翁偉達(dá)

(招商局郵輪研究院(上海)有限公司，上海 200137)

0 引言

目前，我國內(nèi)河游覽船大多采用常規(guī)柴油動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，存在能效轉(zhuǎn)換率低、振動(dòng)大、噪聲大、經(jīng)濟(jì)性差及環(huán)境污染大等缺點(diǎn)。部分新能源船舶采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，由發(fā)電機(jī)組作為主電源，同樣存在以上缺點(diǎn)。少量船舶采用雙燃料動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，也存在經(jīng)濟(jì)性差且岸端燃料加注點(diǎn)少等缺點(diǎn)。因此，國內(nèi)游覽船逐步采用儲(chǔ)能蓄電池組作為主電源。

蓄電池組將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不會(huì)產(chǎn)生大量廢氣與廢熱，可避免中間轉(zhuǎn)換能量的損失，轉(zhuǎn)化效率超過50%，且蓄電池使用中只進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，沒有高溫燃燒過程，幾乎不排放氮和硫的氧化物，減輕了對(duì)大氣的污染。此外，燃料電池還具有噪聲小、可靠性高、易于建設(shè)等優(yōu)點(diǎn)。超級(jí)電容具有較好的充放電能力和使用壽命，可提供大電流快速充放電，提供瞬時(shí)放電功率的效率在95% 以上。因此，將蓄電池組與超級(jí)電容進(jìn)行系統(tǒng)組合可以充分適應(yīng)內(nèi)河游覽船的工況需求。本文基于19.8 m內(nèi)河游覽船項(xiàng)目，根據(jù)船東運(yùn)營要求及新能源技術(shù)對(duì)純電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的組成、設(shè)備及特點(diǎn)等方面進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)1套適合該船使用的純電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)。

1 船舶參數(shù)

某19.8 m內(nèi)河游覽船采用雙機(jī)、雙槳、雙舵、電力推進(jìn)形式，主船體為玻璃鋼結(jié)構(gòu)，由磷酸鐵鋰蓄電池組及超級(jí)電容作為全船動(dòng)力。該船主要參數(shù)如下：總長19.8 m，型寬4.8 m，型深1.3 m，吃水0.6 m，排水量～24.8 t，航速15 km/h，航行時(shí)間6 h，載客57人，船員4人，航區(qū)內(nèi)河B級(jí)。

2 系統(tǒng)組成

該船純電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分、電源單元、直流母排電源控制單元、操控單元等部分組成，結(jié)構(gòu)組成見圖1。

圖1 純電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

2.1 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分

系統(tǒng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分由水冷變頻器、水冷推進(jìn)電機(jī)、電機(jī)分線盒、旋變連接器及控制單元等組成，設(shè)備基本參數(shù)見表1。2臺(tái)推進(jìn)電機(jī)分別通過彈性聯(lián)軸器和不銹鋼艉軸(螺旋槳軸)連接到定距槳。

表1 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分主要設(shè)備參數(shù)

2.2 電源單元

系統(tǒng)電源單元主要由磷酸鐵鋰電池和超級(jí)電容組成。當(dāng)系統(tǒng)需要穩(wěn)定功率輸出時(shí)由磷酸鐵鋰電池進(jìn)行供電；當(dāng)推進(jìn)系統(tǒng)有瞬時(shí)較大功率需求時(shí)，由超級(jí)電容進(jìn)行能量提供；當(dāng)系統(tǒng)有能量回饋(緊急制動(dòng)或反轉(zhuǎn))時(shí)，瞬間反饋的能量由超級(jí)電容吸收。采用超級(jí)電容與磷酸鐵鋰電池的組合技術(shù)，能夠合理分配船舶運(yùn)行的能量需求，延長動(dòng)力鋰電池的使用壽命，提高動(dòng)力鋰電池的運(yùn)行效率。

蓄電池容量計(jì)算公式為

式中：為所需蓄電池容量，A·h；為負(fù)載額定功率，該船2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率共為90 kW，全船日用交流用電負(fù)載為15 kW，=105 kW；為負(fù)載工作時(shí)間，船舶正常航行時(shí)間=6 h；為運(yùn)行系數(shù)，=0.42；為系統(tǒng)電壓，根據(jù)直流母排設(shè)計(jì)要求，=320 V；為容量系數(shù)，以10 h放電率為標(biāo)準(zhǔn)，選取容量系數(shù)=0.85。

經(jīng)計(jì)算，=972.8 A·h。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該船純電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)可配置2組DC320 V、500 A·h的磷酸鐵鋰蓄電池組就可滿足正常航行需求。單體電池塊的電壓容量為3.2 V、500 A·h，需100只單體電池塊進(jìn)行串聯(lián)組成1組320 V、500 A·h，共計(jì)200只單體電池塊。

超級(jí)容量計(jì)算公式為

式中：為超級(jí)電容的標(biāo)稱容量，F(xiàn)；為正常工作電壓，=48 V；為截至工作電壓，=16 V；為電路中要求持續(xù)工作時(shí)間，=10 s；為負(fù)載電流，A。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，超級(jí)電容在直流母排電源系統(tǒng)中需要瞬間大功率輸出，負(fù)載電流=?？紤]到2臺(tái)電機(jī)短時(shí)超負(fù)荷功率共為150 kW，船舶日用負(fù)載為15 kW，功率=165 kW；直流母排額定電壓=320 V；負(fù)載電流=515.6A。

經(jīng)計(jì)算，=161.1 F。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)可配置8只DC48 V、165 F的電容組成1組超級(jí)電容。超級(jí)電容的端電壓在充放電過程中變化較大，因此需要在儲(chǔ)能元件和負(fù)載之間安裝調(diào)壓裝置才能保證負(fù)載側(cè)電壓穩(wěn)定。

系統(tǒng)根據(jù)CCS規(guī)范要求配置電池管理系統(tǒng)(BMS)。BMS能對(duì)電池的充放電、電池溫度、單體電池的均衡進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)單體電壓、電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)電流、單體溫度、環(huán)境溫度、電氣絕緣電阻進(jìn)行就地和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并能與直流母排電源控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，保證航行、靠岸充電等各種船舶工況時(shí)的動(dòng)力鋰電池組安全供電。每組BMS模組監(jiān)控20塊單體電池，系統(tǒng)共有10個(gè)模組同時(shí)在線。

2.3 直流母排電源控制單元

該船直流母排電源控制單元管理整個(gè)船舶電源的輸入和分配，電源分別來自磷酸鐵鋰電池組、超級(jí)電容、岸基充電單元，電源輸出為船舶日用負(fù)載及船舶動(dòng)力系統(tǒng)供電。同時(shí)控制單元可根據(jù)動(dòng)力鋰電池管理系統(tǒng)及控制系統(tǒng)中相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行電源線路保護(hù)動(dòng)作，保證船舶安全航行。

磷酸鐵鋰電池組和超級(jí)電容采用耦合器的連接方式，動(dòng)態(tài)過程由自適應(yīng)控制的耦合器自動(dòng)完成。在動(dòng)力鋰電池的連接設(shè)計(jì)中，考慮到系統(tǒng)的冗余性、應(yīng)急狀態(tài)下運(yùn)行的連續(xù)性，當(dāng)某一組電池單元出現(xiàn)故障時(shí)，可以切除該單元所在的一個(gè)串聯(lián)小組(系統(tǒng)中含3個(gè)串聯(lián)小組：一路超級(jí)電容，二路動(dòng)力鋰電池組)，此時(shí)供電系統(tǒng)仍然能夠有效運(yùn)行，不會(huì)導(dǎo)致船舶故障停車。

該船岸基設(shè)置1臺(tái)大功率充電單元(電壓AC380 V、電流80 A、頻率50 Hz)。當(dāng)船舶停泊靠岸時(shí)，通過岸電插座箱直流母排電源控制單元可對(duì)動(dòng)力鋰電池組進(jìn)行充電，并通過相應(yīng)逆變單元對(duì)日用負(fù)載進(jìn)行供電。在動(dòng)力鋰電池充電過程中，鋰電池管理系統(tǒng)、直流母排控制單元、充電單元之間保持?jǐn)?shù)據(jù)通訊，并最終由船舶智能系統(tǒng)控制岸基充電電流。

該船正常狀態(tài)下直流母排通過電源逆變器將DC320 V電源轉(zhuǎn)換為AC220 V電源，保證船舶日用負(fù)載供電，同時(shí)直流母排通過變頻器提供能量給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，確保螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.4 操控單元

系統(tǒng)配置1套手操器，置入非接觸式的電位器，設(shè)置3個(gè)檔位(前進(jìn)、中置、后退)的位置信號(hào)，輸出驅(qū)動(dòng)速度的信號(hào)給船載主控器。

船載主控器以DSP數(shù)字控制器為核心，可以實(shí)現(xiàn)船舶的過程控制和算法，是船舶控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心。主控制器能與船舶上的逆變電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、溫度監(jiān)測(cè)單元、速度操控單元和水流量傳感器等通過接口適配器進(jìn)行連接，并能及時(shí)處理、控制這些信號(hào)。同時(shí)通過內(nèi)置的全球定位系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)模塊，在系統(tǒng)中將船載動(dòng)態(tài)過程參數(shù)與位置信號(hào)建立聯(lián)系。主控器設(shè)置單獨(dú)的4G/5G通訊模塊，通過無線通訊的方式將船舶信息傳輸?shù)酱瑬|岸基指揮中心的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理。

系統(tǒng)配置1套彩色顯示屏作為動(dòng)力系統(tǒng)的顯示單元，主要內(nèi)容包含：驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速/功率/電流、船舶航速/位置、直流母排電壓/電流、動(dòng)力電池組電壓/電流/儲(chǔ)能比例、單體鋰電池的電壓/溫度、船舶運(yùn)行模式(經(jīng)濟(jì)/運(yùn)動(dòng))、4G/5G通訊信號(hào)等。

系統(tǒng)操作控制面板上有鑰匙開關(guān)、通電按鈕和驅(qū)動(dòng)器準(zhǔn)備3個(gè)功能按鈕。另外單獨(dú)設(shè)置1個(gè)緊急停止按鈕，以備船舶意外情況下緊急停車使用。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 電源清潔安全

系統(tǒng)動(dòng)力電源采用磷酸鐵鋰電池，具有壽命長、充放電倍率大、安全性好、高溫性好、元素?zé)o害、成本低、重量輕等特點(diǎn)，同時(shí)配置BMS，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單體電池狀態(tài)，保證船舶的安全性。系統(tǒng)配置超級(jí)電容，具有大電流放電能力強(qiáng)、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)船舶航行中緊急制動(dòng)或反轉(zhuǎn)時(shí)瞬間回饋能量的功能。

3.2 電源和動(dòng)力冗余

系統(tǒng)電源由1組超級(jí)電容和2組動(dòng)力鋰電池組組成。當(dāng)任一通道中單體電池出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)切斷這一路供電，維持直流母排電源供電。

系統(tǒng)采用雙螺旋槳配置雙驅(qū)動(dòng)器，在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方面是完全獨(dú)立的2個(gè)系統(tǒng)。一旦一套出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能通過另一套運(yùn)行以保證船舶正常航行。

3.3 冷卻水系統(tǒng)冗余

系統(tǒng)中所有電控裝置及鋰電池單元均采用冷卻水技術(shù)，用以保證器件的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)采用可切換的冗余冷卻水系統(tǒng)，當(dāng)一路出現(xiàn)故障時(shí)，另一路能及時(shí)投入運(yùn)行。

3.4 智能管理系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)置1套智能管理系統(tǒng)，將電池管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器、主控制器、輔助控制、船舶日用負(fù)載、岸基充電單元、通訊設(shè)備等通過CAN總線進(jìn)行通訊連接，匯總收集所有數(shù)據(jù)，并針對(duì)船舶航行、停泊、岸基充電等各種工況進(jìn)行能量管理。全程對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)和保護(hù)，并能通過內(nèi)置4G/5G通訊模塊將船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至船東岸基運(yùn)行指揮中心，便于遠(yuǎn)程管理。

3.5 系統(tǒng)降噪減振

系統(tǒng)中的各種設(shè)備運(yùn)行時(shí)均無明顯的噪聲，同時(shí)對(duì)船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響也可忽略不計(jì)。對(duì)比常規(guī)柴油動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主機(jī)引起的巨大噪聲和船體振動(dòng)，純電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的降噪減振功能明顯。

3.6 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性

船舶采用常規(guī)柴油動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，例如某型號(hào)柴油機(jī)，油耗約21.5 L/h，根據(jù)船舶每天運(yùn)行6 h，一年按350天使用時(shí)間考慮，柴油單價(jià)約為6.4 元/L，每年柴油主機(jī)油耗費(fèi)用約為28.9萬元；采用純電力推進(jìn)系統(tǒng)，利用電網(wǎng)夜間谷時(shí)段進(jìn)行充電(電價(jià)約為0.465元/kWh)，根據(jù)設(shè)計(jì)夜間充電時(shí)間約為8 h，一年按350 天使用時(shí)間考慮，充電費(fèi)用約為13.7萬元?？梢姴捎眉冸妱?dòng)推進(jìn)系統(tǒng)每年的充電費(fèi)用約是常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)油耗費(fèi)用的47%，大大降低了船東的運(yùn)營成本。

4 結(jié)論

(1)實(shí)船運(yùn)行結(jié)果顯示：在19.8 m游覽船航行過程中純電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備運(yùn)行正常。

(2)相比柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，船舶采用純電動(dòng)系統(tǒng)可減少廢氣排放，實(shí)現(xiàn)了船舶及碼頭的節(jié)能減排。同時(shí)，可以降低推進(jìn)系統(tǒng)的噪聲，減少對(duì)船體的振動(dòng)影響。航行時(shí)測(cè)量客艙噪聲約50 dB，提高了乘客舒適度。

(3)船舶通過岸基充電單元利用電網(wǎng)谷段補(bǔ)充電能，充電費(fèi)用低于常規(guī)柴油動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的油耗費(fèi)用，降低了船東的運(yùn)營成本。