船舶动力电池储存系统设计_钱幸幸.pdf

-20-作者简介：钱幸幸（1985-），女，高级工程师，电力系统设计。张星磊（1983-），男，高级工程师，电力系统设计。盛亮鑫（1985-），男，高级工程师，电力系统设计船舶动力电池储存系统设计船舶动力电池储存系统设计钱幸幸张星磊盛亮鑫（广船国际技术中心）摘要：主要介绍 1600 客 3658 米车道豪华客滚船电池能量储存系统的整体配置和设备布置、电池通风系统、冷却系统的详细设计要点及设计阶段应该注意的事项。关键词：电池系统；电池包；通风系统；冷却系统DOI：10.3969/j.issn.2095-4506.2023.01.0060前言广船国际与英国 P&O Ferries 公司签署的 1600客 3658 米车道豪华客滚船，采用主柴油发电机与电池能量储存系统（以下简称电池系统）的混合动力系统，往返于英国多佛和法国加来之间，整船的经济环保性能处于全球领先地位。项目搭载 8816kWh 动力电池系统，是迄今为止全球最大容量的船舶电池系统。电池系统直接连接高压配电板为船舶提供电能，主要用以削峰填谷及增加推进功率。本文主要介绍 P&O 客滚船电池系统的配置、各组成部分的详细设计情况及设计注意事项。1电池系统本船电池系统的电池包由 ABB 集成美国 XALT生产的 XMP76 sub-packs 锂电芯电池。整个电池系统由 8 个电池组、8 套电池变频器、4 套电池变压器、4 套能量储存管理系统（控制柜）组成。1.1电池系统的构成P&O 船的电池系统分布在 4 个电池间，每个电池间由两个电池组组成，一个电池组由 14 个并联的电池串（1064kWh）组成，另一个电池组由 15 个并联的电池串（1140kWh）组成。全船共计 8 个电池组，总容量为（1064+1140）*4=8816kWh。电池系统从电池包开始与其他设备有接口。10个电池包串联在一起组成一个电池串，1 个串由 1个 BDU（电池切断单元）进行管理。多个电池串并联在一起，由一个 MCU（主控单元）进行管理。1个电池串加 1个BDU组成了一个功能较为完整的电池小单元。电池串的构成如表 1 所示1.2电池系统的管理每个电池间设置两个电池主控单元 MCU 分别对两个电池组的 BDU 进行管理。每个电池间设置一个 ESCS（能量储存控制系统）柜对两个 MCU 进行管理。每个 ESCS 柜与其负责管理的电池组布置在同一个电池间。BDU 是每个电池串的直接管理机构，其内置的SCU 通过分析从 VTB 板接收到的数据（电压、温度和诊断），实现对电池串的所有相关安全功能，并自动做出反应，保护电池串。故障还会从 BDU 送给MCU 反馈给 ESCS 做出报警指示，并延伸至船舶机舱监测报警系统去警示操作人员。MCU 是所有 BDU 的主控器，主要控制及监测线路的完整性、绝缘故障等，MCU 会对每个即将投入运行的电池串进行预运行检查，对于故障的电池串，MCU 会发出脱扣命令给 BDU 执行电池串的切断。ESCS 与船舶 PEMS（电站及能量管理系统）进行接口交互，主要对电池系统进行了电池系统充/放电的管理、电池变频器的监控及管理、电池变压器的监控和电池系统相关报警的监测及处理。电池系统的基本管理架构如图 1 所示。图 1电池系统基本管理架构钱幸幸张星磊盛亮鑫：船舶动力电池储存系统设计-21-1.3电池系统的运行电池系统主要用以削峰填谷及增加推进功率，并且考虑在如下情况下船舶仅从 ESS 电池系统供电的可能性：（1）主发电机失电以后，备用发电机启动前应急使用；（2）停港或进出港。电池系统的输出功率和持续时间由 PEMS 根据电池能量储存的情况自动控制，但是纯电池模式航行的时候，需降低或限制推进的需求功率。削峰功能是通过电池系统的放电实现的。通过控制电池系统的功率，使在网的发电机组负荷低于配置的高负载限制值（通常为起备机的发电机负荷率值），也能达到整个电网的总可用电功率。填谷功率是通过电池系统的充电实现的。在发电机组的负荷率较低时，通过开启电池系统充电，来提高发电机的负荷率，以使发电机负荷高于配置的最低负荷限额，或者使发电机组达到最佳油耗点。1.4设计注意事项对于电池本身而言，设计过程需要关注：（1）理解规格书的描述及要求，比如电池系统在本项目中的作用，比如系统容量大小，充放电倍率（C-rate），荷电状态（SOC），放电深度（DOD）等要求，在设备订货的时候一定要与厂家充分沟通；（2）了解和熟悉规范的要求。需要特别关注电池的入级符号 Battery(Safety)及 Battery（Power）的相关要求。需要注意的是，DNV 对电池入级符号基本与电池容量及用途相关，一旦电池容量及用途达到规范规定的相关条件则需强制满足该符号的要求，而非规格书未提及就不需要满足。2电池系统的布置2.1布置概况本船共 4 个电池间，艏艉对称和左右对称布置。根据 DNV 规范要求，每个电池间都设置在防撞舱壁后，且采用 A-0 级防火分隔，与货仓及机舱相邻的舱壁采用 A-60 级防火分隔。同时，每个电池间的舱壁均为水密舱壁，并设置水密门通往机舱及变频/变压器室。每个电池间分为两层（Deck1，Deck2），1#电池间和 2#电池间通过机舱下方的 U 型舱连通，3#电池间和 4#电池间通过机舱下方的 U 型舱连通。电池变频变压器间的布置同理。表 1电池串构成表构成元素架构描述电芯电芯是每个电池包中最小的实体VTB 电芯一个 VTB 电芯由两个电芯并联组成VTB 板一个 VTB 板可以监测 12个 VTB 电芯的电压和温度，并且可以平衡每对电芯之间的电压模块（12 电芯）一个电池模块由一个 VTB板及12对并联的电芯组成电池包2 并 24 串一个电池包由两个电池模块并联组成电池串一个电池串包含10个电池包及一个电池切断单元BDU（内置一个系统控制单元 SCU）。（图片为 7个电池包的电池串）GSI SHIPBUILDING TECHNOLOGY广船科技2023 年第 1 期(总第 164 期)-22-每个电池间除布置现有的两个电池柜外，还分别预留给未来扩容 35%的电池空间。相应地，变频、变压器的现有容量也满足未来 35%扩容电池的处理能力。具体布置见图 2。2.2设计注意事项根据规范，结合设计过程的实际情况，电池系统在布置的时候应注意遵循以下原则：（1）电池间不能含有热源或其他高失火风险源；（2）无关的设备电缆、管路不要经过电池间；（3）根据实际情况控制每个电池架+电池组的总重量，需考虑设备座架的强度，同时需提醒船体专业考虑结构的加强；（4）电缆的路径、电缆托架的布置等应提前规划，综合考虑走线的合理性及满足设备的功能要求，同时要考虑风管的布置，避免干涉；（5）注意设备维护空间、操作、检修的合理性；（6）单芯电缆的特殊敷设要求。3通风系统3.1电池间的通风按照 DNV-RU-SHIP Pt.6Ch.2 Sec.1 的要求对每个电池间配置必要的通风系统。每个电池间配备一台独立空调，布置于 1 甲板，通过空调送风管道上的送风机获取新风，再通过数条风管，把冷风吹到电池间的各个角落。具体布置如图 3 所示。同时，每个电池间还配备了一台送风机，容量为 1400m3/h，专门用于给电池间空调提供新风。风机的风道进风口位于 6 甲板，出风口为空调的进风口，期间不设支路，仅为空调送风。每个电池间不配备抽风机，通过结构风管自然排风，风道出口在6 甲板，期间不设支路，仅一个出口。具体布置如图 4 所示。电池间送风机的换气次数达到每小时至少 2次，且送风机为 24 小时连续运行模式，使得电池间始终处于正压状态。图 3电池间新风口的布置图 4电池间空调及送风管的布置3.2电池系统的通风每个电池间的 2 个电池组分别设置送风管路，不设送风机，自然进风。进风口在 7 甲板，进风管路在进入电池间后分成两路，分别进入两个电池组（每个电池组一路）。同时，每个电池间还配备了2 个电池组的抽风总管路，总管路上设置一台2520m3/h 的无火花式离心抽风机，每小时换气次数至少达到 6 次，风机 24 小时连续运行抽风，使得电池风管一直处于负压状态。抽风机的抽风口为两个电池组的两路排风管（每组电池一路），抽风机的出口为烟囱顶。具体布置如图 5 所示。3.3设计注意事项电池包一旦发生热失控事件，会产生 H2，CH4，图 2电池/变频变压器间布置图钱幸幸张星磊盛亮鑫：船舶动力电池储存系统设计-23-CO，C2H4，C6H6等易燃易爆气体。本船通过设置电池间连续运行的送风机及电池管路连续运行的抽风机，保持电池间的正压状态及电池抽风管路的负压状态，使得电池包即使在热失控的情况下，释放出来的气体也无法泄露至电池间。因此，电池间可被定义为非危险区域。通风系统在设计的时候，主要应该考虑如下几点：（1）电池间的通风。包括风管进出口设置、换气次数的要求、风机是否有防爆要求等；（2）电池组的通风。包括电池组通风管路风管进出口设置、换气次数的要求、风机型号规格和防爆要求等；（3）探头的设置。包括电池间的温度探头及电池系统管理的气体/烟雾探头的设置。此处的探头设置应该区别于火警系统的探头设置。图 5电池抽风管路图 6冷却系统框架4冷却系统4.1冷却系统架构电池包的冷却方式跟选用的电池性能有关。本项目电池采用的是水冷的方式，由制冷单元、泵组单元和相应的管路连接组成。冷却系统能够给电池包提供稳定的 1620的冷却液（流量：134m3/h），以维持电芯的温度在电池寿命推荐的最佳温度范围内。冷却单元（Cooling Unit）具有 100KW 的名义制冷量，由船舶淡水冷却系统提供 32的淡水给冷却单元进行降温。系统具有自动化控制的功能，能够对蒸发器和冷凝器的进、出口水温进行实时检测和信号远传，能够实时监控压缩机冷媒的排气压力、吸气压力、排气温度等，各种自动保护功能。泵组单元（Pump unit）是连接冷却单元和电池系统冷却管路的一个连接单元，是一个板式换热机组。机组通过闭式循环的冷却液将冷却单元的制冷量传递给电池包内的冷却液，从而给电池包进行降温。具体布置如图 6 所示。4.2设计注意事项从电气的角度，冷却系统的设计主要注意如下两点：（1）冷却液的泄露监测如何实现，即泄露监测报警后，电池系统的安保功能会如何动作。这是涉及电池系统运行安全的问题，也是船检十分关心的问题之一；（2）冷却系统布置、供电及报警接口设置的合理性。5其他辅助系统DNV 规范对服务于电池系统或电池间的其他系统或设备也做出要求。（1）空调。订货阶段就应要求厂家提供电池性能对环境温度的要求，空调订货需按照电池厂家的温度要求进行配置。（2）火警探头。规范要求，电池间需配置满足FSS Code 要求的烟雾探头，报警需送至桥楼。（3）水雾。规范要求，电池间需被全浸没式灭火系统作为 A 类机械处所保护。对于电池间水雾的释放还做出了一些具体的要求，设计时应注意满足。（4）应急切断。规范要求，需在电池间入口处设置电池系统的应急停止功能。若电池系统还需足满 DNV 船级社 Battery（Power）入级符号的，还需在桥楼设置电池系统的应急停止功能。6结束语1600 客、3658 米车道豪华客滚船 1 号船已完成并交付给船东，证明电池能量储存系统的设计是可靠的。电池能量储存系统作为一种全新的船舶供电能源，其系统配置及设计重点是考虑如何保证电池系统运行的安全性，在此基础上，才能更好地对该新能源进行推广及应用，对后续类似系统的设计具有重要的借鉴意义。投稿日期：2022-1-11GSI SHIPBUILDING TECHNOLOGY广船科技2023 年第 1 期(总第 164 期)