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        一型電動(dòng)船總體設(shè)計(jì)和電池選型探討

        2019-07-05 09:55:34胡始弘
        船舶 2019年3期
        關(guān)鍵詞:船舶

        胡始弘 杜 睿

        (中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011)

        引 言

        電動(dòng)船是一種電力推進(jìn)的船舶,其動(dòng)力源是由蓄電池或船用發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。作為一種新型綠色交通工具,與傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)船相比,電動(dòng)船具有節(jié)能、低排放、低污染、清潔、低噪聲、可利用能源多樣化等優(yōu)點(diǎn)。隨著環(huán)境污染問題受到廣泛關(guān)注,為擺脫對(duì)燃油的依賴,采用電能作為驅(qū)動(dòng)方式是一種實(shí)用可行的模式。

        現(xiàn)有的電動(dòng)船主要種類有三種:第一種為太陽能電動(dòng)船,即采用太陽能電池直接將太陽光轉(zhuǎn)換為電力取代燃油產(chǎn)生動(dòng)力,但其存在太陽能轉(zhuǎn)化效率低,以及太陽能板易被海水腐蝕等缺點(diǎn);第二種為純電池電動(dòng)船,即采用蓄電池作為動(dòng)力源,但基于目前技術(shù),電池的能量密度和儲(chǔ)能較之于傳統(tǒng)燃油仍處于較低水平,且電池本身質(zhì)量較大,對(duì)全船載重量會(huì)有一定影響,故純電池電動(dòng)船更適用于航程較短、定點(diǎn)航線之間的渡輪;第三種為混合動(dòng)力電動(dòng)船,即使用船用發(fā)電機(jī)加蓄電池組的形式,正常航行時(shí)由蓄電池提供動(dòng)力,當(dāng)電池處于電量不足或故障時(shí),船用發(fā)電機(jī)可提供電能維持船舶的正常運(yùn)行。

        與采用傳統(tǒng)柴油推進(jìn)形式的船舶相比,混合動(dòng)力電動(dòng)船因蓄電池的存在,大大降低了對(duì)柴油的消耗,降低了對(duì)環(huán)境的污染。相比較前兩型電動(dòng)船,該類船也不會(huì)因?yàn)殡姵厝萘康南拗?,降低全船的續(xù)航力。因此混合動(dòng)力電池船在當(dāng)前市場環(huán)境下具有更好的適用性和可靠性。本文將基于某型庫區(qū)混合動(dòng)力電動(dòng)巡視執(zhí)法船,論述該類船的總體設(shè)計(jì)。

        1 船型總體設(shè)計(jì)

        1.1 主尺度及線型

        影響船舶主尺度的因素有:功能要求、航速、經(jīng)濟(jì)性和適航性等。本例中的電動(dòng)船主要承擔(dān)巡查、執(zhí)法等庫區(qū)應(yīng)急指揮任務(wù)的需求,因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮較好的快速性和適航性。同時(shí),由于本船需足夠的艙室面積用以布置電池,且應(yīng)具備較好的穩(wěn)性,故對(duì)船型尺度作如下考慮。

        1.1.1 排水量

        本船排水量需滿足續(xù)航力、承載結(jié)構(gòu)以及人員和設(shè)備等的總質(zhì)量。分析同類型船并進(jìn)行綜合考慮,確定其排水量為150~170 t。

        1.1.2 船長L

        本船船長需滿足艙室內(nèi)乘客舒適性的要求,并兼顧底部電池空間布置的要求。同時(shí),針對(duì)船舶快速性,在選擇船長時(shí)需考慮所選主尺度和航速能否避開阻力峰。因本船最大航速為12 kn,傅氏數(shù)Fn約為0.34。根據(jù)相關(guān)船型經(jīng)驗(yàn),該類型船舶主要船型為圓舭型。通過查閱該船型阻力曲線(見圖1)[1],可以發(fā)現(xiàn)在所選Fn區(qū)間內(nèi),船舶未達(dá)到阻力峰;同時(shí),根據(jù)巴士裘寧經(jīng)驗(yàn)公式,可估算得出本船水線長約31 m。

        從耐波性的角度考慮,船長與波長之比L/λ應(yīng)大于1.3。根據(jù)庫區(qū)內(nèi)水文資料統(tǒng)計(jì),庫區(qū)內(nèi)波浪平均波長約為20~25 m,因此本船的水線長宜在28 m以上,以避免船舶在最大平均波長附近產(chǎn)生較大的縱向運(yùn)動(dòng)。

        1.1.3 船寬B和型深D

        因電池尺寸較大,且需預(yù)留出足夠檢修空間,因此本船船寬B的選擇需滿足電池的布置要求。同時(shí)考慮到全船穩(wěn)性要求,對(duì)船寬的選擇應(yīng)適當(dāng)加大。型深D的選擇主要取決于主發(fā)電機(jī)安裝布置的要求;同時(shí),在滿足穩(wěn)性和浮力儲(chǔ)備的情況下,型深越小,對(duì)降低船舶整體高度越有利。

        1.1.4 吃水T

        吃水T的選擇主要從滿足排水量、快速性、穩(wěn)性、螺旋槳沉深、抗風(fēng)力和吃水線與上甲板之間的高度等因素考慮。本船的設(shè)計(jì)吃水選取約為1.3 m,結(jié)構(gòu)吃水取1.5 m。

        通過上述對(duì)主尺度的分析,綜合考量,確定本船主尺度如下:

        圖1 荷蘭水池試驗(yàn)圓舭船型剩余阻力系數(shù)CR 和Fn的關(guān)系

        本船主尺度和排水量較小,但相對(duì)速度較高,根據(jù)本船的Fn, 可將其歸為高速排水量型船舶。根據(jù)荷蘭水池發(fā)表的資料,該類型船舶為圓舭型時(shí),阻力性能較好。但是由于圓舭型橫搖阻尼較小,因此必須在舭部設(shè)置舭龍骨,以改善其橫搖性能,但是相對(duì)應(yīng)的其船舶阻力也會(huì)增加。為此,有時(shí)也采用圓舭折角線型,即前體為圓舭型,后體接近尾段部分為尖舭型,中間逐步過渡。尖舭部分起到舭龍骨作用,可取消舭龍骨來抵消尾端尖舭型所增加的阻力。通過使用CFD對(duì)這兩種線型在設(shè)計(jì)吃水、巡航航速下進(jìn)行阻力計(jì)算和比較見表1。

        表1 圓舭與圓舭折角線型在設(shè)計(jì)航速時(shí)阻力對(duì)比

        由表1可見,采用圓舭折角線型或圓舭線型,本船的阻力相近??紤]到圓舭折角線型具備更好的耐波性,同時(shí)結(jié)合全船布置等方面考慮,最終選擇該線型作為本船線型。

        1.2 主推進(jìn)模式

        考慮本船主要在庫區(qū)內(nèi)航行,為保證庫區(qū)水質(zhì)的安全,采用電力推進(jìn)(蓄電池+柴油發(fā)電機(jī))代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)形式,減少排放對(duì)環(huán)境的污染。當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行在低負(fù)荷狀態(tài)時(shí),燃油得不到充分燃燒,其后果是產(chǎn)生大量的氮氧化物和固體顆粒物,會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成較大的污染;而船舶使用蓄電池推進(jìn)時(shí),對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生零污染和零排放,可實(shí)現(xiàn)真正的綠色航行。當(dāng)采用柴油發(fā)電機(jī)所發(fā)電力推進(jìn)時(shí),則可根據(jù)不同的推進(jìn)負(fù)荷調(diào)整蓄電池充電負(fù)荷,使運(yùn)行的柴油機(jī)處在較佳燃油消耗率狀態(tài)下,使燃油燃燒充分,產(chǎn)生的氮氧化物和固體顆粒物較少,大大地降低了廢氣的排放,減小對(duì)水庫環(huán)境的污染。

        本船主機(jī)選用2臺(tái)250 kW發(fā)電機(jī),同時(shí)配備960 kW容量的鋰電池,推進(jìn)器采用2臺(tái)160 kW全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。在該動(dòng)力模式下,本船正常航行時(shí)采用蓄電池提供動(dòng)力,巡航航速約為10 kn,續(xù)航力約為50 km,能滿足庫區(qū)正常巡邏要求;但是當(dāng)電池處于電量不足或故障時(shí),船用發(fā)電機(jī)可提供電能維持船舶的正常運(yùn)行,能保證其繼續(xù)完成任務(wù)并安全返回港口。

        1.3 總體性能

        本船的設(shè)計(jì)建造遵循中華人民共和國海事局《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則 內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》[2],中國船級(jí)社(CCS)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2016)及其變更通報(bào)[3],以及《內(nèi)河雙電(磷酸鐵鋰電池、超級(jí)電容)純電動(dòng)電力推進(jìn)游覽船審圖、檢驗(yàn)指南》[4]等。

        在設(shè)計(jì)吃水狀況下,本船巡航航速約為10 kn,最大航速可達(dá)到12 kn,滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書需求。同時(shí),其各種裝載情況下穩(wěn)性均滿足規(guī)范中B級(jí)航區(qū)船舶的穩(wěn)性要求,且滿足一艙不沉(除機(jī)艙)的破損穩(wěn)性要求。

        本船為全焊接式鋼質(zhì)船,具有單層連續(xù)甲板、長艏樓、全景式駕駛室以及前傾首柱、方尾,采用柴油發(fā)電機(jī)和磷酸鐵鋰電池動(dòng)力源,全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)裝置作為其推進(jìn)驅(qū)動(dòng)和操縱裝置。

        1.4 總布置設(shè)計(jì)

        本船主船體內(nèi)設(shè)有7道水密艙壁,將其分隔成8個(gè)水密艙室,從首至尾分別為:艏尖艙、1號(hào)艏空艙、2號(hào)艏空艙、1號(hào)蓄電池間、2號(hào)蓄電池間、發(fā)電機(jī)室、電氣設(shè)備間和推進(jìn)器間。

        本船共設(shè)置2層甲板,分別為主甲板和駕駛甲板。主甲板從前往后布置有:執(zhí)法指揮室、執(zhí)法人員休息室、衛(wèi)生間和會(huì)議室等;駕駛甲板上布置有駕駛室、綜合執(zhí)法室等。全船艙室布置時(shí),注重功能分區(qū),同時(shí)綜合考慮航行安全,通道寬敞和人員舒適性等要求。

        本船總布置圖如下頁圖2所示。

        1.5 環(huán)保設(shè)計(jì)

        圖2 總布置圖

        本船主要航行區(qū)域?yàn)榉忾]水域,為保證不污染該水域的水質(zhì),本船的環(huán)保設(shè)計(jì)尤為重要。在船舶運(yùn)行過程中,洗手、沖洗馬桶等洗滌用水會(huì)產(chǎn)生一定量的生活污水,這些生活污水將通過管路卸至位于艙底甲板的污水艙;待船舶靠岸后,通過生活污水駁運(yùn)泵將污水艙內(nèi)的生活污水排岸處理,從而避免了船舶生活污水對(duì)水庫造成污染。另外,在污水艙頂部設(shè)置透氣管,透氣管接至羅經(jīng)甲板上,并在透氣管出口端設(shè)置活性炭除臭裝置,進(jìn)而消除由生活污水產(chǎn)生的異味。

        對(duì)于船艙艙底可能產(chǎn)生的油污、艙底水等,本船在船體艙底首部、中部、尾部各設(shè)置一個(gè)污水井,然后通過艙底水泵將艙底水收集至艙底水艙;待船舶靠岸后,通過艙底水泵將艙底水排岸處理,從而達(dá)到船舶油污水環(huán)保處理目的。

        2 電池選型和安全

        2.1 船用電池的選擇

        目前主流使用的船用電池種類有三元鋰、磷酸鐵鋰和鉛酸電池等,其主要性能參數(shù)詳見表2。[5]

        表2 鋰電池性能參數(shù)對(duì)照表

        由表2可見,三元鋰電池雖然能量密度較大,但安全風(fēng)險(xiǎn)比磷酸鐵鋰電池高。目前國內(nèi)船級(jí)社規(guī)范暫時(shí)沒有頒發(fā)三元鋰電池證書,一定程度上限制了三元鋰電池在船舶上的應(yīng)用。鉛酸電池價(jià)格較低,但是能量密度太低,在同樣能量密度下,比磷酸鐵鋰電池重3倍,體積約為其3~4倍。以本船為例,本船電池組容量約為960 kW h,使用磷酸鐵鋰電池時(shí),其重約8 t,體積約為4.5 m3;然而使用鉛酸電池時(shí),其重達(dá)24 t,體積更是達(dá)到14 m3左右。由此可見,對(duì)于排水量與空間布置較為敏感的船舶來說,磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢遠(yuǎn)大于鉛酸電池。此外,鉛酸電池還存在使用壽命短、充放電次數(shù)低、廢棄后會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染等缺點(diǎn),所以基本上不推薦作為船舶動(dòng)力電池使用。磷酸鐵鋰電池經(jīng)多年來的發(fā)展,技術(shù)已相當(dāng)成熟,且已廣泛應(yīng)用于陸用交通、太陽能和風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能、電動(dòng)工具等領(lǐng)域,大規(guī)模的生產(chǎn)也使其價(jià)格回落至較合理區(qū)間。正因磷酸鐵鋰電池具有較低的成本、較穩(wěn)定的電壓和較高的安全性(熱失控溫度在800℃以上)等優(yōu)點(diǎn),所以本船選用該類型電池作為動(dòng)力源之一。

        本船磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)配置容量約960 kW h,由3.2 V、22 Ah單體組成。因庫區(qū)地理位置原因,對(duì)電池系統(tǒng)在寒冷天氣下的充放電性能提出較高要求。不同溫度下的磷酸鐵鋰電池放電能力見圖3。

        圖3 磷酸鐵鋰電池不同溫度下的放電能力

        圖4 電池架形式

        該型電池能量密度在123 Wh/kg左右,其容量保持率在環(huán)境溫度為0℃時(shí)約92.38%,-10℃時(shí)約86.67%,-20℃時(shí)約80%,-30℃時(shí)仍能達(dá)到60%以上,完全能夠滿足電池在-20℃環(huán)境下的正常使用。如果使用工況良好(放電電流低于1C倍率,或者保護(hù)板截止電壓下降到2 V以下),則放電效率能夠保持在90%以上。配合BMS管理系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)-20℃低溫環(huán)境下穩(wěn)定充電。

        本船電池組采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊化設(shè)計(jì)。由電池單體組成電池模組,再由模組拼裝成電池組形式。其尺寸完全一致,具有極高互換性,并采用全極耳焊接工藝以及電池架式設(shè)計(jì),后期維修較為便利。此外,每個(gè)電池架頂部均設(shè)有風(fēng)冷裝置對(duì)各模塊進(jìn)行并行冷卻,以保證系統(tǒng)時(shí)刻處于恒定工作溫度下。

        2.2 電池安全性

        區(qū)別于傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)船上蓄電池間安全要求,當(dāng)電池作為動(dòng)力源時(shí),電池艙及艙內(nèi)電池的安全要求更加嚴(yán)格。目前主要通過滿足以下幾種方式來保證船用動(dòng)力電池的安全和使用。

        2.2.1 總體布置安全性設(shè)計(jì)要求

        目前國內(nèi)混合動(dòng)力船舶的電池艙設(shè)計(jì)主要以CCS《內(nèi)河雙電(磷酸鐵鋰電池、超級(jí)電容)純電動(dòng)電力推進(jìn)游覽船審圖、檢驗(yàn)指南》[4]作為規(guī)范依據(jù),其中要求當(dāng)電池艙作為動(dòng)力源時(shí),需滿足以下要求:

        (1)環(huán)境不應(yīng)存在過冷、過熱、濺水、蒸汽等損害電池性能的情況;

        (2)不安裝其他與電池?zé)o關(guān)熱源,并采用機(jī)械通風(fēng),避免電池間溫度過高;

        (3)電池艙和其他艙室的防火分隔應(yīng)滿足相應(yīng)法規(guī)對(duì)機(jī)艙要求;

        (4)電池艙內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的溫度探測裝置,當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí),能在駕駛室發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào);

        (5)需設(shè)置火警報(bào)警探頭,當(dāng)艙內(nèi)發(fā)生火警時(shí)能送出聲光報(bào)警信號(hào)到駕駛室;

        (6)需配備固定式七氟丙烷滅火系統(tǒng),用于撲滅磷酸鐵鋰電池引起的火災(zāi),并在電池艙外設(shè)遙控釋放按鈕。

        2.2.2 電池管理系統(tǒng)

        電池管理系統(tǒng)(battery management system,BMS)是保證鋰電池安全的另一個(gè)重要組成部分,主要負(fù)責(zé)電池的監(jiān)測保護(hù)和能量均衡功能。該系統(tǒng)由SOC估測、動(dòng)態(tài)監(jiān)測和電池均衡這三個(gè)模塊組成。在電池充放電過程中,電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集蓄電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池組總電壓,防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象。當(dāng)電池組偏離正常值時(shí),該系統(tǒng)能就地并同時(shí)在駕駛室發(fā)出聲光報(bào)警;而當(dāng)電池出現(xiàn)故障時(shí),該系統(tǒng)能夠及時(shí)切斷故障電池模組,保證其他電池正常工作。

        2.2.3 電池硬件保護(hù)

        電池艙內(nèi)每一節(jié)電池都有保險(xiǎn)絲保護(hù),當(dāng)電流過大時(shí)快速熔斷,切斷故障電池連接。此外,每個(gè)電池模塊和系統(tǒng)均接有開關(guān)保護(hù),當(dāng)發(fā)生過流或短路時(shí),便立即斷開整個(gè)模塊和系統(tǒng)的連接。

        本船蓄電池間布置在全船中部,前后分別設(shè)置水密艙壁進(jìn)行分隔,同時(shí)該艙室采用A級(jí)防火分隔,滿足相應(yīng)法規(guī)要求。艙室內(nèi)布置機(jī)械通風(fēng),能及時(shí)將電池產(chǎn)生熱量排出,保證電池艙溫度始終處于合適范圍,同時(shí)按規(guī)范配備七氟丙烷滅火系統(tǒng)。當(dāng)電池艙內(nèi)感煙、感溫火警探頭發(fā)出火警報(bào)警信號(hào),駕駛室人員同時(shí)也可以通過船上閉路電視系統(tǒng)觀察電池艙情況,人工啟動(dòng)釋放按鈕,達(dá)到電池滅火目的。

        本船電池組配備電池管理和硬件保護(hù)系統(tǒng),每套電池系統(tǒng)包含一套電池管理系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)采用分層級(jí)構(gòu)架,其包含系統(tǒng)主控單元、管理各電池簇的二級(jí)主控單元,以及各個(gè)電池模塊中的從機(jī)模塊,各種配套熔斷器、繼電器等。系統(tǒng)主控模塊主要對(duì)系統(tǒng)的主開關(guān)進(jìn)行控制,監(jiān)測系統(tǒng)總電流,評(píng)估各簇乃至各單體鋰電池系統(tǒng)狀態(tài)(電壓、電流、SOC等),并管理各電池簇的投入和故障斷開;二級(jí)主控單元主要接收各從機(jī)模塊信息,監(jiān)測各簇的電流,并接收系統(tǒng)主控模塊對(duì)每簇開關(guān)的控制。保證電池在發(fā)生故障時(shí),能及時(shí)切斷電源并發(fā)出警報(bào)。

        3 結(jié) 語

        本文以電動(dòng)船舶作為研究對(duì)象,討論一型庫區(qū)混合動(dòng)力電動(dòng)船的總體設(shè)計(jì)。主要介紹了該船型的船舶主尺度、總布置、總體性能和環(huán)保設(shè)計(jì)等方面,并總結(jié)了關(guān)于船用電池的選型、安全及能耗等方面的探討,對(duì)電動(dòng)船的總體設(shè)計(jì)有一定借鑒意義。

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