【編者按】對于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)而言，如何減少燃油消耗诉玲、系統(tǒng)維護(hù) 成本亭弥、有害氣體排放和增加整船的穩(wěn)定性和可靠性？

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

在多數(shù)情況下金抡，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)都是內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)組為系統(tǒng)供電。由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變腌且，負(fù)載是變化的梗肝，當(dāng)負(fù)載偏離最佳負(fù)荷點(diǎn)時(shí)，燃油就會得不到充分燃燒铺董，燃油的利用率隨之大幅度下降巫击，同時(shí)會產(chǎn)生大量的氮氧化物和硫氧化物，對環(huán)境造成污染精续。能量存儲技術(shù)是解決這一問題的辦法之一坝锰。

利用儲能單元在系統(tǒng)輕載時(shí)將多余的能量儲存起來，來防止該能量對電網(wǎng)的沖擊重付。在系統(tǒng)過載時(shí)顷级，儲能單元釋放能量來滿足負(fù)載的需求。能量存儲技術(shù)已經(jīng)很好的應(yīng)用于電動汽車行業(yè)涵店。而大容量能量存儲技術(shù)的發(fā)展裁国，使得儲能單元應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)成為可能，利用儲能單元來克服功率波動對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的影響將是未來船舶推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的新方向卫跺。

1超級電容器技術(shù)

1.1超級電容器的結(jié)構(gòu)

超級電容有時(shí)也被稱為電雙層電容器表季，或雙層電容器肯窜，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虏淤，但同樣大小的超級電容器則可以達(dá)到幾法拉纹茫，差別可達(dá)五個(gè)數(shù)量級。電容通過電容效應(yīng)存儲能量舶惕，它的容量和電極的表面積以及電解質(zhì)的介電常數(shù)成正比灿西，和電極之間的距離成反比。超級電容使用高介電常數(shù)電解質(zhì)断猩，它的電極采用多孔活性炭材料可以大大增加其表面積善婉，這是超級電容能儲存巨大能量的主要原因。通常情況下肪瘤，兩個(gè)電極由中間一塊多孔活性炭薄膜隔開抄瓦，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)原理陶冷。

1.2超級電容器的優(yōu)缺點(diǎn)

超級電容的優(yōu)點(diǎn)：

1)高電流容量钙姊。超級電容設(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埂伦。超級電容的低等效串聯(lián)電阻能夠使電容迅速充電煞额，電容本身的特點(diǎn)允許電容以同樣的速度充放電，這是電池做不到的沾谜。

2)使用壽命長膊毁。超級電容的能量存儲機(jī)制是高度可逆的過 程，這個(gè)過程只移動電荷和離子基跑，而不會制造或破壞化學(xué)鍵婚温，因此充放電循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到數(shù)十萬次。小循環(huán)充放電和深度循環(huán)充放電都不會損害超級電容的性能媳否，使得超級電容的使用較為靈活栅螟。此外，超級電容容易存儲篱竭，長時(shí)間放置不會對其性能造成影響力图。

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

4)環(huán)境友好坚呜。超級電容使用的材料都是無環(huán)境污染的程伞，在工 作過程中也不會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。

5)維護(hù)保養(yǎng)容易闸虹。超級電容基本上不需要保養(yǎng)暴既，沒有存儲效 能，不存在放電過量的情況敌痴，能夠在任何額定電壓或低于額定電壓的情況下工作磁饮。

6)狀態(tài)監(jiān)控容易。由于在電容內(nèi)儲存能量只是電容和電壓 的功能溪臊，而且電容相對恒定减少，因此單程開放電路電壓測量就可以確定荷電狀態(tài)。

7)延長其他能源的使用壽命镊鹊。像電池填抬、專業(yè)發(fā)動機(jī)以及燃料 電池這類能源在瞬態(tài)情況下表現(xiàn)不是很好。對一些元件來說隧期，瞬態(tài)過程會極大縮短元件的使用壽命飒责。結(jié)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(tài)值仆潮。

超級電容的缺點(diǎn)：

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

2)端電壓變化較大拾并。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(fù)荷之間安裝調(diào)壓裝置才能保 持負(fù)荷側(cè)電壓穩(wěn)定鹏浅，這使得儲能系統(tǒng)的成本增加嗅义。

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

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芥喇，它主要依靠Li+離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。在充放電過程中凰萨，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)继控，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極笤碍，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)况饥；放電時(shí)則相反。其原理圖如圖2所示支赖。

2.2鋰電池的優(yōu)缺點(diǎn)分析

鋰電池的優(yōu)點(diǎn)：

1)高能量密度荸冒。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访跪。

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

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

4)輸出功率大疾捍。

5)工作溫度范圍寬奈辰。可在-20℃～60℃之間正常工作乱豆。

鋰電池的缺點(diǎn)：

1)成本高奖恰。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)展宛裕，可以采用LiMn2O4瑟啃、LiFePO4等為正極，從而 有望大大降低鋰電池的成本续滋。

2)必須有特殊的保護(hù)電路翰守，以防止過充或過放。

3)與普通電池的相容性差疲酌，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)行替代蜡峰。

3儲能系統(tǒng)的典型應(yīng)用

對于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)而言，如何減少燃油消耗朗恳、系統(tǒng)維護(hù) 成本湿颅、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)先其他公司渠余，并開發(fā)出了廣泛應(yīng)用的AT6500儲能系統(tǒng)斟策。圖3給出了該儲能系統(tǒng)應(yīng)用于近海支援船的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中儲能單元公用直流母線采散，直流母線通過DC/AC變換環(huán)節(jié)與交流母線相聯(lián)接胡傅，完成能量的傳輸。整個(gè)儲能系統(tǒng)由多個(gè)AT6500模塊組成即鋰電池組猩琳，能夠持續(xù)提供大功率輸出母烘，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，減少不必要的開支侈兄。

4結(jié)束語

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

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