電動船舶高效設計建造技術研究

摘" 要：電動船舶的設計對于提高船舶作業效率、保障船舶安全、降低生產成本和減輕勞動強度具有十分重要的意義。該文主要對電動船舶高效設計建造技術展開研究，主要涉及基于制圖軟件二維/三維交互的一體化集成設計技術、基于部件構架的模塊化的生產技術以及其他提升設計生產效率的管控措施，最終實現電動船舶高效安全的設計生產。

關鍵詞：電動船舶;一體化集成設計;模塊化生產;效率提升;管控措施

中圖分類號：U671" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0185-04

Abstract： The design of the electric ship is very important for improving the efficiency of ship operation， ensuring ship safety， reducing production cost and reducing labor intensity. This paper mainly studies the efficient design and construction technology of electric ships， which mainly involves the integrated design technology based on 2D/3D interaction of drawing software， modular production technology based on component architecture and other control measures to improve the efficiency of design and production. The research in this paper is intended to realize the efficient and safe design and production of electric ships.

Keywords： electric ship; integrated design; modular production; efficiency improvement; control measure

隨著“雙碳”戰略的實施，內河航運企業的電動化已成為必然，本文通過實地調研和專家訪談，對其發展現狀進行了分析，并指出了目前存在的技術和政策障礙，并從社會和經濟的角度對電動船行業發展的前景進行了展望，結合市場實際為行業的長遠健康發展提出針對性的對策建議。

1" 中國電動船舶產業發展及研究現狀

挪威等國家在2010年左右就開始了電動船產業的發展，而我國的電動船產業則相對起步較晚[1]，其研究多集中在技術方面，比如：船舶充電方式、船舶直流并網設計研究、不同材質的船用電池安全性能分析以及電動船舶的能量管理等，主要聚焦電池本體及安全管理、能效管理等領域，缺少針對行業的頂層設計與系統性研究論述，主要從行業宏觀層面分析行業發展所面臨的困難挑戰并給出解決方案。

近年來，由于電動車行業技術的不斷積累和廣闊的水域應用場景，國內電動船舶行業發展迅速[2]，示范工程數量眾多，應用船型也十分豐富。自2019年廣州首艘2 000噸級電動船舶“河豚”開始，到2022年3月“長江三峽1”號純電動郵輪首次啟航，其動力為7 500 kW/h，這一切都說明了“雙碳”戰略下我國電動船舶工業的發展勢頭迅猛。在國家政策方面，從2016年到現在，國家發展改革委、工業和信息化部、交通運輸部等多個部門相繼發布了一批引導性文件，目的是增強市場參與者的積極性。

2" 電動船舶的特點

2.1" 電動船舶的優勢

全電動船拋棄了傳統的燃料機械，采用了更加靈活、智能化的電子設備，自動化水平更高，更有利于“機駕合一”，更好地推動船舶智能化發展，具體優點如下。

經濟效益。以拖船為例，全電動船在30年內的能源消耗可以節約一艘普通拖輪的費用，經濟效益顯著。

操縱性能。在純電動船舶中，驅動馬達的速度可調，螺旋槳為全旋轉設計，可在不同的速度下提供穩定的力矩，從而達到最優的工作性能。

可靠性。柴油機驅動的船舶，其主要部件或舵機、輔機發生故障，常常造成船舶的癱瘓。全電動船采用多個電池組為動力，并在此基礎上實現了對各電池組的有效保護。

空間利用率。在常規的船舶中，軸系長度一般約為總長度的40%，采用全電驅動的船舶，取代了傳統的傳動軸系、發電機、分油機、油柜和燃油鍋爐等，改進了結構，使機艙空間得到了充分的利用。

環境保護。全電驅動的船舶在工作過程中，降低了船體的振動、噪聲，提高了乘員和旅客的舒適感，而且在作業過程中不會產生廢氣，降低了燃料對水體的污染。電池壽命達到后，由生產企業將其回收，并進行集中處理，以防止對環境的污染。

2.2" 電動船舶的風險

船舶失電風險。電池動力系統是全船唯一的能源，除了為船舶航行提供所需的電能外，還要為船舶的正常航行、船舶安全、冷藏等設備和生活環境提供動力。當電池功率系統受到嚴重損壞時，很容易發生碰撞、擱淺等嚴重的事故。所以，在設計電池電力船時，必須慎重地考慮船體的失電危險。

火災風險。隨著電動汽車的廣泛運用，我國已經有多起新能源車著火的案例，世界上電動船舶數量還比較少，缺乏運營經驗;由于船舶與車輛之間存在著顯著的工作環境差異，因此不能只從已有的電動汽車經驗出發，需要對電動船舶進行安全評價。

3" 電動船舶的標準化進程

國際海上人命安全公約（SOLAS）對電力和發電機的需求以及國際海運危險品法規（IMDG CODE）對鋰電池的運輸提出了要求，但未詳細預定，因此制約了鋰電池動力船舶發展。對于純電動船舶的結構、機電設備、防火布置、防污染要求、船員培訓、發證和值班等，目前國際公約和國內法律法規的要求不能完全應用于純電動船舶，有關法規的要求還有待于進一步地探討和研究。

此外，各國船級社均已制訂相應的標準和指導方針，并根據實際情況不斷修改和改進。在國外船級社，2012年挪威船級社（DNV）首次將電池功率標準列入船舶入級標準，隨后經過數輪修訂完善，目前最新版本為2020年版，章節名稱更改為電能儲備（Electric energy storage）。美國船級社（ABS）于2017年發布了《鋰電池在船舶與海洋工程中的應用指南》。

鑒于目前鋰電池動力船的主要相關風險，國內選擇了安全可靠的磷酸鐵鋰電池作為動力來源，并制訂相應的法規、規范、檢驗標準，建立了較為完善的系統。截至2020年，中國海事和中國船級社發布的法規、規范和檢驗標準主要有：《內河小型船舶法定檢驗技術規則（2019年修改通報）》《內河船舶法定檢驗技術規則（2019）》《太陽能光伏電池系統及磷酸鐵鋰電池系統檢驗指南》《直流配電電力推進系統檢驗指南》《混合動力船舶檢驗指南》《純電池動力電動船舶檢驗指南（2019）》。

4" 電動船舶高效設計建造技術研究

4.1" 一體化集成設計技術與運用

在建造船舶時設計程序相當復雜，尤其是在建造全船的過程中，更是一個十分重要的環節，其將會直接影響到整個船體的工作效率。在這一部分，主要是利用有關技術將船舶的各個部件與設備進行合理地集成，并形成一個相對完善的操作系統，以確保其在使用中不會發生任何問題和意外。

電動船舶的基本模塊采用一體化集成設計技術，具體包括：運用CAD制圖軟件在一維場景下對標準文件進行定義，在二維場景下設計初步原理圖或布局圖，在二維與三維場景下進行建模以及模塊之間的交互，同時在三維場景下進行模型細化與交互，并最終完成圖形的設計。管井、通風口主要干涉部件等采用已有船舶設計數據庫和資料數據，提前進行三維場景建模和空間協調，并不斷細化。通過開發與開放設計平臺，可讓機電部件制造商直接在平臺上建模，或導入裝置文件（STP或IGS格式化）的通用格式化，并參與整合協同設計。在設計與建造過程中，按圖1的方式進行一體化集成設計。

在某型號沿海動力渡船的設計上，在原有柴油動力船的基礎上，優化2D/3D場景，采用船首設計前傾首柱與平切式艏封及升高登船平臺，使船舶既有分流作用，又適合船艏登船;尾部采用平尾縱流線型，使水流更為流暢，從而減小阻力;設有呆木和壓浪板，減小雙槳工作的相互干擾，提高航向穩定性。

此外，針對已有的船舶船艙布局結構，在尾部右舷增設七氟丙烷工作間，把下機艙的門由艙內改為艙外，將原先機艙前面空艙內的清水箱和污水箱前移到前面一個空艙內，肋位12#—19#艙底空艙改為蓄電池艙，安裝純電池動力機組，采用雙線絕緣制，輸入DC576 V，使用左、右推進變頻電機，實現零污染、零噪聲，杜絕二氧化碳、氮氧化合物、硫氧化合物等大量污染物及柴油機運行中產生的油污水排放，更加綠色環保、節能高效。

4.2" 模塊化的生產與應用

由于現代信息技術的發展，在船舶建造時，要充分考慮到裝備的作用，將電力、機械等設備劃分為多個模塊，從系統功能、協同能力、質量和預算成本等方面進行分析，最后確定最佳方案[3-4]。在生產建設階段，根據庫存與部件價值以及自我生產程度，將零部件劃分為ABC三類，按整體系統、各個子系統、施工區域以及施工種類劃分成組。按模塊化、單元、大單元對甲板卸貨、動力、生活、控制系統等區域進行分裝，最終在分裝的基礎上，實現總裝與調試，縮短了建設周期，提高了生產效率。模塊化生產示意圖如圖2所示。

在某型號近海雙體風電運維巡檢船上，采用雙體、雙機、雙槳、雙舵拼接，船片體和連接橋采用鋼結構焊接而成，甲板室采用鋁合金焊接而成，主甲板與甲板室之間采用符合船級社要求的鋼鋁過渡接頭焊接連接，減小船舶的重量重心，提高船舶的可靠性、操縱性，從而提高穩定性和航速，實現船舶頂靠風電樁時的可控性。

某型號新能源動力水上巴士，采用全回轉舵槳推進安裝方式，推進器布置于左右片體機艙，2臺全回轉舵槳，Ⅱ型艦船用阻尼涂料，使船舶操縱更靈活，可實現原地調頭（相比常規船舶即螺旋槳+舵裝置船舶，2～3倍的回轉直徑），使船舶更適合于在較為狹窄的航道中使用，減震降噪。

4.3" 其他提升設計生產效率的管控措施

4.3.1" 配件標準化

制定統一的標準，有利于工業的整體生產與發展。造船工業比較發達的國家，已經對船舶的裝備進行了統一的規范化，使得船舶具備了普適性。通過對各種類型的船舶進行統一的標準化，使設計人員能夠方便地進行船舶的設計。為此，船廠的有關設計單位應制定相應的船舶設計規范，使其符合船廠的設計規范。避免因其他因素導致的后期建造與制造設計不相符的問題。

4.3.2" 加強電動船舶制造全過程生產管理

電動船舶的制造要建立在現代造船技術的基礎上，因此，要改變經營方式，尤其是在進行專業管理的時候，要運用相應的管理手段，進行專業的管理和技術整合[5-6]。專業化管理的首要目標是實現成本控制、節約成本、調整產業周期、提高生產率，確保高質量完成任務。在現代船舶生產中，除了要做好生產管理，還要注重對資源的合理使用和合理調度。在現代船舶管理中，隨著信息化、速度的提高，對生產工藝進行了持續優化，必須采用更加先進的專業化管理技術，以保證船舶的設計與制造。

5" 結束語

未來，我國將會出現中小型船舶的電動化工業集群，并將成為中短途、中小量運輸的骨干力量，其中將以接駁船、渡輪、觀光船、公務船、港口拖輪、班輪和貨運船等領域為重點。由于我國內河船舶數量龐大，按照國家有關規定，今后將逐步淘汰不合格的船舶，如純電動、氫能、氨能等船舶。假定1.37億載重噸內河船舶中，50%改用全電力，國內純電動船舶的市場規模將超過5 000億元（不包括電池系統成本），將有助于我國航運綠色轉型，形成以電動船舶設計建造產業為龍頭、相關配套產業協調發展的綠色船舶研發生產體系，促進我國綠色港航新能源產業創新發展。

參考文獻：

[1] 邢順波，李仁鑫，姜海濱.現代船舶舾裝生產設計工藝淺析[J].船舶物資與市場，2022，30（8）：39-41.

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[3] 鄒坤.電動船控制系統設計[D].北京：北京交通大學，2020.

[4] 王素娟，譚宇碩，朱佳維.大數據背景下船舶現代物流配送系統的設計與實現[J].艦船科學技術，2020，42（6）：202-204.

[5] 李錫斌，錢步婁.項目管理在現代船舶建造工程中的應用探究與分析[J].船舶物資與市場，2019（12）：93-94.

[6] 全小川.解析現代船舶管理中的問題及對策[J].船舶物資與市場，2019（7）：67-68.