陳 剛 張思全（上海海事大學物流工程學院，上海201306）

摘要：分析了船舶電力推進系統所面臨的難題，針對這些難題引入了儲能元件。分別介紹了兩種典型的能量儲存技術即超級電容技術和鋰電池技術，對這兩種技術的基本原理和各自的優缺點進行了歸納，給出了應用與實際船舶的實例。結果表明混合儲能技術的使用不僅可以平抑船舶電網功率波動，還可以節省燃油減少有害氣體的排放。

在多數情況下，船舶電力推進系統都是內燃機驅動發電機組為系統供電。由于海洋環境復雜多變，負載是變化的，當負載偏離最佳負荷點時，燃油就會得不到充分燃燒，燃油的利用率隨之大幅度下降，同時會產生大量的氮氧化物和硫氧化物，對環境造成污染。能量存儲技術是解決這一問題的辦法之一。

利用儲能單元在系統輕載時將多余的能量儲存起來，來防止該能量對電網的沖擊。在系統過載時，儲能單元釋放能量來滿足負載的需求。能量存儲技術已經很好的應用于電動汽車行業。而大容量能量存儲技術的發展，使得儲能單元應用于船舶電力推進系統成為可能，利用儲能單元來克服功率波動對船舶電力推進系統的影響將是未來船舶推進技術發展的新方向。

1超級電容器技術

1．1超級電容器的結構

超級電容有時也被稱為電雙層電容器，或雙層電容器，是一種擁有高能量密度的電化學電容器，一個標準電池大小的電解電容為幾十微法拉，但同樣大小的超級電容器則可以達到幾法拉，差別可達五個數量級。電容通過電容效應存儲能量，它的容量和電極的表面積以及電解質的介電常數成正比，和電極之間的距離成反比。超級電容使用高介電常數電解質，它的電極采用多孔活性炭材料可以大大增加其表面積，這是超級電容能儲存巨大能量的主要原因。通常情況下，兩個電極由中間一塊多孔活性炭薄膜隔開，兩邊是水或者有機電解液。圖1展示了雙層電容以及普通電容的結構原理。

1．2超級電容器的優缺點

超級電容的優點：

1）高電流容量。超級電容設計時搭配一個很低的等效串聯 電阻，因此電容能夠發送以及吸收很高的電流。超級電容的低等效串聯電阻能夠使電容迅速充電，電容本身的特點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。超級電容的能量存儲機制是高度可逆的過 程，這個過程只移動電荷和離子，而不會制造或破壞化學鍵，因此充放電循環次數可以達到數十萬次。小循環充放電和深度循環充放電都不會損害超級電容的性能，使得超級電容的使用較為靈活。此外，超級電容容易存儲，長時間放置不會對其性能造成影響。

3）溫度范圍廣。由于超級電容無需借助化學反應就可以工作，因此能在極大的溫度范圍內運作。超級電容能在－40℃～＋65℃內 正常工作。

4）環境友好。超級電容使用的材料都是無環境污染的，在工 作過程中也不會產生有毒有害物質。

5）維護保養容易。超級電容基本上不需要保養，沒有存儲效 能，不存在放電過量的情況，能夠在任何額定電壓或低于額定電壓的情況下工作。

6）狀態監控容易。由于在電容內儲存能量只是電容和電壓 的功能，而且電容相對恒定，因此單程開放電路電壓測量就可以確定荷電狀態。

7）延長其他能源的使用壽命。像電池、專業發動機以及燃料 電池這類能源在瞬態情況下表現不是很好。對一些元件來說，瞬態過程會極大縮短元件的使用壽命。結合超級電容和這些能源的使用，可從主要的能源中空載很多此類瞬態值。

超級電容的缺點：

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

2）端電壓變化較大。超級電容的端電壓在充放電過程中不 斷變化，因此需要在儲能元件和負荷之間安裝調壓裝置才能保 持負荷側電壓穩定，這使得儲能系統的成本增加。

3）價格昂貴，超級電容單體的價格為鋰電池的數十倍。

2鋰電池技術

2．1鋰電池的結構

鋰電池是一種可充電電池，它主要依靠Li＋離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li＋在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li＋從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。其原理圖如圖2所示。

2．2鋰電池的優缺點分析

鋰電池的優點：

1）高能量密度。其體積能量密度和質量能密度分別可達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，且沒有記憶效應，循環性能優越。

4）輸出功率大。

5）工作溫度范圍寬?？稍冢?0℃～60℃之間正常工作。

鋰電池的缺點：

1）成本高。主要是正極材料LiCoO2的價格高。隨著正極材料技術的不斷發展，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）必須有特殊的保護電路，以防止過充或過放。

3）與普通電池的相容性差，因為一般要用3節普通電池（3．6V） 的情況下才能用鋰離子電池進行替代。

3儲能系統的典型應用

對于船舶電力推進系統而言，如何減少燃油消耗、系統維護 成本、有害氣體排放和增加整船的穩定性和可靠性一直是研究人員研究的重點。這當中Corvus公司技術領先其他公司，并開發出了廣泛應用的AT6500儲能系統。圖3給出了該儲能系統應用于近海支援船的系統結構圖。其中儲能單元公用直流母線，直流母線通過DC／AC變換環節與交流母線相聯接，完成能量的傳輸。整個儲能系統由多個AT6500模塊組成即鋰電池組，能夠持續提供大功率輸出，為船舶系統集成和設計提供一個更好的選擇從而降低了系統的復雜性，減少不必要的開支。

4結束語

雖然目前儲能單元的價格不菲，但是儲能單元可以平抑船 舶電網功率波動提高系統的穩定性和可靠性，能夠提高燃油利用率，節省燃油，減少有害氣體排放。無論從經濟角度還是環境角度都大有裨益。此外，隨著大容量鋰電池與超級電容器技術的發展，儲能裝置的價格必然會下降。儲能單元在船舶電力推進系統中應用的前景值得期待。