江和耀 劉冠輝 劉家勝

摘 要：響應(yīng)“綠色航運(yùn)”、“綠色船舶”等的環(huán)保節(jié)能理念，針對內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)船舶存在廢氣和油污污染問題，研究和設(shè)計(jì)了一種基于電力推進(jìn)的小型船舶動力系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)組成方案，詳細(xì)分析了推進(jìn)系統(tǒng)中推進(jìn)電機(jī)和動力電池組的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：船舶動力；電力推進(jìn)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：U664.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）21-0038-03

Abstract： In response to the concept of environmental protection and energy saving of "green shipping" and "green ship"， in view of the problem of exhaust gas and oil pollution in internal combustion engine propulsion ship， a small ship power system based on electric propulsion is studied and designed. The composition scheme of the system is put forward， and the calculation method of the relevant parameters of the propulsion motor and the power battery pack in the propulsion system is analyzed in detail.

Keywords： ship power； electric propulsion； system design

1 概述

2006年起，國際海事組織（IMO）《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL）附則六“防止船舶造成空氣污染”及其修正案，對船舶的氮氧化物、硫氧化物和顆粒物等污染物排放最大標(biāo)準(zhǔn)及油耗收集機(jī)制做出規(guī)定。2015年，我國交通運(yùn)輸部發(fā)布《珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》。在船舶制造和研究的領(lǐng)域，隨著“綠色航運(yùn)”、“綠色船舶”等的環(huán)保節(jié)能理念的影響，純電能動力船艇的研究力度加大，進(jìn)展日漸引人矚目[1]。

小型船舶的電動推進(jìn)系統(tǒng)/裝置可廣泛應(yīng)用于執(zhí)法公務(wù)艇、游艇、渡輪等小型船舶。隨著功率器件和交流調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的普及，電力推進(jìn)技術(shù)迅速發(fā)展，已具備向中小型船舶動力系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)可行性。本文針對某型小型船舶，研究和設(shè)計(jì)了一種基于電力推進(jìn)的小型船舶動力系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成

小型船舶電力推進(jìn)動力系統(tǒng)主要由動力蓄電池組、推進(jìn)電機(jī)、電機(jī)控制器等部分組成，各組成部分通過通訊總線、高壓線束、低壓線束連接，系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

動力蓄電池組由電芯模組和電池管理模塊組成，為小型船舶電力推進(jìn)動力系統(tǒng)的主動力來源，為電機(jī)控制器提供動力電源，電機(jī)控制器推進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)做功，經(jīng)過齒輪箱、尾軸等機(jī)械傳動部分，最終拖動螺旋槳選裝，驅(qū)動船舶前行。操縱部分通過通信總線向電機(jī)控制器下達(dá)轉(zhuǎn)速指令，并監(jiān)測電池組和電機(jī)的狀態(tài)。充電機(jī)采用岸基充電方式，船舶?？看a頭時(shí)可以為動力電池組充電。

3 主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)

某小型船舶主要參數(shù)指標(biāo)如表1，采用燃油動力的同型船舶試驗(yàn)參考數(shù)據(jù)如表2。

3.1 電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速

船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速可按下式計(jì)算：

式中：N-主機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/s；Vs-航速，單位m/s； i-齒輪箱減速比；Sr-滑失比；P-螺旋槳螺距，單位m。

水是柔性介質(zhì)，所以螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)一周沿軸向?qū)嶋H行進(jìn)的距離，即進(jìn)距hp小于螺距p，這個(gè)距離差稱為滑失?；П瓤砂聪率接?jì)算

其中：p-螺距，單位m；hp-進(jìn)距，單位m。

進(jìn)距hp按下式計(jì)算：

根據(jù)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入式（2）和式（3），計(jì)算得Sr=0.204。

則根據(jù)式（1）計(jì)算可知，最大航速為30km/h時(shí)，電機(jī)對應(yīng)轉(zhuǎn)速為31.25r/s，即1875r/min。由于船舶可以在最大航速下持續(xù)航行，故最大航速時(shí)對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速?？紤]傳動效率、間隙等因素，取10%的余量并取整，則電機(jī)額定轉(zhuǎn)速可取2100r/min。

3.1.2 電機(jī)額定扭矩

進(jìn)速比是關(guān)系螺旋槳推力和扭矩的一個(gè)無量綱參數(shù)[2]，定義為

式中，Vp-進(jìn)速，即螺旋槳相對水流的速度，單位m/s；n-螺旋槳轉(zhuǎn)速，單位r/s；D-螺旋槳直徑，單位m。

螺旋槳相對水流的進(jìn)速Vp小于航速，這個(gè)減少的速度為伴流速度，伴流速度的大小取決于船方型系數(shù)、螺旋槳盤面比等參數(shù)。

作為推進(jìn)電機(jī)負(fù)載的螺旋槳是以其轉(zhuǎn)矩q作用到異步電動機(jī)上的[3]，則電機(jī)扭矩T（N·m）可表示為：

式中：q-螺旋槳扭矩，單位N·m；Kq-螺旋槳扭矩系數(shù)；ρ-水的密度，單位kg/m3。

螺旋槳扭矩系數(shù)Kq與進(jìn)速比J有關(guān)，對應(yīng)關(guān)系見圖2螺旋槳敞水特性曲線[4-5]。

取Vp=0.6Vs。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照式（4）計(jì)算進(jìn)速比，可得J=0.585，結(jié)合圖2，可得Kq=0.038。帶入式（5）計(jì)算可得電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速為1875r/min時(shí)對應(yīng)的輸出扭矩為233.5N·m，考慮不同水域水的密度差異，以及傳動間隙和效率等，取10%的余量并取整，則電機(jī)額定扭矩為260N·m。

3.1.3 電機(jī)額定功率

電機(jī)額定功率按下式計(jì)算：

當(dāng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2100r/min，輸出扭矩為260N·m時(shí)，電機(jī)額定功率為57.2kW。

3.2 電池組容量估計(jì)

電池組總?cè)萘堪聪率接?jì)算：

式中：Q-電源系統(tǒng)總?cè)萘?；W-負(fù)載功率；t-續(xù)航時(shí)間；ρ-電池能量轉(zhuǎn)換效率，按0.98計(jì)；f-電池放電率，按0.85計(jì)。

航速15km/h時(shí)，指標(biāo)要求續(xù)航時(shí)間/里程為5h/75km，按照3.1節(jié)計(jì)算方法可得，此時(shí)電機(jī)輸出功率為5.7kW。代人式（7），則電池組容量為34.2kWh。

4 結(jié)論

本文針對某型小型船舶，設(shè)計(jì)了一種小型船舶電力推進(jìn)動力系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)組成，并詳細(xì)分析了推進(jìn)系統(tǒng)中推進(jìn)電機(jī)和動力電池組的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。通過該方法計(jì)算出的結(jié)果，可以作為動力系統(tǒng)中電機(jī)和電池組研制或選型的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁晨雷，康偉，褚建新.小型船舶綠色動力電池推進(jìn)系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)[J].上海造船，2011（2）：38-46.

[2]馬繼先，陳源，陸振偉.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)螺旋槳負(fù)載的建模與仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（1）：56-59.

[3]趙紅，郭晨，吳志良.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的建模與仿真[J].中國造船，2006，47（4）：51-56.

[4]陳源.小型船舶電力推進(jìn)裝置系統(tǒng)仿真研究[D].江蘇科技大學(xué)，2014.

[5]R.Abdelli， D.Rekioua， T.Rekioua. Performances improvements and torque ripple minimization for VSI fed induction machine with direct control torque[J]. ISA Transactions， 2011，50（3）： 213-219.