锂电池在船舶中的应用
【摘要】探讨了锂电池在船舶储能、船舶动力方面的应用前景，对锂电池在船舶中应用的政策、规范、应用现状和存在的问题进行了阐述，对锂电池的类型和磷酸铁锂电池应用于船舶的优势及主要应用场景进行了讨论，研究了锂电池的龙头企业状况，并对拓展锂电池在船舶中应用的可行性和意义进行了分析，提出了未来拓展的初步思路。
一、锂电池在船舶动力中的应用
目前船舶使用最多的动力系统是柴油机船舶动力系统，但柴油机动力系统存在着许多的问题。第一，柴油机使用的是重油或是不可再生能源，资源压力大，使用成本也极高。第二， 柴油机运行中产生的噪音、振动问题难以解决。第三，柴油机的废气废料排放问题极其严重，对环境造成的污染。
随着对环境污染、资源紧缺等问题越来越重视，航运业污染问题也受到越来越多人的关注。船舶是排放大户，近年来各国航运业积极行动，不断推动和拓展绿色船舶技术的应用。
虽然业界关注的船舶新能源种类众多，如LNG、甲醇、LPG、生物质燃料、太阳能、氢气、燃料电池、锂电池等,但真正能够实现零排放,并在海运业逐步推广且具初步市场规模的新能源动力，目前只有锂电池电动船舶。纯电池动力船舶主要适用于航线固定、航程短、补点便捷的场合，对于航线距离相对较长的场合，柴电混合动力则更能兼顾节能减排与航程适应性。
1. 锂电池在纯电动船舶的应用
相较传统的推进系统，电力推进系统具有经济性良好、操纵灵活、安全性高、振动小和可靠性高等特点，电力推进系统现广泛应用于渡轮、挖泥船、拖轮和大型邮轮等。随着电力电子技术快速发展以及能源危机日益加剧，电力推进替代传统的柴油机推进成为不可阻挡的趋势。
电力推进技术依靠其在机动性、可靠性、运行效率、布置灵活性、经济性、易于维护等方面的巨大优势，广泛应用于工程船、油船、豪华游船等船舶上。在世界各国都在追求可持续发展、倡导低碳经济的今天，其将成为未来绿色船舶的前进动力。
在国外，几个大的船舶电力推进生产厂商都有自己的电力推进系列产品，并已将其投入实际运行中，例如ABB公司的Azipod推进系统，J、Siemens公司与Schottel公司的SSP推进系统。然而，船舶电力推进一直面临着一个技术难题，即频繁的负载扰动给推进系统的性能带来了重大影响。一方面，海洋环境复杂多变，风、浪、流对负载的影响不可预知，带来的扰动也在不断变化；另一方面，某些工程船(破冰船、挖泥船、海上钻井平台等)在作业时除了受环境干扰以外，其负载功率需求还随工况要求等客观因素的变化而变化，会产生巨大的负载扰动。显然，这些负载扰动会给船舶电网带来巨大冲击，对船舶推进系统的性能有着巨大影响。解决该问题的一个办法是采用能量存储技术。储能单元可以提高系统的稳定性，在电力系统遇到扰动时，其可以瞬时吸收或释放能量，平复扰动给系统带来的影响，增强系统的稳定性。近年来，大容量存储技术飞速发展，几个大的储能单元生产商(如Corvus Energy公司和Maxwell公司)都在生产自己的大容量储能产品并将其投入到实际运行中。
2. 锂电池在混合动力船舶中的应用
混合动力船舶过去通常指的是柴−电混合动力船舶，但随着船舶新能源技术逐步得到推广，以太阳能、燃料电池LNG等为代表的新能源技术开始在船舶上应用，使混合动力船舶定义越来越广。混合动力船舶包含了以电能为中心的多种能量来源，其多样性赋予了船舶运行灵活、经济的优点，而不同能量来源只有通过管理，充分利用各自的特性、协调控制它们之间的流动，才能在保证船舶的功能性、安全性的同时，有效降低能耗、减少排放。
在混合动力船舶中，锂电池主要有两大作用，供能和储能。锂电池可以根据船舶不同的使用要求进行方案设计，主要有以下应用：
1）电力保留，防止船舶失电。
2）削峰填谷：可以在负荷最大的时候，通过锂电池短期供电；负荷较小的时候，电网给锂电池进行充电补充。
3）弥补发电机组的特性不足：可将突加的负荷转 移到电池组上承受，有效地规避了“闷车”风险。
4）作为电力直接对电网进行供电：船舶不配备柴油发电机，直接采用电池系统对船上的设备进行供电，推进系统采用电动机提供动力，就可以实现船舶“零排放”。
二、锂电池在船舶储能中的应用
在多数情况下，船舶电力推进系统都是内燃机驱动发电机组为系统供电。由于海洋环境复杂多变，负载是变化的，当负载偏离最佳负荷点时，燃油就会得不到充分燃烧，燃油的利用率随之大幅度下降，同时会产生大量的氮氧化物和硫氧化物，对环境造成污染。
能量存储技术是解决这一问题的办法之一。利用储能单元在系统轻载时将多余的能量储存起来，来防止该能量对电网的冲击。在系统过载时，储能单元释放能量来满足负载的需求。能量存储技术已经很好的应用于电动汽车行业。而大容量能量存储技术的发展，使得储能单元应用于船舶电力推进系统成为可能，利用储能单元来克服功率波动对船舶电力推进系统的影响将是未来船舶推进技术发展的新方向。
储能系统可增强汽轮机功率提升能力，提高汽轮机调速水平，改善电网质量，实现发电的平滑输出，从而增加了系统的稳定性和可靠性。同时，储能系统也能将多余的能源储存起来，一定程度上提高了船舶运行的经济性。另外，由于船舶所处环境较为恶劣，且长期远离陆地，遇险救援时效性较差，因此，对于保证安全的电力系统要求很高。储能系统作为电力系统最可靠的能源，是保护船舶安全的最后一道屏障。
根据储能载体区分，储能方式主要分为电化学储能、物理储能和电磁储能三种。其中电化学储能主要包括电池储能和超级电容器储能；物理储能主要包括抽水储能、高压空气储能和飞轮储能；电磁储能主要包括超导储能。
在各种储能方式中，抽水储能、压缩空气储能因为响应速度慢，不能满足船舶的要求。超导储能能量密度过低、成本过高且技术成熟度不高，实际运用中可靠性和经济性都不高，也不适合应用于船舶。船舶中主要应用的储能方式为电池储能、超级电容器储能和飞轮储能。超级电容器储能和飞轮储能两种储能方式都具有响应快、比功率高的特点。相比起来，超级电容器储能比功率更高，但比能量极低，放电时间极短，成本更高。
电池储能中，铅酸电池和锂电池是当前应用较为广泛的电池。两种电池均具有额定功率高，放电时间长的优点。相比起来，铅酸电池技术更为成熟，成本较低，安全性较高，但比能量远低于锂电池，且环保性很差。锂电池本身电池特性更为优越，但技术成熟度还不高，散热问题较为严重，安全性不足。用作动力源的锂电池，按电芯材料分类，主要有三元锂、锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂等几种，目前主流应用的是三元锂电池和磷酸铁锂电池。三元锂电池能量密度最大，但是出于安全原因，在电池管理系统需要投入更多资金，一定程度上限制了三元锂电池在国内船舶的应用。磷酸铁锂电池技术己相当成熟，广泛应用在陆用交通、 太阳能和风力发电发电储能、电动工具等领域，大规模的生产也使电池价格回落到较为合理的空间。结合国内船舶实际和电池产业现况，磷酸铁锂电池在船舶领域发展较快。
三、锂电池在船舶中应用的政策和规范
1、政策基础
为了推进新能源在船舶产业领域的应用，国家和地方出台了一些针对锂电池在船舶领域应用的政策。国家层面，虽然没有专门针对电池动力船舶的鼓励政策，但相关政策可见于各文件中。
2018年 11月30日，交通运输部印发《船舶大气污染排放控制区实施方案》，鼓励船舶使用清洁能源、新能源、船载蓄电装置或尾气后处理等替代措施以满足船舶排放控制的要求。
2019年 1月 4日，生态环境部等 11部委联合印发《柴油货车污染治理攻坚行动计划》，鼓励淘汰使用20年以上内河航运船舶，依法强制报废超过使用年限的航运船舶，推广使用纯电动和天然气船舶。
2019年 9月，中共中央国务院印发实施《交通强国建设纲要》，特别强调加强新能源在船舶行业的应用研究，要求推广新能源、清洁能源等技术装备，提升新能源船舶设计建造能力，强化新能源等前沿关键科技的研发。
2020年 6月，交通运输部发布《内河航运发展纲要》提出：加大新能源、清洁能源推广应用力度，推广 LNG节能环保船舶，探索发展纯电力、清洁燃料等动力船舶。
地方层面，各地方政府出台的政策更具针对性，这些政策的发布与实施极大地推动了当地电池动力船舶产业的发展。如深圳市制定的《2018年“深圳蓝”可持续行动计划》、广州市制定的《广州港口船舶排放控制作战方案（2018-2020年）》、武汉市制定的东湖等封闭水域禁止运行燃油船舶的要求，以及湖北省即将出台的禁止封闭水域运行燃油船舶的规定等。
2、规范基础
电池动力船舶属于较新的船型，船舶及相关产品的设计尚处探索期，政策法规尚处于完善期，无论国际还是国内相应的法规都不够健全。
国际方面，纯电池动力船舶的相关标准分散在国际海事公约、检验法规、船级社规范和船舶及相关行业之中，但尚未形成体系。SOLAS公约规定了电源及发电机组的要求，但一直没有将纯电池动力引入到公约当中，成为制约国际航行电池动力船舶发展的一个重要因素。《国际海运危险货物规则》规范了电池组运输的要求。部分船级社针对电动船也发布了相关的指南和要求。国际电动委员会（IEC）发布了22项涉及船舶电气、蓄电池及燃料电池安全、性能、防爆领域的标准。这些标准在一定程度上满足了电池动力船舶的要求，但未形成系统和完善的应用规范。
国内方面，电池动力船舶的相关标准制定基本能够满足现阶段电池动力在船舶上的应用。国内标委会制定了与 IEC对口的相关行业标准 22项，能够为当前电动船舶的设计建造提供一定借鉴。2019年11月，中国船级社发布《纯电池动力船舶检验指南》。自 2011年起，交通运输部海事局组织开展了电池动力船舶技术规范的制定工作。并于 2019年 7月 23日发布《内河船舶法定检验技术规则（2019年修改通报）》，2019年 11月 13日发布《内河船舶法定检验技术规则（2019）》，针对内河船舶电气要求和磷酸铁锂电池的性能特点，制定了相应的技术要求。规则的出台，大大促进了船舶行业电动化的快速发展。另外，东疆海事局在内河电池动力船舶规范基础上，继续积极推进沿海电池动力船舶技术规范的制修订工作，磷酸铁锂电池在海船上的应用已纳入 2020年船舶技术修订重点工作。同时将加快推动研究制定船用锂离子电池基础通用性能和试验标准。
四、锂电池在船舶中的应用现状
电池动力船舶是目前国际上最新颖的船型之一，其电气化特点能够为下一代智能船的发展提供基础。其设计和建造并不是动力系统的简单替代，需要设计和建造理念的革新。对于设计和建造部门来讲都是巨大的挑战。其船舶系统及功能的配备、设备操作和船员技能的要求、作业环境对船舶的影响、事故和风险的预防处置等方面较常规动力船舶更为复杂。各船级社、海事部门等都处于研究起步阶段，相关研究和设计体系尚不完善。
1、产业现状
从全球范围看，电池动力船舶的应用正处于探索、示范期，运营经验不足。截止 2019年 5月底，全球电动船舶数量为155艘，其中包括营运船舶 75艘，拟建造船舶80艘，已实现1000KWh到 4000KWh之间较大容量电池动力船舶的应用。电池动力的选择上既有磷酸铁锂电池，也有三元锂电池。我国内河已建纯电池动力船舶 20余艘，在建及计划建造纯电池动力船舶 10余艘。2015年以前，我国电池动力船舶的应用仅限于 600KWh以下的小型船舶 ；2015年以后，使用的最大电池容量达到 3000KWh,且全为磷酸铁锂电池。我国电池行业发展相对成熟， 但是船用产品及其配套产业占据的市场份额较小，参与船用电池认证的企业较少，仍存在较大发展空间。电池动力船舶的核心部件是为推进电池及其配套的电池管理系统。在全球前十的电池制造商中，国产厂家占到五家。2020年第一季度国内动力电池装机量合计约 5.68GWh， 涉及的装机动力电池企业 51家，其中宁德时代、比亚迪、国轩高科、 亿纬锂能、中航锂电等是排名靠前的企业，主要装机产品是新能源汽 车。国内锂电池配套船舶作为动力源，必须经过中国船级社（CCS）的资质认证。截至 2019年10月，中国船级社已完成和正在进行的船用电池产品认证共 37项，其中 15项动力电池项目、5项电池管理系统项目已经完成审核工作。在电池管理系统方面，中国船舶重工集团公司第 712研究所、711研究所、704研究所已具备纯电池动力系统及整船解决方案的设计和供货能力，无锡赛思亿已具备船舶直流网电力推动系统、混合动力推进系统、试验站用电系统的供货能力，中车上海汉格已具备直流电力推进系统、交流电力推进系统、ESS节能系统的供货能力。
2、港口配套现状
港口配套设施特别是充电设施是限制电动船舶发展的因素之一。截至2018年底，我国已建成岸电 2400余套，这些设备使用中存在与船舶供电不匹配等诸多问题，并且不能直接为纯电池动力船舶进行充电，但是为电池动力船舶获取动力提供了较好的硬件基础。随着《船舶大气污染物排放控制区实施方案》的持续推进，特别是船用岸电使用方面政策的强制实施，全国岸电的配套规模和区域有望进一步扩大和提升。
五、锂电池在船舶应用中的问题
1、缺少统一规划
一是电池动力船舶推广缺少统一部署。在电池动力船舶的应用和推广中，锂电池生产企业、电力企 业、配套企业各自推进，缺少国家层面的宏观规划，技术研发、发展路径、推广模式缺少统一的规划和指导。目前，我国只有个别省市出台了电动船建设、改造补贴方案，如《深圳市绿色低碳港口建设补贴资金管理暂行办法实施细则》《广州港口船舶排放控制补贴资金实施方案》，积累了一定的经验。同时，由于电池动力船舶虽然使用成本低，但前期投入较多，电池动力船舶推进系统的造价一般是传统动力系统的 2.2至 2.5倍。由于电动船产业规模较小，国家对新建、改建电池动力船舶并未出台专门的补贴政策，在电价优惠、岸电规划方面缺少统一的部署。二是缺少对锂电池全生命周期的规划。锂电池的生命周期受使用环境、充放电循环工况等因素的影响，电池一旦老化，安全风险会急剧增加。电池的负荷状态（SOC）由100%降低到 80%一般认为电池即将寿命终止，按照目前的技术标准， 厂家承诺的电池寿命为 8年，而船舶的寿命按照 20~30年计算，在船舶的生命周期内要进行三到四次的电池更换，对于电池的生产、使用、报废、分解以及再利用等整个生命周期的综合处理，缺少相应的政策引导。
2、技术法规不完善
一是船用标准尚未建立。锂电池根据不同的应用领域其性能标准不尽相同，目前船用锂电池性能标 准参用电动汽车的相关标准，基础通用性能和试验标准还未形成。考虑到船用锂电池蓄能能力是车用锂电池能力级别的几十倍甚至上百倍，且船用产品工作环境更恶劣、 安全性能要求更高，因而船用试验标准引用 IEC及国标电动车标准，存在一定的局限性和不适用性。船用标准的构建和完善是目前急需解决的问题。
二是检验法规尚不完善。虽然相关海事局已经编制了内河动力船舶技术规范，但是由于船用锂电池产业能力偏弱，尚不具备向长途、 大功率船舶供货的能力，因而对于沿海电池动力船舶相关法规的编制尚处于起步阶段。
三是锂电池作为船舶动力应用的研究有待进一步深入。电池动力船舶根据能源形式一般可归为两类：纯电池动力船舶和混合动力船舶。由于电池动力船舶实船较少，对此类系统的安全性、动力匹配性研究及积累的经验尚显不足。两种技术路径的优劣还有待实际运营的验证， 缺少数据积累。纯电池动力的安全性差、能量密度低，以及一次性投入成本太高等缺点，是制约其在船舶领域大规模应用的主要障碍。动力电池作为大容量储能元件，其本身具有起火爆炸等隐患，在船舶航行中存在电池失效、控制系统失效风险，在船舶操纵过程中存在因故障、特殊天气条件导致的安全返航风险，在船舶停泊充电期间存在船岸操作安全事故风险等。
3、企业技术水平不高
电池动力船舶的整体性能取决于两个方面：船舶设计建造水平和关键部件（如动力电池和能源管理系统）生产质量。
船舶建造设计方面，依然处于初级阶段，目前的电动船依然是能源动力的替换，需要按照电动能源的性能特点，进行创造性的设计革新。
就电池动力和能源管理系统而言，并未形成具有明显市场优势的电池系统供应厂商以及推进和动力供应商，核心部件和产品与国外存在一定差距，船用电池系统、船用电池动力制造能力尚且不足。
4、船型应用受限
目前国内锂电池动力船舶的容量一般控制5000KWh以下，其续航里程受充电装置、充电时间的限制，其应用仅限于在短途客运、渡轮、景区旅游客船、短途定航线货船领域。
六、磷酸铁锂电池在船舶中应用的优势
新兴的“锂电池电动船舶”以绿色环保、零污染、安全以及使用成本低等优点，将成为内河、湖泊的短距离运输船、观光船、轮渡船等的首选船舶。而作为锂电池家族最安全磷酸铁锂电池，伴随着近年来相关锂电池技术在安全、长续航、大功率、长寿命等技术难题的突破，磷酸铁锂电池以其相对较低的价格,较高的能量密度简易的维护,以及优异的安全性能将成为电动船舶发展的优选能源。相对于其它锂电池，磷酸铁锂电池应用于船舶具有以下优势：
1）磷酸铁锂电池安全性更高
磷酸铁锂电池安全性和耐高温性能优异正交橄榄石结构的LiFePO4 正极磷酸铁锂电池是目前最安全的锂离子电池正极材料，且不含有对人体有害的重金属元素，其橄榄石结构的晶体结构构架稳固，氧（O ）与磷（P）以强共价键牢固结合，使其结构中的氧难以与电解质发生氧化反应，即便在高温情况下也不会形成结构崩塌发热，这能够很好的保证电池充放电过程的稳定性与安全性，磷酸铁锂电热峰值可达 350℃-500℃而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。工作温度范围宽广（-20℃~+75℃），其优异的高温性 能、安全性方面具有突出的优势使其成为中大容量、中高功率锂离子电池首选的正极材料。
2）磷酸铁锂电池的使用寿命更长
磷酸铁锂电池，完整充电循环寿命在 2000 次以上，标准充放电（5 小时率）使用，一般可达到 2000 次。而铅酸电池的循环使用次数在 300 次左右，最大一般不超过 500 次，使用年限多在 1~1.5 年时间，相同条件下的磷酸铁锂电池理论寿命将达到 7~8 年。并且磷酸铁锂电池具备大电流放电能力，也可使用大电流 2C 快速充放电，而铅酸电池现在无此性能。
3）量产产品单位能量密度较高具备价格优势
据报道，2018 年量产的方形铝壳磷酸铁锂电池单体能量密度在 160Wh/kg 左右，2019 年一些优秀的电池厂家大概能做到175-180Wh/kg 的水平，个别厉害的公司量产的磷酸铁锂电池单体能量密度最高已突破 190Wh/kg，目前市场上已经有攻克磷酸铁锂电芯 200wh/kg 的高难度，并且磷酸铁锂体系还可继续提升能量密度，随着市场对未来电动船舶市场、储能市场的看好，未来磷酸铁锂电池应用在电动船舶领域的比例增多的同时必然会在能量密度将迎来较大的发展，同时单位价格也会呈现下降趋势。
4）绿色无污染的环保产品
磷酸铁锂电池一般不含任何重金属与稀有金属无毒无污染（由 Societe Generale de Surveillance S.A.认证通过），且符合欧洲《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令(Restriction of Hazardous Substances) 规定，是绝佳的绿色环保电池。
七、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 吨以内的船舶类锂电池在汽车、电脑等方面已有大量的应用，但船舶市场应用相对较少。目前，大容量电池储能系统、电池管理系统等关键技术已有了重大突破，而且各国政府环保政策等外 部因素的推动，也为船舶电池应用的发展提供了强有力的后盾。船舶的锂电池应用应该以此为契机，进行发展及推广， 以满足日益严格的环保要求。
八、行业龙头锂电池公司介绍
1. 宁德时代
宁德时代新能源科技股份有限公司成立于2011年，是国内率先具备国际竞争力的动力电池制造商之一，专注于新能源汽车动力电池系统、储能系统的研发、生产和销售，致力于为全球新能源应用提供一流解决方案，核心技术包括在动力和储能电池领域，材料、电芯、电池系统、电池回收二次利用等全产业链研发及制造能力。2017年该公司动力锂电池出货量全球遥遥领先，达到11.84GWh。已与国内多家主流车企建立合作关系，并成功在全球市场上占据一席之地，也成为国内率先进入国际顶尖车企供应链的锂离子动力电池制造厂商。
2. 比亚迪
比亚迪业务布局涵盖电子、汽车、新能源和轨道交通等领域，从能源的获取、存储，再到应用， 全方位构建零排放的新能源整体解决方案。在新能源领域，比亚迪拥有电池、太阳能、储能等新能源产品及完整的产业链，产品遍及美国、德国、日本、瑞士、加拿大和澳大利亚等新能源发达市场和新兴市场。
3. 亿纬锂能
惠州亿纬锂能股份有限公司（简称：亿纬锂能）成立于2001年，于2009年在深圳创业板首批上市，历经21年快速发展，已成为具有全球竞争力的锂电池平台公司，同时拥有消费电池和动力电池核心技术和全面解决方案，产品广泛应用于物联网、能源互联网领域。
4. 国轩高科
国轩高科股份有限公司于1995年01月23日，公司经营范围包括锂离子电池及其材料、电池、电机及整车控制系统的研发等。2019年10月22日，“2019全球新能源企业500强榜单”发布，国轩高科股份有限公司位列第185位
5. 鹏辉能源
鹏辉能源（深圳创业板，股票代码300438）成立于2001年，注册资本4.2亿元人民币，鹏辉是一家20余年来一直专注于锂电池生产制造与研发的高新技术企业。公司业务范围已覆盖数码消费类电池、新能源汽车动力电池、储能电池以及轻型动力电池、电动工具电池等众多领域，全面实现了新能源产业链的完美覆盖，并率先实现规模化生产，拥有自主知识产权，主要技术指标处于国内、国际先进水平。
6. 中航锂电
中航锂电成立于2007年，是由中国航空工业集团公司、中国空空导弹研究院、四川成飞集成科技股份有限公司、中航投资控股有限公司、航建航空产业股权投资（天津）有限公司、江西洪都航空工业股份有限公司、洛阳兴航投资有限责任公司共7家单位，共同投资建设的专业从事锂离子动力电池、电源管理系统研发与生产的高科技公司，是一家拥有先进管理、技术、制造能力的现代企业。公司位于河南省洛阳市国家高新技术开发区，专业从事锂离子动力电池、电源管理系统的研发和生产，是国内领先的生产100AH以上高倍率、长寿命、大容量锂离子动力电池制造专业公司，是承担国家863重大专项“大容量磷酸铁锂动力电池及动力模块技术开发”的单位。