基于電力推進的小型船舶動力系統(tǒng)設計

江和耀 劉冠輝 劉家勝

摘 要：響應“綠色航運”、“綠色船舶”等的環(huán)保節(jié)能理念，針對內燃機推進船舶存在廢氣和油污污染問題，研究和設計了一種基于電力推進的小型船舶動力系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)組成方案，詳細分析了推進系統(tǒng)中推進電機和動力電池組的相關參數(shù)的計算方法。

關鍵詞：船舶動力；電力推進；系統(tǒng)設計

中圖分類號：U664.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）21-0038-03

Abstract： In response to the concept of environmental protection and energy saving of "green shipping" and "green ship"， in view of the problem of exhaust gas and oil pollution in internal combustion engine propulsion ship， a small ship power system based on electric propulsion is studied and designed. The composition scheme of the system is put forward， and the calculation method of the relevant parameters of the propulsion motor and the power battery pack in the propulsion system is analyzed in detail.

Keywords： ship power； electric propulsion； system design

1 概述

2006年起，國際海事組織（IMO）《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL）附則六“防止船舶造成空氣污染”及其修正案，對船舶的氮氧化物、硫氧化物和顆粒物等污染物排放最大標準及油耗收集機制做出規(guī)定。2015年，我國交通運輸部發(fā)布《珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實施方案》。在船舶制造和研究的領域，隨著“綠色航運”、“綠色船舶”等的環(huán)保節(jié)能理念的影響，純電能動力船艇的研究力度加大，進展日漸引人矚目[1]。

小型船舶的電動推進系統(tǒng)/裝置可廣泛應用于執(zhí)法公務艇、游艇、渡輪等小型船舶。隨著功率器件和交流調速技術應用的普及，電力推進技術迅速發(fā)展，已具備向中小型船舶動力系統(tǒng)應用的技術基礎和經(jīng)濟可行性。本文針對某型小型船舶，研究和設計了一種基于電力推進的小型船舶動力系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成

小型船舶電力推進動力系統(tǒng)主要由動力蓄電池組、推進電機、電機控制器等部分組成，各組成部分通過通訊總線、高壓線束、低壓線束連接，系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

動力蓄電池組由電芯模組和電池管理模塊組成，為小型船舶電力推進動力系統(tǒng)的主動力來源，為電機控制器提供動力電源，電機控制器推進電機旋轉做功，經(jīng)過齒輪箱、尾軸等機械傳動部分，最終拖動螺旋槳選裝，驅動船舶前行。操縱部分通過通信總線向電機控制器下達轉速指令，并監(jiān)測電池組和電機的狀態(tài)。充電機采用岸基充電方式，船舶停靠碼頭時可以為動力電池組充電。

3 主要技術指標設計

某小型船舶主要參數(shù)指標如表1，采用燃油動力的同型船舶試驗參考數(shù)據(jù)如表2。

3.1 電機參數(shù)設計

3.1.1 電機額定轉速

船舶主機轉速可按下式計算：

式中：N-主機轉速，單位r/s；Vs-航速，單位m/s； i-齒輪箱減速比；Sr-滑失比；P-螺旋槳螺距，單位m。

水是柔性介質，所以螺旋槳在水中旋轉一周沿軸向實際行進的距離，即進距hp小于螺距p，這個距離差稱為滑失。滑失比可按下式計算

其中：p-螺距，單位m；hp-進距，單位m。

進距hp按下式計算：

根據(jù)表2試驗數(shù)據(jù)帶入式（2）和式（3），計算得Sr=0.204。

則根據(jù)式（1）計算可知，最大航速為30km/h時，電機對應轉速為31.25r/s，即1875r/min。由于船舶可以在最大航速下持續(xù)航行，故最大航速時對應的電機轉速為電機的額定轉速。考慮傳動效率、間隙等因素，取10%的余量并取整，則電機額定轉速可取2100r/min。

3.1.2 電機額定扭矩

進速比是關系螺旋槳推力和扭矩的一個無量綱參數(shù)[2]，定義為

式中，Vp-進速，即螺旋槳相對水流的速度，單位m/s；n-螺旋槳轉速，單位r/s；D-螺旋槳直徑，單位m。

螺旋槳相對水流的進速Vp小于航速，這個減少的速度為伴流速度，伴流速度的大小取決于船方型系數(shù)、螺旋槳盤面比等參數(shù)。

作為推進電機負載的螺旋槳是以其轉矩q作用到異步電動機上的[3]，則電機扭矩T（N·m）可表示為：

式中：q-螺旋槳扭矩，單位N·m；Kq-螺旋槳扭矩系數(shù)；ρ-水的密度，單位kg/m3。

螺旋槳扭矩系數(shù)Kq與進速比J有關，對應關系見圖2螺旋槳敞水特性曲線[4-5]。

取Vp=0.6Vs。依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，按照式（4）計算進速比，可得J=0.585，結合圖2，可得Kq=0.038。帶入式（5）計算可得電機在額定轉速為1875r/min時對應的輸出扭矩為233.5N·m，考慮不同水域水的密度差異，以及傳動間隙和效率等，取10%的余量并取整，則電機額定扭矩為260N·m。

3.1.3 電機額定功率

電機額定功率按下式計算：

當電機額定轉速為2100r/min，輸出扭矩為260N·m時，電機額定功率為57.2kW。

3.2 電池組容量估計

電池組總容量按下式計算：

式中：Q-電源系統(tǒng)總容量；W-負載功率；t-續(xù)航時間；ρ-電池能量轉換效率，按0.98計；f-電池放電率，按0.85計。

航速15km/h時，指標要求續(xù)航時間/里程為5h/75km，按照3.1節(jié)計算方法可得，此時電機輸出功率為5.7kW。代人式（7），則電池組容量為34.2kWh。

4 結論

本文針對某型小型船舶，設計了一種小型船舶電力推進動力系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)組成，并詳細分析了推進系統(tǒng)中推進電機和動力電池組的相關參數(shù)的計算方法。通過該方法計算出的結果，可以作為動力系統(tǒng)中電機和電池組研制或選型的依據(jù)。

參考文獻：

[1]丁晨雷，康偉，褚建新.小型船舶綠色動力電池推進系統(tǒng)研究設計[J].上海造船，2011（2）：38-46.

[2]馬繼先，陳源，陸振偉.船舶電力推進系統(tǒng)螺旋槳負載的建模與仿真[J].電子設計工程，2014，22（1）：56-59.

[3]趙紅，郭晨，吳志良.船舶電力推進系統(tǒng)的建模與仿真[J].中國造船，2006，47（4）：51-56.

[4]陳源.小型船舶電力推進裝置系統(tǒng)仿真研究[D].江蘇科技大學，2014.

[5]R.Abdelli， D.Rekioua， T.Rekioua. Performances improvements and torque ripple minimization for VSI fed induction machine with direct control torque[J]. ISA Transactions， 2011，50（3）： 213-219.