基于直翼全向推進(jìn)的純電力船舶設(shè)計應(yīng)用

作者簡介：黃文禮（1988—），工程師，研究方向：船舶法定檢驗(yàn)。

摘要：針對直翼全向推進(jìn)的純電力系統(tǒng)在船舶上的設(shè)計和實(shí)際應(yīng)用問題，文章以公務(wù)巡邏船作為對象，研究直翼全向推進(jìn)器的優(yōu)勢、電力系統(tǒng)組成、電池艙室布置以及規(guī)范要求，并結(jié)合船舶實(shí)際工況、水域情況，計算船舶的電力負(fù)荷。研究表明，選用合理的磷酸鐵鋰動力電池系統(tǒng)、直翼推進(jìn)系統(tǒng)，通過有效的安全保護(hù)措施、合理的系統(tǒng)設(shè)計及容量計算，可以滿足船舶應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：直翼推進(jìn)；純電力船舶；設(shè)計應(yīng)用

中圖分類號：U664.14A581994

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平及工業(yè)化進(jìn)程不斷提升，其發(fā)展過程中引發(fā)的環(huán)境問題也逐漸受到關(guān)注和重視，因此，加快清潔能源在船舶中的研發(fā)和應(yīng)用，推進(jìn)船舶的防污染及節(jié)能減排工作，是一項(xiàng)緊迫而勢在必行的工作。為應(yīng)對綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的形勢，國內(nèi)外各大船企、船舶設(shè)計研究所正積極推動綠色環(huán)保的新能源新技術(shù)應(yīng)用于實(shí)船。中國船級社（CCS）《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》（2023）也進(jìn)一步明確綠色船舶定義^［1］，同時也強(qiáng)調(diào)在保證船舶安全航行的前提下，實(shí)現(xiàn)船舶的低能耗、低碳排放、低污染、工作與生活的環(huán)境舒適^［1］。目前，內(nèi)河電力推進(jìn)系統(tǒng)主要用于小型船舶及游覽船上，運(yùn)行模式較為單一。作業(yè)于桂林漓江水域的公務(wù)巡邏船，在設(shè)計時著重考慮其航行區(qū)域特性、作業(yè)工況復(fù)雜性、運(yùn)行模式多樣性等特點(diǎn)，設(shè)兩臺90 kW全向直翼推進(jìn)器，兩組548 kW·h磷酸鐵鋰動力電池組以及兩臺90 kW推進(jìn)電機(jī)。

1 系統(tǒng)組成及布置

1.1 系統(tǒng)組成

該巡邏船主要是基于其復(fù)雜工況要求進(jìn)行設(shè)計，系統(tǒng)組成包括磷酸鐵鋰動力蓄電池組、配電系統(tǒng)、直翼推進(jìn)系統(tǒng)（包含電力驅(qū)動電機(jī)）等3個重要部分。動力電池組輸出端通過DC/DC穩(wěn)壓器將電壓穩(wěn)定在750 V后，經(jīng)DC/AC逆變?yōu)?00 V供給驅(qū)動電機(jī)。系統(tǒng)單線圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)布置

受船型、工況及航道等因素影響，為保證船舶吃水、穩(wěn)性等要求，推進(jìn)系統(tǒng)（直翼推進(jìn)器、驅(qū)動電機(jī)）布置在船舶艉艙左右兩舷，磷酸鐵鋰動力電池組分設(shè)兩個電池艙，其中之一布置在船首艙，配電板布置于主甲板上配電間。系統(tǒng)布置如圖2所示。

2 電力系統(tǒng)

本船是以磷酸鐵鋰電池為主電源的純電力推進(jìn)船舶，整個系統(tǒng)由磷酸鐵鋰動力電池組、DC/DC穩(wěn)壓器、DC/AC推進(jìn)逆變器、DC/AC正弦波逆變器、三繞組隔離日用變壓器、BMS、750 V充電機(jī)及固定式七氟丙烷滅火系統(tǒng)組成。其直流母排電壓為750 V，電池總電量為1 096 kW·h。如下頁表1所示。

2.1 航行工況及電力負(fù)荷計算

根據(jù)船舶不同航行工況，EMS能夠?qū)Υ半娏ο到y(tǒng)整體電量需求進(jìn)行有效分析，并制定不同的電能電量管理方案：（1）日常巡航模式，其續(xù)航力為14.5 h約210 km，當(dāng)剩余電量（SOC）達(dá)到15%時發(fā)出報警，此時本船在巡航速度15 km/h下，還可以航行約2.6 h；（2）應(yīng)急模式，根據(jù)規(guī)范要求，船舶主電源應(yīng)能維持船舶航行及安全用電設(shè)備≥4 h。在日常巡航速度航行時，計算該船一組電池故障，剩余一組蓄電池能維持船舶安全設(shè)備用電6.81 h，需用電量466 kW·h。該船1組蓄電池容量為548.35 kW·h，剩余電量為15%，可滿足規(guī)范要求。其余電力負(fù)荷計算如表2所示。

2.2 磷酸鐵鋰動力電池

動力電池組選用具有高互換性、模塊化設(shè)計的磷酸鐵鋰電池；全船共設(shè)102個電池包，每個電池包內(nèi)設(shè)1個BMS控制單元；17個電池包通過串聯(lián)和并聯(lián)組成1個電池簇，每個電池簇內(nèi)設(shè)1個高壓管理盒；每3個電池簇串聯(lián)組成1個動力蓄電池組。日常使用時，2組電池組并聯(lián)在直流母排上進(jìn)行充放電，為船舶主推進(jìn)系統(tǒng)及日用負(fù)載設(shè)備供電。動力磷酸鐵鋰蓄電池組主要參數(shù)如表3所示。

3 全向直翼推進(jìn)系統(tǒng)

3.1 水域特點(diǎn)

漓江水域水文特征是河床灘潭相間，灘長潭深，枯水期間，河灘水深≤1 m，桂林至陽朔段落差大，且流速快，存在夏漲冬枯、暴漲暴落的情況。航道屬于內(nèi)河C級航區(qū)，桂林段水深為0.75 m，航道寬度為12～15 m；陽朔段水深為0.65 m，航道寬度為10 m。受航道水深及寬度影響，對船舶操作性能要求很高。

3.2 全向直翼推進(jìn)器

船舶推進(jìn)器是海工裝備的核心之一，其性能優(yōu)劣直接影響海工裝備的性能好壞。直翼推進(jìn)器也稱擺線推進(jìn)器、直葉推進(jìn)器、豎軸推進(jìn)器等，是一種垂向設(shè)置回轉(zhuǎn)軸的新型特殊推進(jìn)裝置，具有快速的響應(yīng)速度、良好的推進(jìn)性能、高效的推進(jìn)效率，能夠適應(yīng)多種不同工況、特殊工況，并且還可以在內(nèi)河淺水中使用。同時，該推進(jìn)器還具有舵的功能，因此設(shè)置此類推進(jìn)器的船舶無須再安裝舵。除此之外，電力推進(jìn)船舶搭載直翼推進(jìn)器還可以省去齒輪箱、中間軸、螺旋槳軸等設(shè)備，這對于需要控制船舶吃水的內(nèi)河淺水航區(qū)船舶來說，無疑是非常重要的。直翼推進(jìn)器如圖3所示，直翼推進(jìn)器布置如圖4所示。

4 電池艙布置及消防

4.1 電池艙布置

磷酸鐵鋰動力電池組在船上應(yīng)用時，其蓄電池間（艙、柜）應(yīng)安裝在一個可控的環(huán)境中。從電池效率、使用壽命等方面考慮，一般情況下，磷酸鐵鋰電池組長期工作溫度為：充電0 ℃～45 ℃，放電-20 ℃～55 ℃^［3］，同時磷酸鐵鋰電池在受到碰撞、進(jìn)水、高溫等影響也極易產(chǎn)生爆炸危險。根據(jù)中國船級社（CCS）相關(guān)要求，電池艙布置應(yīng)滿足以下要求：（1）蓄電池艙（間）應(yīng)采用適用的、安全可靠的機(jī)械通風(fēng)（如防爆型風(fēng)機(jī)）或其他有效的溫度調(diào)節(jié)裝置，且該通風(fēng)裝置應(yīng)與其他艙室通風(fēng)完全的獨(dú)立，通風(fēng)口還應(yīng)具有防止水、火焰進(jìn)入的功能；（2）≥20 m的船舶，電池包（箱）與艙壁的間距應(yīng)≥150 mm，距離其上方甲板應(yīng)≥500 mm（通風(fēng)散熱），與船體外板水平間距≥500 mm（防撞）；（3）電池間不應(yīng)安裝與蓄電池?zé)o關(guān)的熱源或其他的電氣設(shè)備，如需安裝時，應(yīng)該盡可能地遠(yuǎn)離蓄電池（包、組）安裝且進(jìn)行必要的通風(fēng)計算；（4）與電池艙（間）相鄰處所的艙壁、甲板應(yīng)設(shè)置“A-60”防火分隔，且起居處所等應(yīng)遠(yuǎn)離電池艙（間）；（5）電池艙內(nèi)應(yīng)提供人員安全脫險的通道，應(yīng)設(shè)有直接通向開敞甲板的出入口，且起居處所不能設(shè)置通向電池艙（間）的門、開口等。

4.2 電池艙消防

磷酸鐵鋰電池是一種極易燃燒和爆炸的物品，為將電池艙中的火災(zāi)或爆炸抑制、控制甚至于撲滅在艙室內(nèi)，其消防布置須滿足中國船級社（CCS）相關(guān)要求：（1）固定式探火系統(tǒng)，能在電池艙任何部位正常工作狀態(tài)和環(huán)境溫度變化下，迅速探測出火災(zāi)的前兆，通常應(yīng)設(shè)置為感煙式或者感溫感煙式組合的探火系統(tǒng)；（2）失火報警系統(tǒng)，當(dāng)電池艙失火時，應(yīng)能在經(jīng)常有人值班的處所發(fā)出聲光報警；（3）應(yīng)設(shè)置固定式七氟丙烷滅火系統(tǒng)對電池進(jìn)行保護(hù)，同時還至少配備4具手提七氟丙烷滅火器；（4）出入口附近應(yīng)設(shè)消防栓一只，水槍應(yīng)為水柱/水霧兩用型。

5 管理系統(tǒng)及充電

5.1 BMS

電池管理系統(tǒng)（BMS，Battery Management System），作為電池系統(tǒng)電氣或熱性能管理的核心部件，其主要功能是負(fù)責(zé)電池充放電、單體電池間的均衡控制，對單體電壓、溫度、串聯(lián)回路電流等進(jìn)行監(jiān)測，并對外輸出監(jiān)測報警、降功率停機(jī)等信號，一般由荷電狀態(tài)（一般也稱為剩余電量SOC，state of charge，取值范圍為0～1，當(dāng)SOC=0時表示電池完全放電，當(dāng)SOC=1時表示電池完全充滿）估測、動態(tài)監(jiān)測、電池均衡等模塊構(gòu)成。BMS主要功能分析如表4所示。

5.2 EMS

能量管理系統(tǒng)（EMS，Energy Management System），主要負(fù)責(zé)全船能量管理，由管理單元和人機(jī)接口（HMI，Human Machine Interface）組成。EMS對電池系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制、保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對電池系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、逆變電源、岸電充電電源以及其他負(fù)載的協(xié)調(diào)運(yùn)行管理。此外，該系統(tǒng)還具有故障報警和處理功能，可以有效地幫助系統(tǒng)和用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)最佳的電力配置。為保證對負(fù)載的連續(xù)供電，在配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，EMS會根據(jù)程序設(shè)定，采取安全、有效的管理策略避免船舶電站失電。

5.3 充電

基岸配套安裝船用直流充電樁1套，并配有4把國標(biāo)充電槍（規(guī)格：輸出DC750V/250A）。充電樁與BMS之間使用CAN（CAN，Controller Area Network）進(jìn)行通信，采用國標(biāo)通信協(xié)議。當(dāng)船舶需要充電時，充電樁發(fā)送報文至BMS并與其握手成功后，BMS將電池狀態(tài)、電壓、溫度等通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議反饋至充電樁，確認(rèn)所有數(shù)據(jù)傳輸無誤開始充電。因此，BMS可以實(shí)現(xiàn)對充電樁充電電流大小、充電時間等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測及控制。根據(jù)規(guī)范要求，充電設(shè)備應(yīng)在10 h內(nèi)將動力電池從完全放電狀態(tài)充至其額定容量。根據(jù)動力電池充電特性及最大允許充電電流0.5 C要求，使用3把充電槍及以下給電池充電時，每把槍允許的最大充電電流為250 A；使用4把充電槍同時充電時，每把槍允許的最大輸出電流為210 A，此時將全船電池充滿電約需2 h，可以滿足規(guī)范要求。充電設(shè)備主要參數(shù)如表5所示。

6 結(jié)語

隨著科技的飛速發(fā)展，交流電機(jī)的變頻調(diào)速、直翼推進(jìn)器的技術(shù)日臻完善，使得基于直翼全向推進(jìn)船舶具有更出色的機(jī)動性、操控性，而且布置靈活，可以有效地節(jié)約艙室空間，同時也更加節(jié)能，這些優(yōu)勢使得直翼全向推進(jìn)電力系統(tǒng)在船舶中的應(yīng)用前景也更加廣闊。

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