引言
船用储能装置长期以铅酸蓄电池为主，主要作为发动机启动电源和照明及应急备用电源使用，很少作为船舶主动力源使用，民用船舶市场中内燃机（主要是柴油机）动力占据市场份额超过95%。随着船舶推进技术的革新，电力推进技术在船舶上逐渐推广应用，而储能技术的发展，主要是各种动力电池技术的进步，直接推动了全电池和混合动力船舶的研发建造。由于动力锂电池作为船舶推进电源尚处于起步阶段，有必要通过梳理、研究动力锂电池的特性和应用技术发展，并结合船舶动力系统特点分析为新能源船舶研发提供参考。
1船用动力锂电池概述
船舶上常用作动力源的储能电池类型主要有燃料电池、超级电容和锂电池。其中燃料电池具有能量转化率高、不污染环境、寿命长等优点，但其单体功率较小、造价昂贵、配套技术尚不成熟；超级电容具有充电时间短、循环寿命长、维护保养容易、监控状态容易等优点，但其能量密度低、造价昂贵；锂电池具有高能量密度、自放电率小、输出功率大、成本相对低等优点，但必须有特殊的保护电路防止过充或过放。相比之下，锂电池的优势更为明显，在船上的应用也最为广泛。
根据正负极的材料，锂电池可分为磷酸铁锂电池、三元锂电池、钛酸锂电池、锰酸锂电池等类型。目前可应用在船上的主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池，由于磷酸铁锂电池的安全性较好，目前在国内外的实船应用较多，而三元锂电池仅在国外有一些应用案例，但随着技术发展未来仍有较大的应用潜力。
2船舶电推用磷酸铁锂电池的优越性
磷酸铁锂电池作为一种使用寿命长、安全性能高、充电放电快且可耐高温的新型电池，应用于船舶上可以对船舶的推进系统进行无污染、无噪声的持续供电。较传统化石燃料设备推进系统具有环保、无污染的优势。磷酸铁锂电池因为工作温度范围广，其耐高温特性显著，在高温情况也能够正常工作，即便是在猛烈的碰撞下也难以发生爆炸事故。同时磷酸铁锂电池含有的金属为常规金属，不含有稀有金属和有毒金属，在电池工作反应中也不会产生任何有毒元素，不会对环境产生任何污染。
相对于燃气轮机的船舶动力系统，电力推进系统因为没有运动部件，进而拥有安静无噪声、运行可靠、不会引起船舶震动等优点。磷酸铁锂电池场为模块化的设计，在船舶应用中较为灵活多变，且占用空间小。特别对于特种舰船，如潜艇、军舰具有极大的隐蔽性。
3磷酸铁锂电池在电动船舶中应用的主要船型
当前纯电动船舶在观光客船、景区画舫、沿江沿海渡船、和内河货船、港口拖船、江海联运散货船、集装箱船等多种船型等船型均有应用，船型方面包含客船、渡船、旅游船、公务船、工程船、干散货船、集装箱船等多种船型。不过现阶段超过5000吨级的中大型船舶完全锂电化难度依然较大。目前结合当前政府在船舶电动领域的推广情况和内河、湖泊区域的环保要求来看，未来一段时间内船舶电动化尤其是纯电动船将主要在内河水域、湖泊等相对封闭水域获得较大发展，主要集中在沿江沿海城市渡船、观光船、内河（湖）货船、港口拖船等市场。且这些船舶吨位多集中在2000吨以内的船舶类型。
4动力锂电池与电力推进船舶发展研究
在2019年之前，国内相关机构对于电池在船舶上的应用并没有出台完整的规范要求，很多都是特殊案例，能参考的相关文件也只有CCS发布的《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》。由于电池技术的高速发展，以及在船舶领域的应用需求，2019年国内积极推动关于锂电池检验规范的进程，发布了一系列指南文件，如《混合动力船舶检验指南》《纯电池动力船舶检验指南》《直流配电系统检验指南》等。
以上文件对电池的本体、布置、相关通风消防措施以及失控后的处理措施等都作了说明及要求，特别针对电池的监控系统功能做了详尽的说明要求。电池监控系统对整个电池系统的运行及监测起到至关重要的作用，需要在第一时间监测到异常状况并做出正确的处理方式。在初级阶段识别危险的存在，并阻止危险的进一步发展扩散，可以说电池监控系统系统对于整个系统乃至全船都起着至关重要的作用，所以对电池监控系统的要求也更为严格，目前国内取得相关证书的厂家屈指可数。
由于三元锂电池对于环境温度的敏感性，目前现有投入使用的大部分三元锂电池都采用水冷形式，对于水冷的水质及管路也会有相关要求，而在热失控条件下的处理方式也相对要复杂很多。大量电池的应用势必需要大容量的舱室储存，而对于电池所产生的潜在危险又必须加以控制和处理，如此便增加了对于整个电池系统监控技术的要求。根据目前已经得到认可的三元锂电池试验，在热失控条件下，不会产生明火，但会有烟排出，如何处理烟道是产品与船上安装需要协调解决的重点问题。基于有认证产品证明的三元锂电池不会产生明火的特性，对应的存储舱室也被视为安全区域，这是不同于铅酸电池等容易释放易燃有毒气体的又一改进。
磷酸铁锂电池对环境温度要求相对来说没有那么严苛，所以目前国内大部分磷酸铁锂电池是采用风冷的调温措施。但对电池舱的要求还是做了详细的说明，如《混合动力船舶检验指南》中对电池舱的布置、电池舱通风系统的设计、舱室温度以及应急状态的处理做了相应的规定说明。近期国内下水运营的豪华观光游览船“大湾区一号”就是采用的磷酸铁锂电池+柴油机发电的电力推进系统，该船建成后可具备零排放(达到氮氧化物II级和硫氧化物I级排放控制的要求)、超静音等特点，充分体现了绿色、节能、环保理念。
《纯电池动力船舶检验指南》针对电池不同安全等级要求也有不同。大容量电池的使用以及港口排放的管控，船舶靠港时连接岸电对岸基充电设备也提出了更高的要求和挑战。岸电的容量、充电装置、安全防护、操作方法等都有相关的要求。
结语
目前，欧洲在环保意识、法规及船舶电力推进技术方面走在前列，所以锂电池动力船舶的建造和运营主要集中在欧州，我国目前尚处于起步阶段。锂电池动力船舶的船型目前以车客渡船、客船为主，少量内河货船、海工船舶及海洋科考船舶也有应用。国内船用动力锂电池以磷酸铁锂电池为主，欧洲较多使用三元锂电池，通过单独成组或与超级电容等构成混合储能装置。
我国现阶段对动力锂电池的补贴政策主要集中于新能源汽车领域，极大地推进了新能源汽车的研发和市场普及，但动力锂电池在船舶上的应用仍然缺乏广泛性，全电池动力船舶大多尚属试验性应用，相关船舶规范也处于不断推出并完善的阶段。但随着水运行业节能及环保要求的提高，锂电池动力船舶的发展前景光明。
参考文献
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