基于磷酸铁锂电池的船舶充放电板设计方法与流程

本发明涉及一种基于磷酸铁锂电池的船舶充放电板设计方法，属于船舶应急/临时应急电源领域。

背景技术：

当前主流的船舶充放电板电池均为铅酸蓄电池，这种配置已持续数十年。随着船舶电气化发展，对充放电板电池容量需求越来越大，虽然目前使用大多为免维护型铅酸蓄电池，但仍存在能量密度低、寿命短、漏液、产生氢气等问题。在实际应用过程中，主要存在以下问题：

1)铅酸蓄电池放电效率较低，0.5小时放电率情况下，放电量仅为标称(10小时放电率)的30％。

2)铅酸蓄电池能量密度较低，体积和重量都很大。即使是目前较新型的船用铅酸蓄电池，能量密度仅为磷酸铁锂电池的三分之一。

3)铅酸蓄电池寿命较短，标称充放电次数约500次，实际使用年限1-2年，仅为磷酸铁锂电池的五分之一。

4)专门布置铅酸蓄电池的蓄电池间按规范应划为危险区，增加了防爆设备使用。

5)废旧铅酸蓄电池对环境污染较大。

随着磷酸铁锂电池发展，锂电池船用化已经逐渐实现，价格也降至可以接受区间。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：目前使用的基于铅酸蓄电池的船舶充放电板电池过重，寿命短，安全性低，后续污染严重。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种基于磷酸铁锂电池的船舶充放电板设计方法，其特征在于，船舶充放电板的蓄能装置采用磷酸铁锂电池。本发明将原先的铅酸蓄电池更换为磷酸铁锂电池。

优选地，取消专用于放置蓄能装置的蓄电池间，将所述磷酸铁锂电池与所述船舶充放电板设计为一体。原铅酸蓄电池布置在专用的蓄电池间，更换为磷酸铁锂电池后，安全性提高，可以布置在安全区域。

优选地，增设电池管理系统(bms)，用于：准确估测所述磷酸铁锂电池的荷电状态，保证荷电状态维持在合理的范围内；对所述磷酸铁锂电池的充放电过程进行动态监测，防止所述磷酸铁锂电池发生过充电或过放电现象；为单体磷酸铁锂电池均衡充电，使磷酸铁锂电池组中各个磷酸铁锂电池达到均衡一致的状态。

优选地，所述电池管理系统对所述磷酸铁锂电池的充放电过程进行动态监测时，实时采集磷酸铁锂电池组中的每块磷酸铁锂电池的端电压和温度、充放电电流及电池组总电压

优选地，所述电池管理系统采用主动均衡方式工作。

优选地，配备手提式七氟丙烷灭火器。磷酸铁锂电池灭火机理和铅酸蓄电池不同，本发明按相关要求配备手提式七氟丙烷灭火器，并在锂电池屏上方设置喷放孔，以便灭火器通过喷放孔向锂电池屏内释放灭火剂。

优选地，所述船舶充放电板的电池充电装置采用恒流恒压工作模式，初期充电采用恒流充电，当荷电状态较高时采用恒压充电。铅酸蓄电池大多为恒压充电。考虑到过充和充电不足对磷酸铁锂蓄电池寿命影响，采用恒流恒压充电。

优选地，所述磷酸铁锂电池采用强制通风冷却或液冷。

优选地，所述蓄能装置采用抽屉式模块设计，可以整体从前方抽出，方便后期检修维护。

优选地，实际配置所述磷酸铁锂电池的容量＝q/dod，式中，q表示所需蓄电池容量，q＝pt/24k，p表示负载功率，t表示负载工作时间，k表示蓄电池容量系数；dod表示放电深度。

蓄电池容量计算变化：由于电池类型不同，电池容量系数也有区别，磷酸铁锂电池在0.5小时放电率(即2c放电率，c表示充放电时电流大小的比率，倍率)情况下，放电量仍能保持在标称容量的98％以上。在蓄电池容量计算时只需要考虑磷酸铁锂电池的放电深度(dod)设置，常规设置为80％。

本发明将目前充放电板的铅酸蓄电池更换为磷酸铁锂电池，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)磷酸铁锂电池0.5小时放电率(2c)情况下，放电量基本不受影响，实际装船电池量减少，最少约为原来铅酸电池的3/8(常规货船充放电板)。

2)实际装船锂电池重量体积大大减少，最少约为原来铅酸蓄电池的1/8(常规货船充放电板)，充放电板蓄电池布置位置较高，减重后有益于船舶重心降低，稳性增加。

3)充放电板电池使用寿命增加为原来铅酸蓄电池的5倍以上，减少了使用期间船东养护成本。

4)取消了原蓄电池间布置及相关房间内防爆设备使用，减少了初期建造成本。

5)磷酸铁锂电池不含重金属及有毒成分，废旧电池对环境污染小。

附图说明

图1为基于磷酸铁锂电池的船舶充放电板模块组成示意图；

图2为基于磷酸铁锂电池的船舶充放电板供电原理图；

图3为基于磷酸铁锂电池的船舶充放电板bms系统框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

作为一个具体的实例，本实施例公开的一种基于磷酸铁锂电池的船舶充放电板，主要由电池、电池管理系统(bms)、充电装置、配电部分组成。在实船应用过程中的配置方案可以根据船舶实际情况进行针对性适配，以下对本发明进行说明。

1)模块组成

参见图1，充放电板长度l为1000mm、离地高度h3为100mm，分为四屏，分别为控制屏、进线开关屏、负载屏和锂电池屏。负载屏和控制屏的高度h1为800mm，锂电池屏及进线开关屏的高度h2为800mm。

以原船充放电板配置dc24v、300ah铅酸蓄电池为例，更换为磷酸铁锂电池，按80％dod计算，容量配置为dc24v、112.5ah即可。电池总重(包括bms系统)约为25kg，尺寸约为300mm(l)×300mm(w)×450mm(h)，由于短时间放电倍率较大，电池配备主动冷却，方式为强制通风冷却或液冷。电池模组采用抽屉式模块设计，打开柜门可以整体从前方抽出，方便后期检修维护。整个充放电板尺寸可以控制在1000mm(l)x500mm(w)x1750mm(h)范围，

2)系统及工作流程

参见图2，系统供电原理如下：

充放电板从主配电板和应急配电板直接供电。

主配电板电源经过整流器后将dc24v电直接供给负载。

主配电板失电后，应急配电板电源经过充电器可以给dc24v负载供电。

应急配电板电源经过充电器后给磷酸铁锂电池充电，当主、应急配电板都失电后，由电池给dc24v负载供电。

锂电池的充放电均由电池管理系统bms控制。电池管理系统bms系统框图见图3，其主要功能包括：

(1)准确估测荷电状态(soc)：准确估测动力电池组的soc，即电池剩余电量，保证soc维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池造成损伤，并随时显示储能电池的剩余能量，即储能电池的荷电状态。

(2)动态监测：在电池充放电过程中，实时采集蓄电池组中的每个电池单体的端电压和温度、充放电电流及电池组总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。同时能够及时给出电池状况，保持整组电池运行的可靠性和高效性。

(3)电池间的均衡：即为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。弥补电芯个体之间的差异，进行一些主动或被动的充电或放电的管理，确保电池的一致性，延长电池的寿命。

磷酸铁锂电池对过充过放及充电不足较敏感，直接影响电池组寿命，故电池组采用恒流恒压模式，即前期用恒定电流充电，当电压达到截止电压后转恒压充电，电流达到截止电流停止充电。

另外，锂电池组内电池单体容量差异会导致有些电池被过充电而有些电池未充满电，放电时容量高的电池未放完电而容量低的则被过放。故充电器采用主动均衡方式工作，通过开关元件、变压器、电感、电容、等构成均衡电路，利用对这些储能元件的充放电，通过继电器或开关器件将能量从高能量水平的电池转移到低能量水平的电池。主动均衡电路由电池管理系统(bms)控制，电路能够快速的实现均衡，效率高。

3)锂电池容量计算

常规蓄电池计算公式如下式(1)所示：

q＝pt/24k(1)

式(1)中，q表示所需蓄电池容量(ah)；p表示负载功率(w)；t表示负载工作时间(h)，常规货船为0.5小时；k表示蓄电池容量系数，铅酸蓄电池0.5小时放电对应容量系数为0.3，磷酸铁锂为0.98。

由于磷酸铁锂电池不能过放，为了保证电池使用寿命，一般放电深度(dod)设置为80％。在上述计算结果基础上除以80％(dod)即为实际配置锂电池容量。