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郑 晓，余 帆
综述
舰船大容量电能储存技术现状与展望
郑 晓，余 帆
（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)
大容量电能储存是舰船电力推进系统关键技术之一，可为舰船提供各种负荷能源。本文阐述了研究舰船大容量电能储存技术的重要意义，介绍了大容量电能储存技术划分种类，分析了舰船主要电能储存技术，指出新型储能材料、大数据、人工智能、新型氢能、制动能量回馈储存等技术在舰船大容量电能储存发展应用趋势，得出了中国在大容量电能储存技术方面良好发展态势结论。
舰船电能储存 蓄电池储能 超级电容储能 超导磁储能 飞轮储能
航运业承担了全球近9成运输需求业务，同时排放全球约3%的二氧化碳和约15%的氮氧化物，若对航运排放不予控制，按照目前发展趋势与速度，至2050年，该行业产生二氧化碳在全球温室气体排放总量的占比将翻1-2倍[1]。我国在十四五节能减排综合工作方案中重点提出[2]，要“加强船舶清洁能源动力推广应用，推动舰船岸电受电设施改造”。而推进和拓展电能等新能源在舰船领域的应用，可以促进舰船行业节能减排、绿色发展。强制性的节能减排要求给舰船各功能分区的设计运行带来了巨大挑战，促进了各类新技术的提出和应用，而大力发展舰船电力推进技术已成为舰船动力发展技术的主流趋势之一。相比于传统的舰船动力系统，电能动力系统具有对环境友好、使用寿命长等诸多突出优点。其中，大容量电能储存是电力推进系统的重要环节，在舰船上采用大容量电能存储装置，可以将制动能量储存起来，并在其他负载需要时（如启动、加速阶段）将所储存能量提供给负载或当系统中其它负载需要时将存储的能量进行高效输出，可以有效地弥补燃料电池的缺点，减少燃料电池的输出功率波动，从而提高电力推进系统的稳定性，延长电池的使用寿命等[3, 4]。
电能是舰船动力设备的能源，稳定、可靠的电能存储系统是直接关系到舰船安全与效率。大容量电能储存技术是舰船新能源革命至关重要环节，对推动舰船行业节能减排、绿色发展、提高能源利用率具有重要意义。同时，随着各类诸如电磁弹射器、电磁拦阻、电磁炮、有源雷达等高功率设备在舰船上的应用[5-7]，也给舰船大容量电能储存技术带来了巨大的挑战。
1.1 大容量电能储存技术种类
大容量电能存储在舰船上的应用主要分以下几个方面：一是用于舰船动力推进，二是用于舰船常规配电例如舰船动力，三是特殊装备电力供应要求。舰船在不同工作状态和工作场景下，对电能储存特性和安全性有不同的要求。
一般地，依据舰船电能需求特性和工作时长等不同要求，舰船大容量电能储存技术可以分为功率型电能储存、能量型电能储存和备用型电能储存等不同类型[8]。其中，功率型储能功率密度较高，以高放电率快速高效释放电能，主要用于瞬间高功率放电场景，例如在电磁弹射，电磁炮等大功率装备运行时瞬间高功率电能释放场景。相对于功率型储能，能量型储能的能量密度更高，放电时间相对较长，主要用于高能量存储、转移的场景，例如采用电力推进系统舰船的正常启动、制动、转向等一般性能量释放场景。备用型电能储能在舰船一般性正常工作时不启用，而是在供电网络电压跌落或者突然断电故障时，能够作为不间断电源立即提供紧急电力，是保障舰船紧急场景下正常工作的备用电能。
1.2 舰船主要电能储存技术
舰船电能储存系统在应用方面的需求主要来自两个方面：第一个方面，是对储能设备的能量需求，例如因航速变化引起推进负荷变化，需要减小舰船负荷巨大的峰谷差以保障经济运行。同时，电能储存系统也可作为舰船的不间断电源辅助舰船运行。第二个方面，是对各类舰船设备的功率需求，例如平抑海浪随机性等对推进器的影响，调整舰船的电压和频率；
电磁弹射、有源雷达等高能武器装备的短时高功率电能释放要求等。
1.2.1 蓄电池电能储存
蓄电池电能储存，顾名思义就是将电能以化学能的形式贮存并可将化学能转化为电能的一种电学装置，也成为二次电池。根据所采用化学物质的不同类型，主要可以分为铅酸电池、镍基电池和锂电池等[9]。舰船领域所用蓄电池，必须铅酸电池最早于19世纪60年代被发明，已经历了近160年的发展历程。铅酸电池在我国使用时间较早，在早期舰船领域使用范围最广。铅酸电池是目前技术条件最成熟、应用时间最久的能量型储能技术。铅酸电池最大的优势是价格低廉、电压稳定、自放电率低，但是其能量密度较低，大规模应用不可避免存在体积和重量过大等弊端。
镍基电池主要分为两类[8]，镍镉电池和镍氢电池。相比其他类型电池，镍基电池在低温环境下仍具有较好的电气性能，其能量密度比铅酸电池更高，循环使用寿命也比铅酸电池更长。同时，镍基电池内阻较铅酸电池高，需要控制定值电流充电，与铅酸电池相比其成本较高。镍基电池中，镍氢电池相比于镍镉电池不含有毒的镉元素，对环境更加友好；
完全相同尺寸大小情况下，镍氢充电电池容量比镍镉电池高约1.5～2倍。
此外，锂电池作为蓄电池的一种兴起于21世纪初期，是钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂等锂元素电极材料电池的统称。锂电池实质上是一种具有浓度差的电池，当锂离子通过隔膜材料从化学电势较高的插层材料电极向电势较低的电极移动时，电荷补偿电子通过外电路移动，进而形成电流以供输出使用。相比于铅酸电池和镍基电池，锂电池的能量密度更高，且具有极高的能量效率（>97%）和极低的自放电率（<0.3%/天）[10]，同时锂电池不具有明显的记忆效应。但是，锂电池存在一定的安全性问题，由于其采用的是金属电极材料，在高温下电极有可能会融化而导致短路进而造成安全事故，且锂电池的寿命又受放电深度和电流大小的影响，长期深度放电和大电流放电都会严重损耗电池寿命。一直以来锂电池作为最具前景的能量型储能技术受到众多关注，相关储能技术研究也取得了长足发展。
1.2.2 超级电容电能储存
超级电容又称电化学双层电容器，是一种新型储能技术，能够提供强大脉冲功率的环保型物理二次电能存储设备[11]。超级电容主要通过电极之间的电场储存能量，主要由三部分组成，分别为电极、隔膜、电解质溶液。在能量的储存与释放过程中，既不发生氧化或者还原反应，只有正负电荷的有序移动。超级电容基本结构示意图和经典等效电路示意图分别如图1和图2所示。
图1 超级电容基本结构示意图
图2 超级电容经典等效电路示意图
图2示意图中R为超级电容内阻表征充放电过程中的能耗，R为表征漏电流的漏电阻，因其数值较大，可忽略其影响。
超级电容是典型的大功率密度储能单元，具有使用寿命长、工作范围广、无污染排放、状态易监控等优点，超级电容在工作过程中，只依靠电荷和离子的高度可逆移动，而不是化学键的破坏来储存电量，因此可循环充放电数十万次，而不会对其性能造成损坏，适合混合动力舰船中吸收高频功率波动，减少功率波动，稳定主线电压。
1.2.3超导磁电能储存
超导磁电能储存是一种基于超导线圈的电能储存设备，主要利用导体在超低温下的超导特性，利用大电流产生的磁场储存能量。直流电馈送到超导线圈建立强磁场储存电能，随后该磁场通过逆变器释放和产生脉冲电力。超导电磁电能储存最大的优势是效率极高（>97%），几乎没有任何能量损耗，主要来自外部的电力电子器件，并且其具有很高的功率密度。
其最大的缺陷在于维持超导状态需要极低的温度环境（<−100℃），因而运行维护成本较高，总体的体积和质量也相对较大，在可靠性和修护等方面存在较多技术难题。管如此，随着高温超导技术的进步，超导磁电能储存仍将是相当具有潜力的功率型储能设备。
1.2.4 飞轮电能储存
飞轮电能储存主要是利用高速旋转运动的大质量飞轮将电能以动能的形式储存起来。当需要储存电能时，电能可以驱动电动机使飞轮加速运动；
当需要飞轮储能放电时，飞轮会反向驱动电动机以向外界供电，同时飞轮减速。飞轮以动能形式储存能量，储能密度是储能装置的关键要素之一，其表达公式可以定义如下：
式中，为飞轮系统储存的能量大小（W×h），为飞轮的转动惯量（kg×m2），为飞轮的转动角速度（rad/s）。
由式（1）可知，飞轮的转动角速度越大，其储存能量越大；
反之，其储存能量越小。对于某种固定材料制成的机械转子，其相应地其可承受地最大离心力是固定要求的，而离心力与转动角速度成比例关系。因此，飞轮能够储存的电能上限是受到所选用材料等约束的。
与其他电能储存设备相比，飞轮储存电能具有一系列优势，例如飞轮储能设备设计使用寿命长，一般可以达到20年，远超过化学电池的寿命。在工作期间，所需要的保养工作量小，寿命周期费用低。通过采用复合材料转子，可以减小其尺寸和质量，能进一步提高其能量密度。飞轮电能储存系统另一重要优点在于其运行状态是可预见的，可以精确地根据飞轮运行速度来判断其电能储存状态。其性能不会随着电能充注/释放的循环频率、深度而变化，一般能够运行几万甚至十几万个循环次数。此外，飞轮电能储存结构设计紧凑，体积小，无污染，储能密度高等优点，所以被公认为舰船电力系统中较为理想的脉冲功率电源系统。在舰船电磁弹射等高能装置场景中，飞轮储能系统作为大容量电能储存设备，与其相关研究技术得到了长足的发展。
2.1 新型储能材料
储能材料是储能系统的关键支撑基础，效率、安全性和经济性是储能材料在船舰大容量储能系统应用的重点因素。例如飞轮储能材料方面，突破了新型高强合金钢飞轮转子技术；
新型固态电解质方面，研制了Li2ZrCl6新型电解质体系以及超薄、高离子电导、高稳定性的锂离子交换沸石 X(LiX)固态电解质膜(LiXZM)等新型材料。新型储能材料的研发创新[12]，对于推动船舰大大容量储能发展应用具有十分重要的意义。
2.2 大数据+人工智能储能智慧管理
利用研究前沿的大数据和人工智能技术，通过大数据采集、分析及动态服务等功能模块，能够支持电能储存分布式监测、互动节能服务等新型业务。同时通过分析不同运行状态和类型储能设备组的大数据，可以实现储能设备优化组合，动态调整储存、释放状态，整体提高能源利用率，实现资源有效配置。此外，随着人工智能方法和算力硬件的不断进步发展，通过分析计算大量样本数据，可以解决储能系统容量配置中成本最低、低碳效益最大等一系列优化问题，最大程度发挥不同系统储能作用。
2.3 新型氢燃料电池技术
随着国家对新型能源的大力扶持，氢燃料电池与制氢技术不断取得进展和突破。有别于其他传统燃料电池，氢燃料电池是将氧气与氢气的化学能转换成电能的发电装置，理论上生成物仅为水，具有高效、无污染、运行噪音低等诸多优点；
同时，氢储能在大规模存储方面占有优势，具备一定程度的快速响应能力，在新型电力系统各个环节均有较强的应用价值，在船舶大容量电能储存方面具有广泛的应用前景。
2.4 制动能量回馈储存
舰船在制动时，在制动力作用下并结合船体本身阻力的作用，会使船体迅速减速停航。阻力所做的功会以热能形式散发掉，制动回馈能量可以将船体动能转化成电能并储存。但是在船体迅速制动过程中，局部储能器件电压会急剧升高，主回路大功率器件和变频器过压保护装置带来很大的危害，当变频器装置的运行发生故障时，舰船制动将处于不可受控状态，严重时可危害舰船以及船员的安全。因此，研究制动能量回馈储存具有十分重要的现实意义。
大容量电能储存技术对于舰船行业节能减排、新能源革命具有重要战略意义。本文针对目前舰船大容量电能储存技术进行梳理，重点分析和讨论了目前主要应用的不同类型储能技术，并对大容量电能储存技术的未来发展趋势做出有现实意义的探讨和展望。
中国大容量船舰电能储能系统有望保持规模化发展的良好态势。在国家新能源政策持续推动下，相关技术领域将会取得不断进展，中国船舰大容量电能储存技术将继续保持向好发展态势，继续加速“跑进”国际储能技术前列地位。
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Status and prospect of large-capacity electrical energy storage technology for ships
Zheng xiao, Yu Fan
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)
TM912
A
1003-4862（2022）10-0169-04
2022-07-08
郑晓（1991-），女，工程师。研究方向：机械设计及理论。E-mail: 136252524@qq.com
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