- 电池系统的设计和尺寸
全电动容器的设计步骤如图2所示。
摘要针对电池系统的设计，采用交互设计的方法，考虑了船舶的运行负荷、船舶的运动、操作人员对电池的人机工程学、以及便于安装和维护的机架布置等因素，进行了电池系统的设计。这种交互设计方法适用于其他行业的电池安装。交互设计方法是通过电池管理系统(BMS)进行通信来实现的。在设计的概念/可行性阶段，图2中提到的电池系统设计和尺寸流程图是非常有用的工具，因为它节省了时间/成本，甚至在从供应商获得详细的电池规格之前，通常是2到4周的周转时间。图3为载400人，往返15海里，12分钟装卸旅客的渡轮蓄电池舱设计，其储能能力为2.4毫瓦时，如图2所示。
图 2
图 3
本文将锂离子电池技术作为船舶设计和定径的主要动力。
4.1拥有者的要求
任何海船的设计，都是从船主收集要求开始的，这些要求通常是船速和载重量，即船上货物/乘客的类型。对于所有的电瓶，电瓶的速度，电瓶的承载能力，电瓶的效用需求，电瓶的行程长度和频率，以确定电瓶架尺寸的操作负载。
4.2电池的尺寸
锂离子电池的电压大约为3-4伏，几个电池被连接在一个模块中以获得更大的电压。一组模块耦合在一起以获得更大的电压和容量，称为电池架或电池串。图4描绘了电池架的组件。·
图 4
容器的电池尺寸取决于以下因素:
bull;岸上功率特性:根据岸上电压和电流的限制，电池的尺寸和架数是有限的。电池架的高度也取决于电池室的净高，并留有一定的工具使用空间。
bull;容器细节:容器的宽度和深度有时会决定电池架的布置和高度，以达到电池舱中电池的有效积载。
bull;运行负荷概况:电池储能系统主要依赖于推进系统、公用事业和辅助机械的负荷。如图5所示，通过绘制船舶航行过程中功率负荷与时间之间的关系，绘制出船舶运行剖面。
图6
图5
bull;行程长度和频率:电池容量的大小取决于行程的长度和频率，因为这主要影响设计寿命。
电池系统的局限性将在很大程度上取决于发热、材料降解和硬件的局限性。能量需求、放电深度和电池室温度是决定电池系统大小的主要因素。电池系统将有规定的最大充电和放电电流。欧姆定律指出，电池产生的热量与电流的平方成正比，而热量是电池退化的主要因素。因此，连续工作相对较高的电流将大大影响电池的寿命，因此，必须增加电池容量，以减少电池的相对电流，以保持电池的寿命。此外，能量运动也会导致容量衰减，这些放电周期越深，寿命将以指数方式缩短。下图6显示了一个典型的锂离子电池的寿命周期与放电深度的关系。根据以往的电瓶数据、锂离子电池特性和工程原理，我们得到了一个经验公式，以便在第一次切割时得到电池的存储容量，对业务前端的成本进行初步估算。ESS=400times;负载/[332minus;28.98ln(Ntimes;Dtimes;360)]
其中ESS——能量存储系统(kWh)；N——每日行程的序号；D——设计寿命(年)；Load——电池的总负载(kWh)。下列锂离子电池密度来自不同的船舶电池制造商，用于推导上述经验公式:Corvus Energy (Orca) -77 Wh/kg2。矛能量(Trident smart - 6n) -95 Wh/kg3。与汽车、飞机等应用相比，用于船舶的电池系统更加复杂，因为其高容量储能系统的范围从1 MWh到4 MWh，以及复杂的电池管理系统。该船的电池系统包括为电池架/弦获取合适的电压，并在电池周围留出足够的空间进行维护/维修，这反过来又决定了电池架的高度。
4.3电池系统的布置
电池尺寸确定后，从以下几个方面考虑电池箱内电池架的布置:
bull;通风口位置
bull;重量分配
bull;逃生路线规划
bull;走道平台
bull;电池更换方案
bull;电池架尺寸
bull;电池架的特殊布置。
4.4暖通空调设计
电池的设计寿命主要取决于电池室的温度特性。电池室需要保持在设计温度范围内，以便最大限度地延长设计寿命。因此，电池室的暖通空调设计需要有适当的通风、加热/冷却和绝缘。电池室内的加热和冷却负荷需要通过考虑以下部件进行计算：
bull;电池散热
bull;容器侧壳传热
bull;容器底部和主甲板传热
bull;照明荷载
bull;渗透荷载
bull;风机电机和BMS的负载。
冷却/加热设备的容量是根据相应的冷却和加热负荷以及管道设计确定的。如果电池系统散热或散热，电池室内的热空气/气体需要通风以保持电池室的设计温度，否则，电池系统过热，导致电池设计寿命损失。
4.5设计寿命
电池系统的设计寿命取决于许多因素，即电池产生的热量、放电循环的深度和电池中的电流。锂离子电池有一个典型的10000次循环在35%国防部。与柴油机相比，电池的设计寿命决定了全电动可变作用力转向器的盈亏平衡期。大多数锂离子电池的设计寿命通常为10年。
4.6消防安全设计
带电池架的电池室需要根据DNV/ABS锂离子电池安装指南设计灭火系统。电池室的结构边界应在发生电池火灾时为ves sel的其他部分提供足够的保护。头顶和任何机舱、乘客/船员舱或燃料箱的火灾完整性应为A-60。根据SOLAS/IMO的规定，应提供隔室的消防安全项目。DNV-GL建议为船舶的安全配备两级灭火系统，如下所示：
第1阶段：如果一个系统有足够的电池级联保护（比当前版本的UL 1973内部燃烧试验或IEC 62619内部传播试验更严格的要求所示），在灭火的第一阶段，可考虑使用气基灭火系统，以扑灭单室火灾，并防止在封闭环境中发生闪络。第2阶段：如果温度持续升高或检测到烟雾和气体水平上升，则应考虑强制通风和水灭火，以冷却系统防止火势进一步蔓延。
电池设备需要按照制造商的建议进行充分的防火和安全设计。
4.7容器设计检查
带有最终电池布置的电气容器设计需要检查以下设计方面：bull;重量和稳定性：电池供应商提供的电池系统的质量特性用于计算容器的重量和负载条件。检查船舶的稳定性，以符合国际海事组织/船级社指南。bull;流体动力学：船舶正稳定结果，检查船舶进行水动力分析，以确定船舶的耐波性和操纵特性是否在设计限制范围内。bull;速度和功率：当船舶从柴油机转换为电动船舶时，需要非常精确地计算船舶的速度和功率要求。添加的蓄电池系统重量和燃油箱拆卸之间的权衡决定了船舶的新速度/功率。
5.经济因素可行性
选择电动船舶的主要决定因素是传统的柴油机二冲程或四冲程发动机与电池驱动船舶的成本比较。当与二冲程或四冲程发动机相比，电动船舶的资本支出通常约为三倍，但由于具有对环境零排放和无噪音/振动的优点，运营成本几乎降低了40%，提高安全性和设计寿命电动船舶的生存能力越来越突出。根据一艘2.4mWh电池储能船的估计计算，以及相关的资本支出和运营成本，根据市场上电池的当前价格，回收期约为4年。
6.结论
本文介绍了“零排放”全电动船舶蓄电池系统设计和选型的逐步方法。论述了电动船舶设计的各个方面，全电动船舶与传统柴油机的成本比较分析。
在船舶、汽车、飞机等各种应用中，良好的交互设计对电池系统设计的实施起着重要的作用，锂离子电池技术在过去5年中取得的成绩是巨大的。在安全水平、设计寿命、如何管理电池系统的知识、用于监测温度、散热和充电状态的电池管理系统的仪表方面都有很大的进步。目前锂离子电池技术的最新水平现在可以通过使用更低成本的岸电在财务上与柴油发电竞争。回报是直接的，没有任何补贴或社会成本的因素。在未来10年，随着技术和锂离子电池水平的提高，将导致高能量密度电池容量、低成本和指数增长的所有电动船舶。
参考文献
- Pecen, R., Hay, M.E.: Design and implementation of solar elec-tric boats for cleaner U.S. waters. In: Proceedings of the 2005 American Society for Engineering Education Annual Conference amp; Exposition, vol. 10, pp. 1–10. American Society for Engineer-ing Education (2005)
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