内河水域纯电池动力保洁船型设计及性能分析

范振斌，丁治洁，范金健，计晓龙，陈 刚

（上海水域环境发展有限公司，上海 200433）

近年来，交通运输部一直大力推进绿色清洁能源和绿色技术在内河航运的应用。“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期。2020 年6 月交通运输部印发的《内河航运发展纲要》重点提出加大“新能源清洁能源推广应用力度”的要求。绿色船舶和智能船舶将是船舶发展更新换代的主流趋势[1-2]。为了适应长三角一体化示范区内水域环境治理的新要求，绿色、多功能的新型环保作业装备的设计研究[3]是未来发展趋势和重要方向。

同时，目前电池动力船的主要应用船型[4-5]受限。国外电动船舶发展较早，其中挪威是全球大型电动船舶运营最多的国家。国外电动船舶主要应用于小型豪华邮轮、客船等对系统的稳定性和舒适度要求较高的船型，以及工程船、海岸救援船等。我国电动船发展略晚于国外，但发展速度快、应用船型广。内河已建各种电动船舶20 余艘，应用船型包括客船、渡船、公务船和干散货船等[6-7]。目前，在锂离子动力电池方面，尽管我国在锂离子电池储能系统的关键技术上已经取得了重大突破，但基于安全性和经济性考虑，我国的纯电动船舶发展仍然不足。从市场规模来看，我国电动船舶的广泛应用尚存诸多瓶颈[8-9]。例如，船用电池应用成本偏高；电池技术在电池能量密度、充电时间和使用寿命等方面有待进一步提高；船用配套设施及标准有待完善等。

基于此，本文所研究的长三角示范区水域保洁作业船舶以上海市绿化和市容管理局发布的《上海市水域保洁作业设施设备配置导则》中系列化、标准化的28 m 清扫船为研究对象，以功能多样性、检测实时性、作业连续性、绿色环保化、技术集成化和控制智能化等诸多创新集成技术作为装备一体化的前提条件，针对28 m 清扫船适用的作业水域特点研究不同功能配置的基本船型，并且根据实际需要搭载各项不同功能的作业模块，有利于新型环保作业装备的设计发展需要。

1 28 m 纯电池动力清扫船船型设计

设计思路：新船借鉴高速客船的外观概念设计，流线型的外观造型与多功能的技术集成，实现现代风格与多元科技的引领示范，开敞式的保洁作业清扫船转变成为全封闭的特色旅游船舶，成为都市水域的“普通”船舶，流连忘返于湖光山色中。作为全新的纯电池动力作业船舶，融合“绿色保洁、智能保洁、智慧保洁、精准保洁”四大全新理念。

技术性能：推进功率：2×150 kW；设计航速：16 km/h；主电源：磷酸铁锂电池；电池容量：1 400 度电。

动力装置：无轴轮缘电力推进器、变频控制电力推进系统、纯电池动力系统及船岸定制充电系统、直流组网配电系统。

纯电池动力28 m 清扫船总布置如图1 所示。

图1 总布置图

2 主要功能

新船为单体、单甲板、尾机型，全钢质主船体及二层上层建筑，全焊接结构形式的内河机动工作船。动力装置采用无轴轮缘电力推进器驱动的纯电池动力推进方式。适航于内河B 级航区。

基于适用水域的实际作业需求，28 m 清扫船主要功能包括，在线式（船用）水质监测设备、潜水型微纳米气泡曝气机、消防水炮及基于光学感知的图像识别系统实现精准清扫；两舷伸缩式抽吸清扫装置、船载式藻水分离装置（包括铲吸汲取装置、气浮分离装置和藻渣脱水装置）。由此配置的主要作业设备包括，一套伸缩式围油栏装置，一套液压升降式浮箱收集装置，一套消防水炮喷射装置，一套在线式（船用）水质检测设备，一套潜水型微纳米气泡曝气机，一套船载式藻水分离装置，一套基于光学感知的图像识别系统，全部作业设备的控制系统均考虑设置于驾驶室进行遥控操纵。

2.1 在线式（船用）水质检测设备

在线式（船用）水质检测设备通过采集一体机配合每个功能电极完成水质检测。结合蓝藻处理作业的实际特点，初步考虑相关电极安装在主船体的垃圾舱内，实现实时在线水质检测功能。检测内容包括：pH 值、浊度、电导率、溶解氧、COD（化学需氧量）、BOD（生化需氧量）、悬浮物、氨氮、蓝绿藻和叶绿素等，多参数PLC一体机安装于驾驶室。

2.2 潜水型微纳米气泡曝气机

潜水型微纳米气泡曝气机选用双头单向型，采用纯304 不锈钢高压喷嘴结构，可生成微纳米气泡具有增氧化作用，最大线性传播距离可达20 m。25 m3/h 潜水型微纳米气泡机的技术规格：流量25 m3/h、扬程15 m水柱、电机功率2.2 kW。

2.3 船载式藻水分离装置

船载式藻水分离装置通过集成箱柜形式提供，主要包括设置蓝藻汲取装置（独立设置）、气浮藻水分离装置、藻渣脱水装置和电气控制系统4 部分组成，其中气浮分离装置是设备的核心处理单元，由溶药单元、溶气发生单元和气浮分离区3 大部分构成，整套装置的用电负荷约为40 kW。其技术规格是：吸藻量约100 m3/h、藻泥产量大于5 t/d、藻泥含水率小于90%。

2.4 消防水泡

消防水炮喷射装置布置于船首位置，包括一套消防水炮，其技术规格为喷射流量17 L/s×射程40 m，配套一台消防炮专用泵，其技术规格为60 m3/h×0.75 MPa。作为水炮喷射装置的动力水源，提供具有较高压力的消防水，进行船舶特殊作业时的人工喷水造流，可以更好地打捞收集靠岸死角处的漂浮垃圾，消防炮专用泵的功率配备为22 kW。

2.5 基于光学感知的图像识别系统

基于光学感知的图像识别系统，对水面漂浮物的检测主要从监控摄像机所捕捉的序列图像中检测是否有漂浮物的存在，利用当前图像帧与背景图像的相差分技术检测图像中的变化区域，再从所有变化区域中将对应的漂浮物区域单独提取出来。由于受限于背景光照的自然条件，特征维数比较高，数据量很大，图像特征降维又会产生较大的误差率。目前采用多波段成像监控，通过识别漂浮物面积大小进行报警，具有一定的操作性。其本质是智能视频监控技术对现有数字视频监控系统的一个弥补。目前相关产品的技术特点是利用AI 畸变处理技术实现超大视角前视场景，最大限度降低航行盲区，利用多源信息融合技术提供离岸测距测速和预警功能，利用AI 图像学习功能识别特征明显的对航行安全有威胁的物标并进行预警。

3 动力电池的容量估算

新船配置4 组由磷酸铁锂电池构成的动力电池组作为船舶主电源，其标称电量为1 396 kWh，标称电压为DC644 V；电池芯采用的磷酸铁锂电池，标称容量271 Ah，标称电压DC3.22 V，最大持续充/放电电流1 C。电池包（箱）连接方式1P8S，标称电压DC25.76 V，标称容量217 Ah，标称电量6.98 kWh，冷却方式为自然冷却。每组动力电池由50 个电池包（箱）和1 个高压盒、1个域管理盒组成，组合方式1P200S，标称电压DC644 V，标称容量271 Ah，标称电量349 kWh。动力电池组可以为船舶推进电动机和其他电气设备提供电源，在作业服务航速状态下，可满足全船4 h 用电需求。

3.1 电池管理系统BMS

电池管理系统BMS 实现动力电池的充放电监控管理。在正常运行情况下，BMS 向能源管理模块ECM提供电池充放电状态与功率以及电池的荷电状态；BMS 应对与电池安全有关的主要参数（如电压、电流和温度等）进行监控，当电池参数超出制造商的建议范围，将采取适当的安全措施。BMS 能对电池的充放电、电池温度、单体电池间的均衡进行控制，能对单体电压、电池串联结构电流、单体温度、环境温度和绝缘电阻进行监测。

3.2 充电管理系统

纯电池动力船舶的充电管理系统具备岸电容量参数设定、采集岸电电能品质、连接器状态和温度信号，确保岸电供电的安全性和可靠性。充电管理系统可以调度岸电供电容量、实时日用负载和电池充电SOP 的算法，保证电池平稳期快速充电和末端均衡充电，同时在各设备极端情况下快速保护和协调控制。对于集装箱式移动电源的充电模式具有广泛互联、智能互动、灵活柔性及安全可控等特点。

新船的停泊码头配置2 套充电桩，在5 h 内将动力电池组充足。充电桩采用标准充电枪以直流形式为船舶的动力电池组充电，具有均衡电路实现串联成组的各单体电池的电压平衡。充电桩能与BMS 系统通信，并在BMS 系统限定的条件下运行。充电桩在电流和电压超过预设值时，发出报警并停止充电。电池系统出现不可接受的温度时，应立即停止充电。充电桩基本参数为：输入电压AC380 V、输出电压DC750 V、输出功率150 kW、防护等级IP56（可露天安装）。

3.3 船舶电力推进及控制系统

动力电池组通过集中式直流母线变频电控设备在直流母线进行并网，驱动二台150 kW 主推电机，经过独立的日用逆变器逆变成交流电供日用负荷使用，经过独立的作业逆变器逆变成交流电供作业负荷使用。

全船动力系统配置一套综合控制系统，该控制系统兼备能量管理、推进控制和监测报警功能，保证船舶动态响应和可靠的安全性能。推进控制系统由驾控台遥控单元和机旁应急控制单元组成，实现推进器的驾驶室遥控与监测，主要功能包括：正常起动停车、紧急停车、故障越控、部位转换、调速、应急控制和功率限制等。

4 纯电池动力系统主要配电设备

4.1 变频直流柜

新船在配电间配置变频直流柜1 套，主要包含动力电池双向变换器4 套、推进逆变器2 套、日用逆变器2 套、综合控制系统1 套以及母排隔离开关。变频直流柜配置绝缘监测装置，对直流母排进行绝缘监测，在绝缘电阻异常低时发出声光报警。主要设备包括以下设备。

4.1.1 动力电池双向变换器

双向变换器的一端连接动力电池，另一端连接直流母排，控制动力电池的能量流向和功率数值，维持直流母排电压稳定。共4 套，额定容量200 kW。

4.1.2 推进逆变器

推进逆变器将直流母排提供的直流逆变为频率与电压可变的三相交流电，驱动推进电动机。共2 套，额定容量125 kW，输出电压AC380 V。

4.1.3 日用逆变器（含正弦波滤波器）

日用逆变器将直流母排提供的直流逆变成三相交流400 V，为船上日常使用和作业装备的电气设备提供交流电源。共2 套，额定容量100 kVA，输出电压3ΦAC400 V。

4.1.4 能量管理模块ECM

能量管理模块ECM，能够与BMS 进行数据传输，应能控制和调度动力电池组，根据电网负荷变化，实现动力电池组的自动负荷分配、过负载自动卸载、功率限制功能、重载问询和电池充放电控制等功能。

4.1.5 充电连接柜

新船配置1 个充电连接柜，连接码头上的充电枪，将充电电能送入动力电池。充电连接柜应始终检测与码头充电枪的连接，当处于连接状态时，应禁止船舶推进系统误动作。充电连接柜应设置必要的安全措施，防止充电过程中电缆被拔出。共1 套，额定容量150 kW，最高电压DC750 V。

4.2 交流主配电板

新船在配电间配置交流主配电板1 套，用于400 V和230 V 交流电的供电控制和监测。主配电板为板前开启、板前维修，防护等级为IP22。

4.3 组合起动屏

集成2 套组合起动屏，其一包括舱底泵、总用泵、粉碎泵、自动供水泵和风机等；其二包括所有作业设备、消防水泵、潜水泵及液压泵站等。

4.4 其他设备

配电设备中还包括AC220 V 分电箱、DC24 V 分电箱以及应急充放电板和启动蓄电池充电箱。

5 结束语

本文对现有内河28 m 清扫船进行纯电池动力的升级，并优化船型结构，从主尺度、主要性能参数及船体结构等进行船型设计；同时，基于适用水域的实际作业需求，考虑28 m 纯电池动力清扫船的主要功能，分析了基于光学感知的图像识别系统、在线式（船用）水质监测系统、船载式蓝藻抑制（藻水分离）系统、潜水型微纳米气泡曝气（增氧）系统以及水上辅助消防系统等，并确定了相应的装置，以满足在长三角示范区大面积水域，以打捞处理蓝藻为主，兼顾打捞收集水生植物、水面漂浮废弃物的功能需求。纯电池动力电力推进系统在保洁作业船舶上的升级应用以及配置多功能装备的作业模块，对城镇景观水域保洁作业的服务能级提升有一定促进作用。