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3 船用电池系统及其工作原理
电池是一种电化学系统，并具有响应性较高的电力储存能力。这就使管理人员可以自由地存储剩余电量，然后在船舶需要操作时对能量进行释放。随着近些年电池技术的发展，其价格正在下降，而性能却在不断提高，使它们在新的细分市场中具有更强的竞争力。
与使用电解质（如铅酸和铬镍电池）的传统电池相比，锂离子电池每单位重量的能量可以提高2到8倍。但是随着高能量密度以及易燃电解质的使用,其安全设计的难度将进一步加大。因此，锂电池系统必须具有设计完善并通过实验验证的电子控制系统和用于安全操作的物理结构。
本节将概述动力电池的优势、应用领域以及与电池系统相关的基础知识。
3.1为什么要使用电池？
电池系统可以灵活的储存电能，并在系统需要时提供电能的输出。这在混合动力的电动汽车中已经得到了应用。在混合动力汽车中，电池动力系统可以帮助发动机减轻一部分负载。电池系统的设计用于提供具有高响应速率的高功率输出，这使发动机可以稳定且更有效地运行。当车辆减速或以低于其峰值效率运行时，电池可以充电，为下一个任务存储能量。这些相同的好处直接转化为海上船舶的电力推进系统。在柴油机低负载运行时，利用电力推进来取代柴油机。电池可用于混合船舶，以符合港口的低排放要求，并且减少排放。然后可以使用相同的电池来减少斜坡并优化发电机组之间的负载并提高系统燃油的使用效率，以及减少运行时间和维护。此外，电池能够提供冗余备用电源，零燃料消耗。因此，不仅电池系统能够提高系统效率，而且还是增加系统可靠性和鲁棒性的手段之一。
目前，电力推进尚未在海事和海上应用中大规模使用。主要的原因为电池的比功率和能量密度不能满足这些应用的需要，同时，电池寿命短也是一个挑战。如今，有的船舶上具有铅酸和镍铬电池，但是其重量、尺寸都较大，且其容量一般较小。而且这些不是用于在高功率操作中连续使用，并且大多数安装为备用设备。由于锂离子电池等新技术的出现和成熟，电池的使用正在发生变化，其能量密度和循环性远高于铅酸或镍镉电池。自从20世纪80年代锂离子电池的发明以及随后在20世纪90年代商业化以来，锂离子电池的发展首先由消费电子产品驱动，后来被汽车工业采用，现在锂离子电池已经具备更高的功率和能量应用。图3.1概述了锂离子技术开发和利用的一些主要里程碑。
图3.1概述了锂离子技术开发和利用的一些主要里程碑
图3.2比较了不同电池化学成分的比功率和能量。它显示了随着锂离子电池的引入，需要高功率和能量的工程应用可以使用电池系统。 此外，锂离子电池和系统的价格在过去几年中显着降低，这些降价趋势继续超过市场预测，预计未来几年将持续。
船舶这一使用环境的特殊要求，也会影响海上船舶电池的使用成本。与用于消费电子产品和电动车辆的电池相比，安全性要求的增强和性能要求的提高是主要的成本驱动因素，同时还有更严格的使用寿命要求以及系统复杂性的增加。船舶的安装通常是定制的（与汽车应用相比）并且产量较低。
图3.2不同电池化学成分的比功率和能量的对比
本小节中提到的船用电池主要涉及经济型和环境方面，在决定大型电池是否适用于特定项目时，仔细考虑这些好处是明智的。但是还需要评估其他方面，例如与安装相关的风险和安全危害。为了充分理解这些，重要的是要了解电池的基本结构。
3.2什么是电池？
电池是通过电驱动的化学反应来存储电能的电化学装置。这些反应发生的正极和负极，称为电极。当给锂离子电池充电时，如图3.3所示，带正电的锂离子通过隔板从正极到负极。一旦存储该电位，以在负电极上收集的锂离子的形式，通过连接端之间的负载可以将其用作电能。通过这种方式，当电能充足时，可以使用电能对电池充电，然后利用电池的电化学需求进行放电，以便在需要时提供电力。
术语“充电状态”（SOC）描述了电池系统的剩余电量，这取决于具体条件（即在特定功率范围内）。充满电的电池系统具有100％的SOC（大部分可循环锂离子位于负电极处），而没电的电池系统具有0％的SOC。 SOC的确定是一种复杂的计算，其依赖于密切监视电池内外的电力（电子或电流）以及电压和温度。然而，这些计算必须针对给定的电池单元类型进行校准，且校准依赖于温度，并且还必须考虑不同功率水平和电压或SOC范围的非线性效应。因此，这种计算的复杂性表明需要高度发达的电池管理系统（BMS），如下文第5.4节所述。
图3.3锂离子电池的基本原理和组件
锂离子电池在使用时不可避免地会降解。当电池反复充电和放电时，在负电极处积聚离子的能力将逐渐降低。与新电池相比，健康状况（SOH）反映了电池的一般状况和专业性能的能力。这主要是指电池可以存储或释放的总能量减少，即容量减少，但是对于某些应用，功率容量的降低（由于内阻增加）可能同样重要，甚至更重要。
电池的特性，例如它可以储存多少能量或者它可以多快地充电或放电，取决于电池组成，其中包括设计参数以及化学性质。电池可以基于各种常用的锂离子化学物质，其代表不同的电池特性。船用电池系统通常由数千个单体电池构成，因此每个电池与所有其他电池一致地运行是至关重要的。这要求电池BMS能够以平衡的方式成功地控制和操作每个单体电池，并且同样地要求电池以良好和相同的质量制造。虽然更便宜的生产方法，市场上可以获得质量较低的电池，但是存在更大的风险诸如寿命缩短，电压不一致，容量不一致或者在最坏情况下可能导致火灾的内部故障等意外故障。
目前的船用电池单元主要有三种形式，圆柱形，大尺寸棱柱形和软袋。表3-1给出了这三种细胞类型的一些重要特征。
表3-1船用电池的形状及特征
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属性 |
圆柱形 |
软袋 |
棱柱形 |
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外壳 |
钢或铝 |
多层压袋 |
铝塑钢 |
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电池通风机构 |
特定压力下固定方向 |
包装处低压排气 |
特定压力下固定方向 |
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机械电流中断装置 |
可以前置 |
无 |
可以前置 |
该表说明了就安全性特征而言，每种不同的电池单元形状因子或封装方法具有一系列属性或缺点。对于软袋电池，不可能由内部压力引起的电池爆炸，因为软袋将在相对低的压力下撕裂。可安装在圆柱形和大尺寸棱柱形电池中的安全增强功能包括机械电流中断设备（CID）以及在电池级滥用情况下更可控的通风。这表明质量控制对通风机构设计和制造的重要性。
如果电池，模块或系统通风失败，可燃浓度会增加并出现爆炸风险。这将在下文5.1.2节中详细讨论。
3.2.1电池化学成分
目前市场上可购买的电池化学成分的元素基本相同。阳极基于碳或石墨，而电解质主要由有机碳酸酯组成，例如碳酸亚乙酯，碳酸二甲酯，碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯。锂离子的电池安全性，能量密度和寿命的一些最有希望的发展可能来自这些领域的进步。组件质量和制造过程将对性能，寿命，一致性和安全性产生重大影响。其他关键因素是阳极化学和材料特性，电极活性材料涂层厚度和孔隙率，电解质，隔板，集电器和电池结构。然而，正电极（阴极）的化学成分是给定电池性能特征的最重要方面之一。这是在描述不同电池技术（LiFePO，NCM）时通常所指的名称。该材料成分对于诸如功率和能量特性，寿命，安全阈值，电压以及成本等因素是重要的。下面列出了一些最常见的阴极化学物质。现在越来越多地在阴极上使用不同化学物质的混合物。
锂钴氧化物，LiCoO2（LCO）——LiCoO2的主要优点是其相对较高的能量密度。然而，它通常显示出较低的功率（速率）能力和较短的循环寿命。随着时间的推移阻抗增加也是基于LiCoO2的电池的重要问题。由于在高温下放热释放氧气，氧化钴会受到安全问题的影响 —产生自热火，导致热失控问题。 LCO型电池在消费电子可充电电池中非常普遍，其中三年的寿命后，其容量通常为原始容量的80％。
锂锰氧化物尖晶石，LiMn2O4（LMO）——LMO是一种独特的阴极化学物质，是一种尖晶石结构，在功率能力方面具有显着优势。由于高热稳定性，该化合物具有额外的安全性。然而，与钴基化合物相比，它具有显着更低的能量容量，并且已知具有更短的循环寿命特性，尤其是在更高的温度下。存在几种材料改性可能性以改善LMO化合物的循环寿命。
镍锰钴氧化物，LiNi1-x-yMnxCoyO2（NCM或NMC）——NCM是最新的阴极开发项目之一，是目前大规模带你吃应用的市场领导者，并开始取代LCO作为消费电子产品的主要化学品。它的优势在于镍（具有高比能），钴（高比能）和锰（在层状结构中掺杂以稳定它）的成分属性的组合。可以调整相对组成以在功率密度，能量密度成本和安全性方面产生不同的性质，以及将电池定制到某些应用或应用组。 NCM还可以与阴极中的LCO或LMO机械混合，以产生另一种性能定制。
磷酸铁锂。LiFePO4（LFP）——与LMO类似，LFP在结构方面与大多数其他阴极化学物质显着不同后者是磷而不是分层金属氧化物。这样做的主要好处是阴极处缺少氧源，因此在热失控期间可能降低风险。这些电池还具有更高的温度波动弹性。LiFePO4的比能量相对较低，电化学势（电压）较低，因此降低了电池的驱动力。基于LiFePO4的电池单元的功率本身很低，然而，使用少量其他材料，如导电涂层和纳米结构活性材料颗粒掺杂LiFePO4材料，已经大幅提高LiFePO4电池的功率。
不同化学物质电池的另一个重要特征是它们的电压水平。 对于一些化学物质，可以在完全充电时获得更高的电压，但随着SOC降低而具有快速降低的曲线。图3.4说明了电池电压存在显着差异。 特别值得注意的是，LiFePO4电压的平坦度会使控制和监测复杂化。
图3.4 不同类型电池的SOC特征
此外，目前正在进行许多新的阳极化学研究。硅和碳越来越多地被一起使用以增加能量容量。此外，钛酸盐现在作为阳极化学品提供，在功率容量，循环寿命以及温度弹性方面已经证明了积极的益处—在市场上经常被鉴定为钛酸锂（LTO）电池。随着先进的制造工艺和能力，锂离子电池中新的化学组合和组件的实验正在产生持续的利益和进步，每年都有新的发展。
3.2.2退化机制
锂离子电池将随着时间的推移其内阻增加，其容量也随着减少。这种退化是由于电池的循环使用以及随着时间的推移不可避免地发生的日历效应。循环和日历效应引起的降解很大程度上取决于温度。温度越高，电池退化的速度越快，在低温下会出现额外的风险。最佳电池温度通常在20-30˚C范围内，具体取决于电池的化学成分和系统设计。暴露在额定工作范围之外的温度下存在降低寿命的显着风险。必须通过系统控制准确计算和监控缩短的寿命或健康状况（SOH）通常称为电池管理系统（BMS）。例如，如果电池在低温下以高电流充电，则可以形成锂电镀或树枝状晶体。锂电镀对电池容量的降低是不可逆转的。不可逆容量减少的程度取决于充电过流的详细特性。因此，对海事电池应用的温度进行高度监控和控制，并且热管理是系统设计中的关键因素。在极端情况下，导致加速退化的这些方面也可能带来安全风险。
下图3.5显示了一个模型输出，以说明较高温度对降解日历组分的影响，表明在较高温度下，预计在5年或10年后保留的可用容量可能非常低。此外，对日历损失的研究表明在较高SOC下延长时间段的不利影响，如图所示。锂离子电池通常在低SOC下也经历从延长的时间段加速降解的类似效果。给定电池对这些不同方面的弹性根据电池设计细节和电池所用材料而变化，因此在选择应用时充分了解给定电池的灵敏度至关重要。
图3.5 高温和高SOC对日历（待机）对容量损失的预估显示图
除了日历效应外，电池退化和容量损失也受其循环方式的影响。由于日历效应，温度是最重要的。但同时循环的许多方面本身都会影响降解率。更高的电流（或功率）以及SOC的更大变化（有时称为放电深度，DOD或Delta—SOC，DSOC）将导致更快速的容量减少。 电池从零电量到满电量的持续充电和放电通常会比较小的部分循环更快地降低电池的性能。对于需要十年使用寿命的船用电池，系统的尺寸通常使得电池既不完全充满电也不完全放电，通常仅使用一部分能量，称为“可用能量”。相对于系统的全部电化学能量。充放电SOC限制将取决于应用（占空比），电池设计和所需寿命。 电压或SOC范围也可随着电池系统的老化或退化状态（健康状态，SOH）而变化。 使用更有限的SOC范围增加了电池的寿命，但因此需要更大的电池来执行相同的操作，从而增加了成本。 这种成本和寿命的平衡是电池系统设计的关键问题，需要深入评估占空比和电池技术，以确保最佳的成本和性能。 对占空比的准确了解和分析包括诸如确定持续时间和必要功率或速率值等方面。该分析是评估系统规模和潜在效益以及确定最佳电池技术或化学成分的关键。这些方面将在本文的附录D中进一步详细讨论。
3.3典型的海事电池系统配置
图3.6中的框图概述了作为本文建议的通用电池系统。如图所示通用电池系统的主要组件是单体电池、电池组模块和电池组所需的硬件、热管理所需的组件。为实现接触器和保险丝的安全功能，还需要母线和高压电缆，电子器件，电压和温度传感器和低压电缆和连接器等元件。附图中给出了一些最重要术语的简要说明。附录A中提供了有关电池系统和组件，操作模式和重要参数的更多详细信息。
图3.6通用船舶电池系统
单体电池—单体
资料编号：[5969]
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