周 成，張玉濤， 姚金根

(1.無錫東方船研高性能船艇工程有限公司，江蘇 無錫 214082；2.中國人民解放軍第二七O三工廠， 黑龍江 佳木斯 154014；3.湖州新開元碎石有限公司，浙江 湖州 313022)

0 引言

隨著全球能源的日漸減少，船舶燃料成本占船舶運營成本的比重越來越大，且船舶污染物的排放使得全球的環(huán)境污染越來越嚴重，船舶航運及游覽船市場面臨環(huán)境保護的需求，因此，如何提高船舶燃油的燃燒效率和降低污染物的排放已成為現(xiàn)代船舶行業(yè)研究的重要內(nèi)容。

目前，我國內(nèi)河的旅游船大多采用柴油動力系統(tǒng)。柴油機存在振動大、噪聲大、經(jīng)濟性差及污染嚴重等缺點。為了適應環(huán)境保護的形勢，綠色船舶成為未來船舶可持續(xù)發(fā)展的方向，其中純電推進技術(shù)是最具有代表性和革新性的技術(shù)。

本文以300客位游覽船為研究對象，將純電推進系統(tǒng)運用到此游覽船上，替代了原柴油機動力系統(tǒng)，建立包括動力電池系統(tǒng)、電力驅(qū)動系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)及電池充電系統(tǒng)的動力系統(tǒng)，從而在船舶運營過程中降低燃油消耗、減少污染物排放。

1 整船概況

1.1 主要參數(shù)選擇

300客位游覽船在設計時采用單體消波、艉機型船型，全電池電動吊艙推進；設二層甲板，艏艉及頂部為大面積觀光游步甲板。其主要參數(shù)如下：

計算船長49.96 m，總寬13.40 m，型寬10.80 m，型深2.70 m，計算吃水1.57 m，最大航速10 kn，肋距0.6 m。

1.2 總體布置

該船主甲板設有艉尖艙、機艙、電池艙(左右)、生活污水柜艙、清水柜艙、空艙/固定壓載艙和艏尖艙；主甲板設有艏、艉觀光甲板、VIP包間、大客艙、配餐間及盥洗室。全船客艙采用大跨距無支柱結(jié)構(gòu)，客艙側(cè)壁采用大面積幕墻玻璃，視野通透，讓全體乘客視覺無障礙。二層甲板設有駕駛室、船員值班室及觀光甲板。頂棚甲板覆蓋整個乘客區(qū)，頂棚上布置多個大面積的流線型幕墻玻璃，讓乘客可以享受長江夜幕下的星空之美。該船布置示意見圖1。

1.3 設計特色

(1)外形設計時，將游艇的時代、仿生元素與以水上觀光為主調(diào)的休閑元素相結(jié)合，呈現(xiàn)出優(yōu)雅靈動的特點，使船舶自身成為一道靚麗的風景線。

(2)采用鐵鋰電池+電動吊艙推進，真正實現(xiàn)零排放。

(3)客艙內(nèi)部布局采用步行街式的休閑方式。

(4)充分兼顧夜游功能，輪廓采用LED亮化，靜謐幽雅，為武漢夜晚添加一抹靚麗風景。

2 動力裝置

該游覽船由2組鋰電池供電，總推進功率為2×200 kW；采用吊艙推進器，動力系統(tǒng)包括動力電池系統(tǒng)、電力驅(qū)動系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、電池充電系統(tǒng)。

圖1 300客位純電推進游覽船設計總布置示意圖

全船不產(chǎn)生機艙油污水。生活污水、配餐間灰水及生活垃圾采用集中上岸處理方式，實現(xiàn)全船零污染。

電池艙由2個獨立的電池艙組成，電池柜與艙壁、上甲板的最小間距均不小于500 mm。電池艙采用自然進風、強制出風的形式。

3 電氣設備

3.1 主動力蓄電池組

本船使用磷酸鐵鋰電池作為主動力電池，動力電池組分2大組，作為2個電源為全船用電設備提供能源。12個單節(jié)3串4并構(gòu)成電池包，3個電池包串聯(lián)構(gòu)成電池模塊，18個電池模塊串聯(lián)構(gòu)成電池簇，6個電池簇并聯(lián)構(gòu)成單側(cè)電池組系統(tǒng)。全船共12簇電池簇。單側(cè)電池系統(tǒng)容量1 119.7 kWh，2組電池組共2.2 MWh。電池充放電柜安裝在機艙內(nèi)，充放電柜具有與電池管理系統(tǒng)的電氣和通訊接口，電池組通過電池充放電柜連接到直流配電板。電池充放電柜對電池簇的充放電進行控制。

3.2 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)(BMS)分層設置，包括電池系統(tǒng)層管理單元、電池模塊層管理單元及其他組件。該系統(tǒng)具備如下功能：

(1)系統(tǒng)上電自檢功能，包括所有傳感器、絕緣電阻、執(zhí)行器、系統(tǒng)狀態(tài)等。

(2)充電、放電、溫度、電流等多重保護功能。

(3)管理整個充放電過程功能、絕緣電阻檢測及預警功能。

(4)電池組總電壓、總電流、溫度、單體電池電壓等測量功能。

(5)電池組及各單體電池SOC、SOH等功能。

(6)對單體電池的主動無損均衡功能及先進的均衡規(guī)則策略。

(7)電池系統(tǒng)相關(guān)運行信息存儲記錄功能。

(8)全系統(tǒng)RS485或CAN總線通訊功能。

(9)高壓電的通斷管理功能。

(10)系統(tǒng)供電電源監(jiān)測和保護功能。

3.3 電池安全性設計

電池系統(tǒng)技術(shù)的關(guān)鍵與難點在于電池系統(tǒng)安全保障裝置設計。由于鋰離子動力電池系統(tǒng)能量密度高、總儲能大，且應用對象為載客環(huán)境，因而要求該系統(tǒng)具備絕對安全性。鋰離子電池安全問題是一個系統(tǒng)工程，以預防為主、滅火為輔，需在電芯熱失控階段實施阻斷電芯間換熱、疏導失控電芯熱量至外界、滅明火、隔離空氣、隔離電池熱失控噴出物等干預措施。在系統(tǒng)級防護中，輔以有效的滅火劑噴淋，在電池管理系統(tǒng)及人為干預控制下設置合理的噴射時間與劑量，以保障電池系統(tǒng)本質(zhì)安全。

在電池模塊中設計熱失控監(jiān)測和預警裝置，探測到模塊內(nèi)部發(fā)生異常時及時給出報警信號。模塊內(nèi)的監(jiān)控單元具有多通道的模塊內(nèi)部溫度信號采樣點、多通道的電壓采集點及過高溫保護裝置。溫度傳感器固定在每個電芯最高溫度位置。

依據(jù)單體電芯熱失控對周邊電池影響方式和范圍的研究結(jié)果，在電池模塊內(nèi)設計內(nèi)容物濺射控制結(jié)構(gòu)，確保單電池熱失控噴出物不影響到相鄰電芯。單體電芯失效發(fā)生時，在電池泄壓口上部進行阻燃膠(陶瓷粉硅膠)防護，該阻燃膠在熱失控初期隔離空氣，電芯釋放熱量使陶瓷粉固化，阻斷溫度傳遞，阻斷電池熱失控噴出物影響，使單體熱失控不傳播。配合艙體滅火器在電池管理系統(tǒng)及人為干預控制下的合理噴射時間與劑量，保障電池系統(tǒng)本質(zhì)安全。

電池艙內(nèi)設計七氟丙烷自動消防系統(tǒng)，在電池模塊發(fā)生單電芯熱失控情況下對模塊進行外部的降溫、滅火處理。消防系統(tǒng)設置多個儲罐，分多次釋放。噴淋時機由電池管理系統(tǒng)根據(jù)溫度探頭、電壓探頭等信息進行自動延時起動，并由人工遠程干預、確認，避免誤啟動。噴淋位置為異常模塊貨架上方，噴淋方式為全淹沒式。

4 結(jié)語

縱觀300客位全電推進游覽船的運營情況，該船運行客艙噪聲約為50 dB，大大提高了乘客的乘坐舒適度；且該船航行時不消耗燃油，不產(chǎn)生碳、硫等廢氣污染物及PM2.5顆粒，完全實現(xiàn)了零排放。結(jié)果表明采用純電池推進的船舶為乘客提供較好舒適性的同時真正實現(xiàn)了綠色減排，純電推進系統(tǒng)對于船舶的綠色可持續(xù)發(fā)展意義重大，值得推廣。