引言密云水库作为首都市民饮用水源，环保要求至关重要。在该区域内作业的水质监测船舶，必须满足减少污染和碳排放的要求。原密云水库水质监测船的使用易产生污染，而且船上缺少实验能力。新型密云水库水质监测船尺寸为24.5 m×5.5 m，排水量约75 t，配备960 kWh磷酸铁锂电池组作为主电源，是国内首条以锂电池作为主动力的水质监测船。可执行日常和紧急情况下，水样、污泥的收集监测工作。船上配备水质化验实验室，可实现就地完成水质化验，并将结果上传至相关管理部门。水质监测船上安装锂电池可以满足一天正常的工作要求。晚上用电低谷期间充电，降低使用成本。为应对紧急情况，另外配备一台变速柴油发电机组作为备用电源。该船采用先进的直流母排电力系统，包括两台丹佛斯永磁辅助同步磁阻推进电机、逆变器、两套双向大功率DC/DC和两套微电网控制器，具有高效率、尺寸紧凑和低维护成本等显著优势。将传统柴油机动力源改为锂电池，可实现船舶航行过程中无污染、低噪声。但这一改变也带来了新的风险。电池动力系统直接决定并影响船舶航行的安全性。作为唯一的能量源，船舶航行和作业时，电池动力系统不仅要提供船舶航程所需的电力，还需要对保障船舶正常航行、船舶安全及其他所必需的设备供电。动力电池一旦出现问题，全船将同时失去动力和电力。而动力电池作为大容量储能元件，本身具有风险。以我国新能源汽车为例，近年来已连续发生多起新能源汽车电池安全事件。锂电池船的电池容量是新能源汽车电池的几十甚至上百倍，安全风险较高。目前电池动力船设计缺乏经验。根据统计数据，目前全球只有70多艘电池动力船舶，营运经验积累极少，且由于差异较大，无法通过电池动力车的经验积累评估电动船的安全性[1]。1新型密云水库水质监测船创新点1.1锂电池电池动力水质监测船是以锂电池作为主推进动力源，另配一台变转速发电机组作为备用电源，采用直流母排配电系统，如图1所示。永磁推进电机降低系统重量和占用空间，提高配电系统效率。通过电力管理控制系统的功率管理（PMS），管理船舶发电、推进和船舶日用电源之间的能量转换，保证锂电池组和柴油发电机组发出电能，自动根据主推进电源和船舶日用电源的需求自适应调整。PMS可根据实际工况，在自动模式下完成对发电机组和锂电池组的起动和停止控制。水质监测船每晚利用电波谷时段充电，电池完全充满约8 h，电池电量可以满足一天普通采样化验工作需求。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.006.F001图1水质监测船直流配电网络单线图（1）本船磷酸铁锂电池安全性说明。使用浙江谷神能源科技股份有限公司磷酸铁锂电池，电池为不锈钢外壳，耐高温，自带熔断器、泄压阀。电池型号GSF 46160M—28，CCS型式认可证书编号：ZG17T00113。电池管理系统型号GBMS，CCS型式认可证书编号：ZG16T00088_02。根据本船磷酸铁锂电池安全性型式认可检验报告（委托检验机构：中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，报告编号：QA18XX1EAV331），磷酸铁锂电池在挤压、短路、过充和过放情况下，都没有产生起火和爆炸现象，自身安全性较好。磷酸铁锂电池正常使用情况下，性能稳定，处于密闭状态，无气体释放。极端状态主要是热失控状态，会有极少量气体通过泄压阀排出，主要成分为CO2。根据目前电池模组和柜体布置方式，以及BMS水平，磷酸铁锂热失控控制在单个模组范围。电池热失控不会导致电池舱变成危险区域。另外，密云水库水质监测船电池舱防火分隔根据规范等同于机舱处理。舱内无其他电气设备安装，根据电池最大发热量计算配备足够风量通风机。电池舱配置符合规范要求的探火及七氟丙烷灭火系统。（2）锂电池选择。常见锂电池有磷酸铁锂电池、三元（镍钴锰混合）电池、钛酸锂电池等。目前应用最多的是磷酸铁锂电池和三元电池，钛酸锂电池应用范围较小。国内CCS船级社规范和海事局法规只允许磷酸铁锂电池作为动力锂电池使用。常见锂离子电池对比分析如表1所示[2]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.006.T001表1常见锂离子电池的对比电池类别平台电压/V能量密度/（Wh/kg）温度适应性安全性寿命成本备注磷酸铁锂较高（3.2）约165中高高低量产铝壳电芯计算能量密度，PACK级可达140 Wh/kg；能量发挥好；储量大，便宜。几乎无热失控（热失控温度800 ℃以上），安全性高。三元（镍钴锰混合）高（3.7）约240中中高中量产铝壳电芯计算能量密度，未来可突破200 Wh/kg；热失控温度200 ℃，需要多方面结合满足安全性。钛酸锂低（2.2）约80高高高高温度适用性能好，充电倍率大，寿命好，安全性能高。（3）磷酸铁锂电池成分说明。本船磷酸铁锂电池成分及含量如表2所示[3]。六氟磷酸锂是电解液最重要的组成部分，暴露空气中或加热时，六氟磷酸锂分解释放出五氟化磷，继而在空气中产生氟化氢和磷酸白色烟雾。但是磷酸和氟化氢都不属于易燃易爆气体，而且释放气体量非常少。不锈钢、石墨、铜、铝均为常见稳定的无害物质。剩余成分主要是电解液溶剂，占比小于1%，且不具有严重危害性。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.006.T002表2本船磷酸铁锂电池化学品安全数据成分CAS号EINECS号含量/%磷酸锂铁15365-14-7—30.35不锈钢12597-68-1—19.39六氟磷酸锂21324-40-3244-334-715.71石墨7782-42-5231-955-314.78铜7440-50-8231-159-610.50铝7429-90-5231-072-36.18磷酸铁锂是目前最安全的锂离子电池正极材料，不含任何对人体有害的重金属元素。磷酸铁锂晶状体中的P—O键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也不会像钴酸锂发生结构崩塌导致发热或是形成强氧化性物质，因此拥有良好安全性。1.2变频控制永磁推进电机本船采用两台丹佛斯永磁辅助同步磁阻推进电机和逆变器、两套双向大功率DC/DC和两套微电网控制器，具有高效率、尺寸紧凑和低维护成本等显著优势。这种类型的永磁推进电机相比常规推进电机，同等功率体积重量减少50%以上，防护等级高达IP67。水冷是目前市场上效率最高的推进电机，也是此类产品在国内船舶的首次应用。2应用情况密云水库水质监测船是国内首条采用锂电池作为主动力的水质监测船舶，实现了CO2、氮氧化物和颗粒物等零排放；采取优化方案，解决船舶震动、摇晃以及高温高湿环境对水质实验室的设计和水质监测设备的影响；船上配置船载无人机和CCTV视频网络装置等现代化监控设施。船上水质化验实验室配备便携分光光度计、便携式多参数水质测量仪、冷原子吸收测汞仪等水质化验设备，为密云水库水质实时监测提供保障。船载无人机可将视频同步回传至船上屏幕，迅速发现水面油污、大片垃圾等，及时报警。CCTV视频网络装置实时回传现场视频，后台可以通过互联网登录访问，为应急事件决策提供依据，提高突发事件反应速度。3生态环境、经济和社会效益3.1生态环境效益（1）尾气零排放。水质监测船采用磷酸铁锂电池作为主动力，实现废气零排放。按每个工作日一个航次估算，每年减少CO2排放约4 t，减少氮氧化物排放约0.032 t，减少颗粒物排放约0.02 t。（2）垃圾全上岸。采用全回转舵桨推进器，没有普通船舶的艉轴密封装置，杜绝污油污水泄漏。另外设置专用污水舱，用于收集生活污水和油污水，固体废弃物库区零排放，统一上岸处置，有效防止船舶油污水对库区水体造成污染。（3）低噪声污染。锂电池驱动噪声源仅为驱动电机和螺旋桨及水流，舱室噪声低至60 dB。驾驶室、休息室、实验室等舱室噪声均控制在61~65 dB，远低于普通小型船舶舱室噪声，提高船上工作环境的舒适度。3.2经济效益本项目经济效益主要体现在生态利益的维护以及间接经济效益。水质监测船采用磷酸铁锂电池作为动力，一般无直接排放污染物，保护生态的同时增加间接经济效益。3.3社会效益（1）引领环保动力船舶的发展。本项目率先采用锂电池新能源动力、直流母排、变频控制永磁推进电机等先进技术，在北京市水域内环保动力船舶的更新应用和新型内河船舶设计建造领域起到重要的引领作用。为打造船只新型动力模式，优化能源消耗结构做出有益探索。（2）促进密云区经济社会发展。本船在提升维护密云水库生态环境能力的同时，将有助于实现密云区的绿色发展。通过构建符合生态保护要求和自然山水特点的绿色产业体系，将密云区打造成为北京市生态友好特色文化休闲及创新发展示范区。4结语密云水库水质监测船投入使用以来，性能稳定，运行良好,大大提升库区水环境采样、巡查和应急监测能力，采用锂电池环保动力减少了老旧燃油船舶对密云水库水体污染的隐患，对保护密云水库水环境具有重要意义。