19.8 m游览船纯电动推进系统设计

2022-06-27翁伟达

江苏船舶 2022年2期

翁伟达

(招商局邮轮研究院(上海)有限公司，上海 200137)

0 引言

目前，我国内河游览船大多采用常规柴油动力推进系统，存在能效转换率低、振动大、噪声大、经济性差及环境污染大等缺点。部分新能源船舶采用电力推进系统，由发电机组作为主电源，同样存在以上缺点。少量船舶采用双燃料动力推进系统，也存在经济性差且岸端燃料加注点少等缺点。因此，国内游览船逐步采用储能蓄电池组作为主电源。

蓄电池组将化学能转化为电能，不会产生大量废气与废热，可避免中间转换能量的损失，转化效率超过50%，且蓄电池使用中只进行电化学反应，没有高温燃烧过程，几乎不排放氮和硫的氧化物，减轻了对大气的污染。此外，燃料电池还具有噪声小、可靠性高、易于建设等优点。超级电容具有较好的充放电能力和使用寿命，可提供大电流快速充放电，提供瞬时放电功率的效率在95% 以上。因此，将蓄电池组与超级电容进行系统组合可以充分适应内河游览船的工况需求。本文基于19.8 m内河游览船项目，根据船东运营要求及新能源技术对纯电动推进系统的组成、设备及特点等方面进行分析，设计1套适合该船使用的纯电动推进系统。

1 船舶参数

某19.8 m内河游览船采用双机、双桨、双舵、电力推进形式，主船体为玻璃钢结构，由磷酸铁锂蓄电池组及超级电容作为全船动力。该船主要参数如下：总长19.8 m，型宽4.8 m，型深1.3 m，吃水0.6 m，排水量～24.8 t，航速15 km/h，航行时间6 h，载客57人，船员4人，航区内河B级。

2 系统组成

该船纯电动推进系统由动力驱动部分、电源单元、直流母排电源控制单元、操控单元等部分组成，结构组成见图1。

图1 纯电动推进系统示意图

2.1 动力驱动部分

系统动力驱动部分由水冷变频器、水冷推进电机、电机分线盒、旋变连接器及控制单元等组成，设备基本参数见表1。2台推进电机分别通过弹性联轴器和不锈钢艉轴(螺旋桨轴)连接到定距桨。

表1 动力驱动部分主要设备参数

2.2 电源单元

系统电源单元主要由磷酸铁锂电池和超级电容组成。当系统需要稳定功率输出时由磷酸铁锂电池进行供电；当推进系统有瞬时较大功率需求时，由超级电容进行能量提供；当系统有能量回馈(紧急制动或反转)时，瞬间反馈的能量由超级电容吸收。采用超级电容与磷酸铁锂电池的组合技术，能够合理分配船舶运行的能量需求，延长动力锂电池的使用寿命，提高动力锂电池的运行效率。

蓄电池容量计算公式为

式中：为所需蓄电池容量，A·h；为负载额定功率，该船2台驱动电机的额定功率共为90 kW，全船日用交流用电负载为15 kW，=105 kW；为负载工作时间，船舶正常航行时间=6 h；为运行系数，=0.42；为系统电压，根据直流母排设计要求，=320 V；为容量系数，以10 h放电率为标准，选取容量系数=0.85。

经计算，=972.8 A·h。

根据计算结果，该船纯电动推进系统可配置2组DC320 V、500 A·h的磷酸铁锂蓄电池组就可满足正常航行需求。单体电池块的电压容量为3.2 V、500 A·h，需100只单体电池块进行串联组成1组320 V、500 A·h，共计200只单体电池块。

超级容量计算公式为

式中：为超级电容的标称容量，F；为正常工作电压，=48 V；为截至工作电压，=16 V；为电路中要求持续工作时间，=10 s；为负载电流，A。

根据系统设计，超级电容在直流母排电源系统中需要瞬间大功率输出，负载电流=。考虑到2台电机短时超负荷功率共为150 kW，船舶日用负载为15 kW，功率=165 kW；直流母排额定电压=320 V；负载电流=515.6A。

经计算，=161.1 F。

根据计算结果，系统可配置8只DC48 V、165 F的电容组成1组超级电容。超级电容的端电压在充放电过程中变化较大，因此需要在储能元件和负载之间安装调压装置才能保证负载侧电压稳定。

系统根据CCS规范要求配置电池管理系统(BMS)。BMS能对电池的充放电、电池温度、单体电池的均衡进行控制，同时对单体电压、电池串联结构电流、单体温度、环境温度、电气绝缘电阻进行就地和远程监测，并能与直流母排电源控制单元进行数据通讯，保证航行、靠岸充电等各种船舶工况时的动力锂电池组安全供电。每组BMS模组监控20块单体电池，系统共有10个模组同时在线。

2.3 直流母排电源控制单元

该船直流母排电源控制单元管理整个船舶电源的输入和分配，电源分别来自磷酸铁锂电池组、超级电容、岸基充电单元，电源输出为船舶日用负载及船舶动力系统供电。同时控制单元可根据动力锂电池管理系统及控制系统中相关数据自动进行电源线路保护动作，保证船舶安全航行。

磷酸铁锂电池组和超级电容采用耦合器的连接方式，动态过程由自适应控制的耦合器自动完成。在动力锂电池的连接设计中，考虑到系统的冗余性、应急状态下运行的连续性，当某一组电池单元出现故障时，可以切除该单元所在的一个串联小组(系统中含3个串联小组：一路超级电容，二路动力锂电池组)，此时供电系统仍然能够有效运行，不会导致船舶故障停车。

该船岸基设置1台大功率充电单元(电压AC380 V、电流80 A、频率50 Hz)。当船舶停泊靠岸时，通过岸电插座箱直流母排电源控制单元可对动力锂电池组进行充电，并通过相应逆变单元对日用负载进行供电。在动力锂电池充电过程中，锂电池管理系统、直流母排控制单元、充电单元之间保持数据通讯，并最终由船舶智能系统控制岸基充电电流。

该船正常状态下直流母排通过电源逆变器将DC320 V电源转换为AC220 V电源，保证船舶日用负载供电，同时直流母排通过变频器提供能量给驱动电机，确保螺旋桨运转。

2.4 操控单元

系统配置1套手操器，置入非接触式的电位器，设置3个档位(前进、中置、后退)的位置信号，输出驱动速度的信号给船载主控器。

船载主控器以DSP数字控制器为核心，可以实现船舶的过程控制和算法，是船舶控制网络系统的核心。主控制器能与船舶上的逆变电源、电机驱动单元、温度监测单元、速度操控单元和水流量传感器等通过接口适配器进行连接，并能及时处理、控制这些信号。同时通过内置的全球定位系统、北斗卫星定位系统模块，在系统中将船载动态过程参数与位置信号建立联系。主控器设置单独的4G/5G通讯模块，通过无线通讯的方式将船舶信息传输到船东岸基指挥中心的网络服务器，实现远程数据管理。

系统配置1套彩色显示屏作为动力系统的显示单元，主要内容包含：驱动电机转速/功率/电流、船舶航速/位置、直流母排电压/电流、动力电池组电压/电流/储能比例、单体锂电池的电压/温度、船舶运行模式(经济/运动)、4G/5G通讯信号等。

系统操作控制面板上有钥匙开关、通电按钮和驱动器准备3个功能按钮。另外单独设置1个紧急停止按钮，以备船舶意外情况下紧急停车使用。

3 系统特点

3.1 电源清洁安全

系统动力电源采用磷酸铁锂电池，具有寿命长、充放电倍率大、安全性好、高温性好、元素无害、成本低、重量轻等特点，同时配置BMS，能实时监测单体电池状态，保证船舶的安全性。系统配置超级电容，具有大电流放电能力强、能量转换效率高等特点，并能实现船舶航行中紧急制动或反转时瞬间回馈能量的功能。

3.2 电源和动力冗余

系统电源由1组超级电容和2组动力锂电池组组成。当任一通道中单体电池出现故障时，系统可自动切断这一路供电，维持直流母排电源供电。

系统采用双螺旋桨配置双驱动器，在动力驱动方面是完全独立的2个系统。一旦一套出现故障时，系统能通过另一套运行以保证船舶正常航行。

3.3 冷却水系统冗余

系统中所有电控装置及锂电池单元均采用冷却水技术，用以保证器件的稳定可靠运行。系统管路设计采用可切换的冗余冷却水系统，当一路出现故障时，另一路能及时投入运行。

3.4 智能管理系统

系统设置1套智能管理系统，将电池管理系统、驱动器、主控制器、辅助控制、船舶日用负载、岸基充电单元、通讯设备等通过CAN总线进行通讯连接，汇总收集所有数据，并针对船舶航行、停泊、岸基充电等各种工况进行能量管理。全程对系统设备进行集中监测和保护，并能通过内置4G/5G通讯模块将船舶运行数据实时传输至船东岸基运行指挥中心，便于远程管理。

3.5 系统降噪减振

系统中的各种设备运行时均无明显的噪声，同时对船体结构的振动影响也可忽略不计。对比常规柴油动力推进系统运行时主机引起的巨大噪声和船体振动，纯电动推进系统的降噪减振功能明显。

3.6 系统经济性

船舶采用常规柴油动力推进系统，例如某型号柴油机，油耗约21.5 L/h，根据船舶每天运行6 h，一年按350天使用时间考虑，柴油单价约为6.4 元/L，每年柴油主机油耗费用约为28.9万元；采用纯电力推进系统，利用电网夜间谷时段进行充电(电价约为0.465元/kWh)，根据设计夜间充电时间约为8 h，一年按350 天使用时间考虑，充电费用约为13.7万元。可见采用纯电动推进系统每年的充电费用约是常规动力系统油耗费用的47%，大大降低了船东的运营成本。