19.8 m游覽船純電動推進系統設計

翁偉達

(招商局郵輪研究院(上海)有限公司，上海 200137)

0 引言

目前，我國內河游覽船大多采用常規柴油動力推進系統，存在能效轉換率低、振動大、噪聲大、經濟性差及環境污染大等缺點。部分新能源船舶采用電力推進系統，由發電機組作為主電源，同樣存在以上缺點。少量船舶采用雙燃料動力推進系統，也存在經濟性差且岸端燃料加注點少等缺點。因此，國內游覽船逐步采用儲能蓄電池組作為主電源。

蓄電池組將化學能轉化為電能，不會產生大量廢氣與廢熱，可避免中間轉換能量的損失，轉化效率超過50%，且蓄電池使用中只進行電化學反應，沒有高溫燃燒過程，幾乎不排放氮和硫的氧化物，減輕了對大氣的污染。此外，燃料電池還具有噪聲小、可靠性高、易于建設等優點。超級電容具有較好的充放電能力和使用壽命，可提供大電流快速充放電，提供瞬時放電功率的效率在95% 以上。因此，將蓄電池組與超級電容進行系統組合可以充分適應內河游覽船的工況需求。本文基于19.8 m內河游覽船項目，根據船東運營要求及新能源技術對純電動推進系統的組成、設備及特點等方面進行分析，設計1套適合該船使用的純電動推進系統。

1 船舶參數

某19.8 m內河游覽船采用雙機、雙槳、雙舵、電力推進形式，主船體為玻璃鋼結構，由磷酸鐵鋰蓄電池組及超級電容作為全船動力。該船主要參數如下：總長19.8 m，型寬4.8 m，型深1.3 m，吃水0.6 m，排水量～24.8 t，航速15 km/h，航行時間6 h，載客57人，船員4人，航區內河B級。

2 系統組成

該船純電動推進系統由動力驅動部分、電源單元、直流母排電源控制單元、操控單元等部分組成，結構組成見圖1。

圖1 純電動推進系統示意圖

2.1 動力驅動部分

系統動力驅動部分由水冷變頻器、水冷推進電機、電機分線盒、旋變連接器及控制單元等組成，設備基本參數見表1。2臺推進電機分別通過彈性聯軸器和不銹鋼艉軸(螺旋槳軸)連接到定距槳。

表1 動力驅動部分主要設備參數

2.2 電源單元

系統電源單元主要由磷酸鐵鋰電池和超級電容組成。當系統需要穩定功率輸出時由磷酸鐵鋰電池進行供電；當推進系統有瞬時較大功率需求時，由超級電容進行能量提供；當系統有能量回饋(緊急制動或反轉)時，瞬間反饋的能量由超級電容吸收。采用超級電容與磷酸鐵鋰電池的組合技術，能夠合理分配船舶運行的能量需求，延長動力鋰電池的使用壽命，提高動力鋰電池的運行效率。

蓄電池容量計算公式為

式中：為所需蓄電池容量，A·h；為負載額定功率，該船2臺驅動電機的額定功率共為90 kW，全船日用交流用電負載為15 kW，=105 kW；為負載工作時間，船舶正常航行時間=6 h；為運行系數，=0.42；為系統電壓，根據直流母排設計要求，=320 V；為容量系數，以10 h放電率為標準，選取容量系數=0.85。

經計算，=972.8 A·h。

根據計算結果，該船純電動推進系統可配置2組DC320 V、500 A·h的磷酸鐵鋰蓄電池組就可滿足正常航行需求。單體電池塊的電壓容量為3.2 V、500 A·h，需100只單體電池塊進行串聯組成1組320 V、500 A·h，共計200只單體電池塊。

超級容量計算公式為

式中：為超級電容的標稱容量，F；為正常工作電壓，=48 V；為截至工作電壓，=16 V；為電路中要求持續工作時間，=10 s；為負載電流，A。

根據系統設計，超級電容在直流母排電源系統中需要瞬間大功率輸出，負載電流=。考慮到2臺電機短時超負荷功率共為150 kW，船舶日用負載為15 kW，功率=165 kW；直流母排額定電壓=320 V；負載電流=515.6A。

經計算，=161.1 F。

根據計算結果，系統可配置8只DC48 V、165 F的電容組成1組超級電容。超級電容的端電壓在充放電過程中變化較大，因此需要在儲能元件和負載之間安裝調壓裝置才能保證負載側電壓穩定。

系統根據CCS規范要求配置電池管理系統(BMS)。BMS能對電池的充放電、電池溫度、單體電池的均衡進行控制，同時對單體電壓、電池串聯結構電流、單體溫度、環境溫度、電氣絕緣電阻進行就地和遠程監測，并能與直流母排電源控制單元進行數據通訊，保證航行、靠岸充電等各種船舶工況時的動力鋰電池組安全供電。每組BMS模組監控20塊單體電池，系統共有10個模組同時在線。

2.3 直流母排電源控制單元

該船直流母排電源控制單元管理整個船舶電源的輸入和分配，電源分別來自磷酸鐵鋰電池組、超級電容、岸基充電單元，電源輸出為船舶日用負載及船舶動力系統供電。同時控制單元可根據動力鋰電池管理系統及控制系統中相關數據自動進行電源線路保護動作，保證船舶安全航行。

磷酸鐵鋰電池組和超級電容采用耦合器的連接方式，動態過程由自適應控制的耦合器自動完成。在動力鋰電池的連接設計中，考慮到系統的冗余性、應急狀態下運行的連續性，當某一組電池單元出現故障時，可以切除該單元所在的一個串聯小組(系統中含3個串聯小組：一路超級電容，二路動力鋰電池組)，此時供電系統仍然能夠有效運行，不會導致船舶故障停車。

該船岸基設置1臺大功率充電單元(電壓AC380 V、電流80 A、頻率50 Hz)。當船舶停泊靠岸時，通過岸電插座箱直流母排電源控制單元可對動力鋰電池組進行充電，并通過相應逆變單元對日用負載進行供電。在動力鋰電池充電過程中，鋰電池管理系統、直流母排控制單元、充電單元之間保持數據通訊，并最終由船舶智能系統控制岸基充電電流。

該船正常狀態下直流母排通過電源逆變器將DC320 V電源轉換為AC220 V電源，保證船舶日用負載供電，同時直流母排通過變頻器提供能量給驅動電機，確保螺旋槳運轉。

2.4 操控單元

系統配置1套手操器，置入非接觸式的電位器，設置3個檔位(前進、中置、后退)的位置信號，輸出驅動速度的信號給船載主控器。

船載主控器以DSP數字控制器為核心，可以實現船舶的過程控制和算法，是船舶控制網絡系統的核心。主控制器能與船舶上的逆變電源、電機驅動單元、溫度監測單元、速度操控單元和水流量傳感器等通過接口適配器進行連接，并能及時處理、控制這些信號。同時通過內置的全球定位系統、北斗衛星定位系統模塊，在系統中將船載動態過程參數與位置信號建立聯系。主控器設置單獨的4G/5G通訊模塊，通過無線通訊的方式將船舶信息傳輸到船東岸基指揮中心的網絡服務器，實現遠程數據管理。

系統配置1套彩色顯示屏作為動力系統的顯示單元，主要內容包含：驅動電機轉速/功率/電流、船舶航速/位置、直流母排電壓/電流、動力電池組電壓/電流/儲能比例、單體鋰電池的電壓/溫度、船舶運行模式(經濟/運動)、4G/5G通訊信號等。

系統操作控制面板上有鑰匙開關、通電按鈕和驅動器準備3個功能按鈕。另外單獨設置1個緊急停止按鈕，以備船舶意外情況下緊急停車使用。

3 系統特點

3.1 電源清潔安全

系統動力電源采用磷酸鐵鋰電池，具有壽命長、充放電倍率大、安全性好、高溫性好、元素無害、成本低、重量輕等特點，同時配置BMS，能實時監測單體電池狀態，保證船舶的安全性。系統配置超級電容，具有大電流放電能力強、能量轉換效率高等特點，并能實現船舶航行中緊急制動或反轉時瞬間回饋能量的功能。

3.2 電源和動力冗余

系統電源由1組超級電容和2組動力鋰電池組組成。當任一通道中單體電池出現故障時，系統可自動切斷這一路供電，維持直流母排電源供電。

系統采用雙螺旋槳配置雙驅動器，在動力驅動方面是完全獨立的2個系統。一旦一套出現故障時，系統能通過另一套運行以保證船舶正常航行。

3.3 冷卻水系統冗余

系統中所有電控裝置及鋰電池單元均采用冷卻水技術，用以保證器件的穩定可靠運行。系統管路設計采用可切換的冗余冷卻水系統，當一路出現故障時，另一路能及時投入運行。

3.4 智能管理系統

系統設置1套智能管理系統，將電池管理系統、驅動器、主控制器、輔助控制、船舶日用負載、岸基充電單元、通訊設備等通過CAN總線進行通訊連接，匯總收集所有數據，并針對船舶航行、停泊、岸基充電等各種工況進行能量管理。全程對系統設備進行集中監測和保護，并能通過內置4G/5G通訊模塊將船舶運行數據實時傳輸至船東岸基運行指揮中心，便于遠程管理。

3.5 系統降噪減振

系統中的各種設備運行時均無明顯的噪聲，同時對船體結構的振動影響也可忽略不計。對比常規柴油動力推進系統運行時主機引起的巨大噪聲和船體振動，純電動推進系統的降噪減振功能明顯。

3.6 系統經濟性

船舶采用常規柴油動力推進系統，例如某型號柴油機，油耗約21.5 L/h，根據船舶每天運行6 h，一年按350天使用時間考慮，柴油單價約為6.4 元/L，每年柴油主機油耗費用約為28.9萬元；采用純電力推進系統，利用電網夜間谷時段進行充電(電價約為0.465元/kWh)，根據設計夜間充電時間約為8 h，一年按350 天使用時間考慮，充電費用約為13.7萬元。可見采用純電動推進系統每年的充電費用約是常規動力系統油耗費用的47%，大大降低了船東的運營成本。

4 結論

(1)實船運行結果顯示：在19.8 m游覽船航行過程中純電動推進系統各個設備運行正常。

(2)相比柴油機推進系統，船舶采用純電動系統可減少廢氣排放，實現了船舶及碼頭的節能減排。同時，可以降低推進系統的噪聲，減少對船體的振動影響。航行時測量客艙噪聲約50 dB，提高了乘客舒適度。

(3)船舶通過岸基充電單元利用電網谷段補充電能，充電費用低于常規柴油動力推進系統的油耗費用，降低了船東的運營成本。