纯电池动力系统在港作拖轮上的应用研究

卢 翔，张 张，李文豪

纯电池动力系统在港作拖轮上的应用研究

卢 翔1，张 张2，李文豪1

（1. 连云港港口控股集团有限公司，江苏连云港 22200；2. 连云港港口集团有限公司轮驳分公司，江苏连云港 22200）

本文深入调研了港作拖轮现状、设备特点和作业环境，对比了目前世界各国多种新能源动力船舶的优劣特点和适用场景，通过收集大量数据分析了港作拖轮的能耗特性，并与纯电池动力系统的主要特性进行比对，论证了纯电池动力系统在港作拖轮应用的可行性，并以实际案例说明了纯电池动力系统在特定工况、特定环境下，特别是有限区域作业下的港作拖轮领域具有较为广阔的推广前景。

电池动力系统 新能源 港作拖轮

0 引言

港作拖轮为满足其高机动，大功率输出，操作灵活等要求，一般在船舶中采用四冲程中速大功率柴油机作为其动力输出。但随着国家实施“碳达峰”和“碳中和”双碳战略目标及绿色低碳港口建设需要，各大港口和船厂对新能源船舶及节能型船舶加大了相关研究和研发力度。另一方面由于拖轮的工作性质，其间歇性作业于固定海域，具备随时靠泊补给的优势。因此，较其他形式动力系统，纯电池动力系统在拖轮上具备更优的应用条件。

1 港作拖轮的发展现状

港作拖轮主要用于主港区水域协助大型船舶靠离码头，可进行顶推、拖带和倒拖等助泊作业。其一般采用大功率柴油机配合全回转舵桨作为推进系统，具备操作灵活、拖力大、有限区域间歇作业等特点。国内主要港口港作拖轮功率主要分布在2 000 kW至5 000 kW，动力系统设备大多采用日本和欧洲产品。据轮驳协会内部统计，2 000 kW左右的拖轮年消耗柴油约300 t，直接产生900 t碳氧化物、12 t硫化物，相当于400多辆小汽车的排放量[1]。此外，其日常维护过程中也产生大量的油污水及固体废弃垃圾，给港口环境保护和废污处理带来较大压力。

目前全球性能源紧张以及气候变化已成为国际社会普遍关注的重大问题，节能减排已经成为国际社会的共同责任。我国计划2030年达到碳峰值，2060年实现碳中和，2018年7月国务院发布的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》重点提出了以船舶和港口为核心的减排对象，并提出“推进船舶更新升级，加快船舶油品质量升级，加强船舶污染防治，推动靠港船舶使用岸电等”重要举措[2]。

港口作为我国现代物流供应链中的重要环节，其能源消耗在整个交通行业中占有一定的比重，港口行业的节能降耗工作是交通行业节能工作的重点之一。

2 港作拖轮的作业模式和设备运行特点

2.1 港作拖轮具有航程小、短时间歇作业等特点

港作拖轮一般作业区域为港内水域，在进行大型船舶进港助泊作业、接送引航员时作业区域会扩大至锚地，作业和航行水域相对固定。以连云港港为例，其主力港作拖轮单次作业时间一般在75分钟左右，且通常为间歇作业，非作业时段常停靠码头，这意味着港作拖轮可随时获得岸基能源和生活物资补给。如图1所示，港助泊拖轮包括航行、顶推、待时等几个工况，其中顶推、拖拽作业时间较短，约45%的时间处于待时状态。

图1 港作拖轮时间分配关系图

2.2 港作拖轮具有航程小、短时间歇作业等特点

港作拖轮由于其大多时间处于主机怠速或低负荷航行状态，即使在助泊状态下其主机大功率输出时段也较为有限。从连云港港口主力（中速柴油机）拖轮近三年的统计数据和调取数据分析来看，动力系统负荷特性高度吻合，其20%负荷以下运行时间占比高达60%以上，如下图所示。

图2 港作拖轮（中速机）负荷与时间关系图

3 船舶新能源动力系统的形式及适用环境

3.1 船舶新能源动力系统的形式

船舶新能源动力系统目前主要有双燃料、纯LNG、油电混合、纯电池动力等形式[3]。

目前全球范围内在船用双燃料柴油机领域以MAN公司的和WIN G&D公司的产品为典型代表，该型柴油机主要配置两套燃料供给系统，可在不同条件下在燃油和LNG间切换。纯LNG动力主机只能由LNG作为燃料来源。

油电混合动力的配置种类较多，一般以电池容量大小和主动力源分为柴电推进系统、机械混动系统、电混动推进系统。机械混动系统一般由电机和一套适配功率的主机共同为船舶提供动力，电机和主机并联，额定输出功率为电机和主机输出之和。柴电推进系统由发电柴油机为电池充电，电池为电机供电，只有电机驱动船舶。电混动推进系统一般配置发电柴油机为电池或电机供电，通过电机为船舶提供动力。

纯电池动力系统船舶只配置大容量电池组，利用大功率电机为船舶提供动力，结构配置上较为简单，但需要较为先进可靠的BMS和PMS对整套动力系统进行管理控制。

3.2 各种船舶新能源动力系统的适用环境

液化天然气是一种常用的清洁能源，能减少碳氧化物和氮氧化物等排放，根据发动机类型不同，温室气体减排潜力为10%～23%。如上所述LNG在船舶上的应用通常有两种型式，一种是单一LNG发动机，另一种是双燃料发动机[4]。单一LNG发动机由于其特殊的存储和管理要求多适用于运输LNG的船舶。目前国内在拖轮上有采用双燃料发动机先例，但受限于码头配套加注难、安全管理风险大等因素，短期内推广难度大。而且整船初期投资较高，且LNG价格波动较大，同时受船舶利用率影响，经济效益性并不十分明显。船舶设计时还需要充分考虑LNG罐体和管路的布置、空间利率、甲烷逃逸等一系列问题。

混合动力由于电机参与动力输出，不仅可获得较好的动力响应，还在节能降耗、减少碳排放方面具备优势。混合动力目前在国内部分港口都有试用先例，如上海港混合动力拖轮就采用一种机械混动模式，在主机与舵桨间的传动轴配置同轴电机（发电机），可与主机配合为船舶输出动力。混合动力充分利用柴油机负荷功率特性，要么让柴油机始终工作在高效区，要么减少低效区功率浪费，可有效降低燃油消耗，但因其系统的配置较为复杂，无论是初期建造成本还是后期维护成本都相较其他形式的动力系统成本较高。

纯电池动力系统较早的应用于潜艇，目前主流是锂电池。锂电池具有能量密度高、循环寿命久、充放电特性好等优点。根据电池正极所用的材料，目前主要有两种型式：三元锂和磷酸铁锂，已经大规模商业化应用。其中，磷酸铁锂虽然能量密度不及三元锂，但其电池电化学性能和热稳定性更好，对环境温度相对不敏感，安全性更高，目前在船舶上暂时只有磷酸铁锂电池获得CCS认可，典型船舶如国内首艘CCS认证纯电池动力客船“君旅号”、豪华观光游览船 “大湾区一号”等。为了确保磷酸铁锂电池使用安全性，需要配套性能优异的电池管理系统，以充分监控其电压、电流、温度、SOC、SOH等参数，避免异常情况，防止热失控。由于船舶体积较大，对能量密度要求并不高，磷酸铁锂以其高安全性特点将会在船舶行业赢得广阔的应用空间。纯电池动力船舶由于其续航问题、充电问题等限制，只能航行于有限水域或短途航线。

如图3所示，从初期投资、建造周期、运营成本、系统架构、航程、管理要求、污染程度几方面对比，对于航程要求不高的船型，采用纯电动动力系统的型式，在运营成本和节能减排方面具有明显优势。

图3 新能源动力系统对比

3.3 其他几种潜在能源形式应用前景

氢燃料电池以零排放、噪音低、转换效率高等优点著称，且被业界认为是解决环保问题的最终方向。无论是汽车行业还是船舶行业，氢燃料电池都属于重点研究范畴。近期，大连海事大学联合企业研发国内第一艘燃料电池游艇，标志着该技术在实船应用迈出关键一步。但现阶段，氢燃料电池功率有限，规模化推广还需时日。而且在PEM、GDL、催化剂等关键材料或核心组件方面还需要技术攻关，制氢、储氢、加氢等环节链上还需要完善，使用成本仍需要降低。据有关资料显示，到2035年，国内氢燃料电池系统生产成本有望下降到当前1/5（约800元/kW）。

近年来，太阳能光伏系统在小型船舶应用较多，但受制于天气和区域等外部影响较大，只能作为辅助动力或者局部系统动力。太阳能本身能量密度不高，同时还需要考虑光伏转化率低、与储能装置的匹配和运行模式切换等问题。

超级电容具有充放电响应快、功率密度高、循环次数久（十万到数十万次）、温度范围广、抗冲击性能好等特点，一般多用于短程等。但其能量密度低，不能进行大容量储能，配合储能电池使用效果更优。而且，短期内高昂的价格也是影响超级电容规模使用的瓶颈之一[5]。

4 纯电池动力系统特点及应用在港作拖轮上的优势

4.1 纯电池动力系统特点

纯电池动力系统完全采用锂电池作为主动力源，这是与常规船舶动力系统最大的区别，给船舶动力系统带来革命性的变化。基本架构为电池提供直流电源经DC/DC模块稳压后供给直流母排，再经DC/AC模块将直流逆变为交流供给推进电机和低压负载使用。如图4所示，这种方式相较于各类柴电混合动力系统架构简单、占空间小、布置方便、投资少、易于维保等特点，没有了柴油发电机组或主机，可以实现真正意义上的零排放、零污染和超静音，舒适度和节能环保优势更加明显。而且，纯电池动力系统智能化和自动化程度很高，可以大大减轻人员工作强度，对实现无人机舱乃至无人驾驶均提供了良好的试验平台。

图4 纯电池动力拖轮动力系统示意图

4.2 纯电池动力系统在港作拖轮上的应用优势

实际上，如果给纯电池动力船舶精准定位，续航力也并非是首要考虑的因素，比如用于固定航线的岛际班轮、港口作业拖轮等。这好比上下班通勤用的电动汽车，一旦明确使用目的和工作环境，续航问题完全可由使用者掌控，港作拖轮的作业情况也是如此。

电动推进系统采用电动机直接驱动全回转舵桨，调速范围大、扭矩响应速度快，转速调节速度快、调速精度高。推进电动机可频繁进行加减速和正反转操作，这样紧急状态时的反应时间更短，进一步增加了安全性。与此同时，由于机动性好，操纵灵活，拖轮作业的工作效率也将大大提高。

纯电动推进系统由于采用变频控制，低速下可以获得较大扭矩，对于具有强制散热措施的推进电动机，在零转速都能获得额定转矩，这种特性有利于拖轮实现以稳定低速接近目标，靠离码头。螺旋桨不受原动机转速的限制，机动性能更好。

电力推进堵转特性好。港作拖轮长期在港口内运行，难免会遇到渔网或水下绳索的缠绕。短时间内电动机可以保持堵转状态，持续一段时间后变频器进行堵转停机保护，保护设备和船舶安全。

船舶振动噪声主要来自燃气机、柴油机等热机。推进电动机由于转矩平稳，振动噪声水平较低。另外，设备可分散布置，通过合理的舱室布置也可以降低重要舱室噪声。

港作拖轮具有平均负荷低、作业范围有限（航程短）、平均作业时间短、间歇作业、常规时间码头待命（有充电时间）等特点，与纯电池动力系统放电范围宽广、低放电率寿命更长、占地小、续航弱等特征相吻合，因此纯电池动力系统应用于港作拖轮具有一定的优势。

据统计，连云港4000 HP纯电拖轮配备5000 kWh磷酸铁锂动力电池组，试运行期间2 h可充满电，作业时长10 h左右。即充电一次可满足全天作业需要，靠码头期间也可随时补电。拖轮运营一年时间，相比常规柴油机拖轮年均可节省燃油约300 t，相当于减排二氧化碳900 t。从试运行情况来看，环保效益和经济效益相比较传统拖轮优势明显。

5 结论

港作拖轮其特殊的航行区域和作业模式，高度吻合纯电池动力船舶的适用场景。结合目前绿色低碳港口岸电配套设施的使用，可大大降低船舶建造周期和使用成本。纯电池动力港作拖轮具备其他能源形势拖轮有着较大的优势，且随着电池价格降低和单位密度容量的提升，其会具备较为广阔的应用前景，对港口节能减排具有促进作用。

[1] 周镇海. 浅析纯电动船的应用前景[J]. 中国水运, 2020(11): 109-110.

[2] 刘星辰, 盛进路. 内河纯电动船舶航运的适应性及发展[J]. 船电技术, 2021, 41(06): 19-22.

[3] 刘应都, 郭红霞, 欧阳晓平. 氢燃料电池技术发展现状及未来展望[J]. 中国工程科学, 2021, 23(04): 162-171.

[4] 陈刚, 张思全. 超级电容和锂电池技术在船舶电力推进系统中的应用研究概述[J]. 工业控制计算机, 2015, 28(08): 157-158.

[5] 唐柳, 盛进路. 基于SWOT分析的我国内河纯电动船舶发展策略[J]. 船电技术, 2021, 41(06): 15-18.

Study on the Application of Pure Battery Power System in Craft Tugs

Lu Xiang1, Zhang Zhang2, Li Wenhao1

（1. Lianyungang Port Holdings Group Co., LTD, Lianyungang 222000, Jiangsu, China; 2. Lianyungang Port Group Co., Ltd. Tug&Barge Branch, Lianyungang 222000, Jiangsu, China)

U469.72

A

1003-4862（2022）08-0053-04

2022-01-17

卢翔(1985-)，男，工程师。研究方向：船泊与海洋工程。E-mail: 29599160@qq.com