分析了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)所面臨的難題，針對(duì)這些難題引入了儲(chǔ)能元件。分別介紹了兩種典型的能量?jī)?chǔ)存技術(shù)即超級(jí)電容技術(shù)和鋰電池技術(shù)，對(duì)這兩種技術(shù)的基本原理和各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了歸納，給出了應(yīng)用與實(shí)際船舶的實(shí)例。結(jié)果表明混合儲(chǔ)能技術(shù)的使用不僅可以平抑船舶電網(wǎng)功率波動(dòng)，還可以節(jié)省燃油減少有害氣體的排放。

陳剛張思全(上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306)

在多數(shù)情況下，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)都是內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組為系統(tǒng)供電。由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，負(fù)載是變化的，當(dāng)負(fù)載偏離最佳負(fù)荷點(diǎn)時(shí)，燃油就會(huì)得不到充分燃燒，燃油的利用率隨之大幅度下降，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的氮氧化物和硫氧化物，對(duì)環(huán)境造成污染。能量存儲(chǔ)技術(shù)是解決這一問(wèn)題的辦法之一。

利用儲(chǔ)能單元在系統(tǒng)輕載時(shí)將多余的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，來(lái)防止該能量對(duì)電網(wǎng)的沖擊。在系統(tǒng)過(guò)載時(shí)，儲(chǔ)能單元釋放能量來(lái)滿足負(fù)載的需求。能量存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)很好的應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)。而大容量能量存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，使得儲(chǔ)能單元應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)成為可能，利用儲(chǔ)能單元來(lái)克服功率波動(dòng)對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的影響將是未來(lái)船舶推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的新方向。

1超級(jí)電容器技術(shù)

1.1超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)

超級(jí)電容有時(shí)也被稱(chēng)為電雙層電容器，或雙層電容器，是一種擁有高能量密度的電化學(xué)電容器，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池大小的電解電容為幾十微法拉，但同樣大小的超級(jí)電容器則可以達(dá)到幾法拉，差別可達(dá)五個(gè)數(shù)量級(jí)。電容通過(guò)電容效應(yīng)存儲(chǔ)能量，它的容量和電極的表面積以及電解質(zhì)的介電常數(shù)成正比，和電極之間的距離成反比。超級(jí)電容使用高介電常數(shù)電解質(zhì)，它的電極采用多孔活性炭材料可以大大增加其表面積，這是超級(jí)電容能儲(chǔ)存巨大能量的主要原因。通常情況下，兩個(gè)電極由中間一塊多孔活性炭薄膜隔開(kāi)，兩邊是水或者有機(jī)電解液。圖1展示了雙層電容以及普通電容的結(jié)構(gòu)原理。

1.2超級(jí)電容器的優(yōu)缺點(diǎn)

超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)：

1)高電流容量。超級(jí)電容設(shè)計(jì)時(shí)搭配一個(gè)很低的等效串聯(lián)電阻，因此電容能夠發(fā)送以及吸收很高的電流。超級(jí)電容的低等效串聯(lián)電阻能夠使電容迅速充電，電容本身的特點(diǎn)允許電容以同樣的速度充放電，這是電池做不到的。

2)使用壽命長(zhǎng)。超級(jí)電容的能量存儲(chǔ)機(jī)制是高度可逆的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程只移動(dòng)電荷和離子，而不會(huì)制造或破壞化學(xué)鍵，因此充放電循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到數(shù)十萬(wàn)次。小循環(huán)充放電和深度循環(huán)充放電都不會(huì)損害超級(jí)電容的性能，使得超級(jí)電容的使用較為靈活。此外，超級(jí)電容容易存儲(chǔ)，長(zhǎng)時(shí)間放置不會(huì)對(duì)其性能造成影響。

3)溫度范圍廣。由于超級(jí)電容無(wú)需借助化學(xué)反應(yīng)就可以工作，因此能在極大的溫度范圍內(nèi)運(yùn)作。超級(jí)電容能在-40℃～+65℃內(nèi)正常工作。

4)環(huán)境友好。超級(jí)電容使用的材料都是無(wú)環(huán)境污染的，在工作過(guò)程中也不會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。

5)維護(hù)保養(yǎng)容易。超級(jí)電容基本上不需要保養(yǎng)，沒(méi)有存儲(chǔ)效能，不存在放電過(guò)量的情況，能夠在任何額定電壓或低于額定電壓的情況下工作。

6)狀態(tài)監(jiān)控容易。由于在電容內(nèi)儲(chǔ)存能量只是電容和電壓的功能，而且電容相對(duì)恒定，因此單程開(kāi)放電路電壓測(cè)量就可以確定荷電狀態(tài)。

7)延長(zhǎng)其他能源的使用壽命。像電池、專(zhuān)業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)以及燃料電池這類(lèi)能源在瞬態(tài)情況下表現(xiàn)不是很好。對(duì)一些元件來(lái)說(shuō)，瞬態(tài)過(guò)程會(huì)極大縮短元件的使用壽命。結(jié)合超級(jí)電容和這些能源的使用，可從主要的能源中空載很多此類(lèi)瞬態(tài)值。

超級(jí)電容的缺點(diǎn)：

1)能量密度低。超級(jí)電容的能量密度為1～10Wh/kg，為鋰電池的1/10。

2)端電壓變化較大。超級(jí)電容的端電壓在充放電過(guò)程中不斷變化，因此需要在儲(chǔ)能元件和負(fù)荷之間安裝調(diào)壓裝置才能保持負(fù)荷側(cè)電壓穩(wěn)定，這使得儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本增加。

3)價(jià)格昂貴，超級(jí)電容單體的價(jià)格為鋰電池的數(shù)十倍。

2鋰電池技術(shù)

2.1鋰電池的結(jié)構(gòu)

鋰電池是一種可充電電池，它主要依靠Li+離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。在充放電過(guò)程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài);放電時(shí)則相反。

2.2鋰電池的優(yōu)缺點(diǎn)分析

鋰電池的優(yōu)點(diǎn)：

1)高能量密度。其體積能量密度和質(zhì)量能密度分別可達(dá)450Wh/dm^3和150Wh/kg，而且還在不斷提高中。

2)單體電壓高，約為3.6V，充滿電壓時(shí)的電壓一般為4.2V，終止放電電壓不低于2.5V。

3)自放電率小，每月5%～10%，不到鎳鎘電池和鎳氫電池的一半，且沒(méi)有記憶效應(yīng)，循環(huán)性能優(yōu)越。

4)輸出功率大。

5)工作溫度范圍寬。可在-20℃～60℃之間正常工作。

鋰電池的缺點(diǎn)：

1)成本高。主要是正極材料LiCoO2的價(jià)格高。隨著正極材料技術(shù)的不斷發(fā)展，可以采用LiMn2O4、LiFePO4等為正極，從而有望大大降低鋰電池的成本。

2)必須有特殊的保護(hù)電路，以防止過(guò)充或過(guò)放。

3)與普通電池的相容性差，因?yàn)橐话阋?節(jié)普通電池(3.6V)的情況下才能用鋰離子電池進(jìn)行替代。

3儲(chǔ)能系統(tǒng)的典型應(yīng)用

對(duì)于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)而言，如何減少燃油消耗、系統(tǒng)維護(hù)成本、有害氣體排放和增加整船的穩(wěn)定性和可靠性一直是研究人員研究的重點(diǎn)。這當(dāng)中Corvus公司技術(shù)領(lǐng)先其他公司，并開(kāi)發(fā)出了廣泛應(yīng)用的AT6500儲(chǔ)能系統(tǒng)。圖3給出了該儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于近海支援船的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中儲(chǔ)能單元公用直流母線，直流母線通過(guò)DC/AC變換環(huán)節(jié)與交流母線相聯(lián)接，完成能量的傳輸。整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)由多個(gè)AT6500模塊組成即鋰電池組，能夠持續(xù)提供大功率輸出，為船舶系統(tǒng)集成和設(shè)計(jì)提供一個(gè)更好的選擇從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少不必要的開(kāi)支。

4結(jié)束語(yǔ)

雖然目前儲(chǔ)能單元的價(jià)格不菲，但是儲(chǔ)能單元可以平抑船舶電網(wǎng)功率波動(dòng)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，能夠提高燃油利用率，節(jié)省燃油，減少有害氣體排放。無(wú)論從經(jīng)濟(jì)角度還是環(huán)境角度都大有裨益。此外，隨著大容量鋰電池與超級(jí)電容器技術(shù)的發(fā)展，儲(chǔ)能裝置的價(jià)格必然會(huì)下降。儲(chǔ)能單元在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中應(yīng)用的前景值得期待。