環衛集裝箱船的新能源技術應用研究

范金健 耿聰

摘要：隨著國內對船舶綠色環保要求的重點關注，以及智能技術的快速發展，內河航運已經具備電動化的基本條件，綠色智能船舶將是船舶發展更新換代的主流趨勢。

關鍵詞：新能源;純電動力系統;環衛集裝箱船

目前國內鋰電池動力船舶的容量一般控制 5000KWh 以下，其續航里程受充電裝置、充電時間的限制。 基于此，本課題的總體目標主要著眼于前瞻性研究，同時依據上海當前內河航道的通航要求，重點分析內河500噸級（27TEU）環衛集裝箱船的純電池動力系統，以滿足城市生活垃圾集裝箱運輸集運系統的新能源升級。

一、國內純電池動力船舶發展趨勢

近年來，我國已在內河電動船舶的關鍵技術上取得較大突破。磷酸鐵鋰電池以其高安全性、長壽命、低成本、性能均衡等多方優勢成為現階段船舶動力電池的最優選擇。基于安全性和經濟性，磷酸鐵鋰電池適用于我國電動船舶，諸多船用電池廠家的動力電池產品通過實驗測試，獲得了中國船級社認可證書。且充放電倍率達到20C，船舶啟動加速及動力操控性更好，已經具備了在船舶上推廣應用的技術條件。

國內電池動力船舶應用推廣基礎條件逐步形成。借鑒最新國內電動船舶應用實例，電力推進系統成為我國內河電動游船主流的動力系統，采用直流電力推進+全回轉舵槳組合形式。目前國內純電池動力船舶的關鍵技術是動力電池技術和電力推進直流組網技術。

二、純電池動力船舶的技術特點

電池動力船舶技術是將傳統的以柴油機作為動力源的機械推進改為由動力電池為動力源的電力推進技術， 不需要配備排放和污染大的柴油機，改由動力電池為船舶提供能量源，在航行過程中無污染物的排放，可實現船舶“零排放”的目標。

2.1電池技術成熟穩定

目前磷酸鐵鋰電池的應用相比較于車用電池，應用于電動船舶上的磷酸鐵鋰電池需面臨較多技術驗證和更嚴的規范標準，主要持證要求包括：鋰離子單體電芯、鋰離子電池模塊、鋰離子電池包、電池管理系統、鋰離子電池系統。這些通過中國船級社（CCS）認證符合我國法定檢驗要求。

原材料：采用磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰具有非常高的安全性，能量密度相對也較高，熱失控溫度在 800 度，并且即使熱失控也能保證不起火不爆炸不蔓延。

溫度調節：寧德時代電池智能熱管理系統保障電池能在-30℃～60℃高效運行。若環境溫度過低，可在 15 分鐘將電池溫度從-20℃升至 10℃。

智能管理：電池智能管理系統能 24 小時掌控電池健康狀態，提前識別不健康電池;并且精準預測剩余電量，降低運行里程跳變的困擾。

電動船的使用環境對動力電池的安全性具有極高的要求。電池的安全性是系統安全性的根本。船用情況下，電池系統總儲能大，阻止電芯之間、模塊之間的熱失控傳播，將系統級安全問題化解至單元可控級別是系統安全性的關鍵。

船用領域艙室空間相對于車用更為富余，給熱失控和熱失控傳播阻斷的防范結構提供了大量空間。輔以艙室隔離、滅火系統、隔熱材料等措施，可以避免系統級安全問題。

2.2動力系統全面升級

船舶的動力系統類型主要有常規主機推進、柴電推進和新能源推進。相比于傳統柴油機推進系統，純電池動力系統取消了油、水、氣的復雜系統，精簡了船舶系統，降低運行成本和維護管理的強度。純電池動力系統還具有良好的環保效果，零污染、零排放、噪音低、振動低等優點，能滿足 CCS《內河綠色船舶規范》（2020）綠色船舶Ⅲ最高等級要求，可以將船舶對環境的影響降到最低。

純電池動力系統的基本配置包括：

儲能系統：滿足動力性、安全性

電池消防系統：艙室消防模式

配電系統：直流組網設計、能量回饋制動、冗余設計

推進系統：軸系、Z 型、吊艙、無軸環推、直翼槳等

定制化充電系統：直流接入+簡易式搖臂+模塊化充電槍接入;充放電機械連鎖;岸電、船電充電握手確認

綠色動力系統設備

三、新500噸級環衛集裝箱船的關鍵技術

3.1、集裝箱式移動電源

新船配置 3TEU 移動電源箱，移動電源箱采用 20 英尺標準集裝箱，箱式電源包含 2 個獨立的相同配置的電池組，電池組獨立對外充放電。 每個電池組由 5 個相同配置的電池簇并聯，由1 個組管理箱（匯流柜）管理。每個電池簇由 6 個蓄電池包與 1 個簇管理箱（簇高壓箱）串聯而成。

電池組技術參數：組合方式 LF280-5P180S、標稱電壓 DC576V、標稱容量1400Ah、電壓范圍 DC522～DC630V、標稱能量 806.4kWh、重量約 6.7t（含電池系統）、充放電相同接口。

電池管理系統（BMS）經CCS 型式認可，主要包含BSU（BMS 從控單元）、SBSU（BMS 安全功能從控單元）、BCMU（電池簇管理單元）、BGMU（電池組管理單元組成 3 級系統。

3.2、主推進裝置

主推進裝置的選型主要包括：

（1）常規的全回轉舵槳裝置（含側推裝置），配套交流變頻電動機驅動。

（2）先進的吊艙推進器（又稱 POD 推進器），集推進和操舵裝置于一體，極大地增加了船舶設計、建造和使用的靈活性，使電力推進的優越性得到了更充分的體現。吊艙推進器一般由永磁電機、導管、螺旋槳和控制器等組成。

（3）新型的無軸電力環型推進器（與永磁同步電機一體化），配套電機控制器，其調速方式為變頻調速，同時實現舵槳一體化的集成，有利于簡化機艙的空間布局，降低機艙設備的故障數量。

環型推進器將殼體做成導管的形狀，產生額外的推力，具有比舵槳和傳統推進器更高的效率。環推結構主要技術特點：（A）輪緣式電力推進器由永磁同步電機、推力和徑向軸承、螺旋槳、導管組成;（B）螺旋槳直接固定在永磁同步電機的轉子內圈;（C）推力軸承固定在定子上，承受螺旋槳的推力;（D）電機定子和轉子均由防腐蝕材料緊密包裹，不與水直接接觸 。

3.3、配電系統

配電系統主要包括：雙向 DC/DC、整流器、日用逆變器、直流母排配電柜、交流配電柜、電能管理系統（PMS）、高性能 PLC/多種現場總總線等。

新型純電動力電力推進系統采用直流組網設計，使用目前成熟可靠的工業產品，大大簡化能量傳遞系統。不存在無功功率平衡和穩定問題，可靠性更高，不會產生交變電磁場，輻射小，無電網諧波。

采用專用變頻器能量回饋制動單元，針對船用大慣量負載，將電機在制動過程中產生的 97%再生電能量回饋給電網，并通過儲能單元進行能量回收。電機制動時可快速向儲能單元回饋電能進行反饋制動，大大增強電機的制動功能，可以快速地實現推進電機的正反轉控制。臺架試驗數據論證，空載時電機的 100%正轉至 100%反轉時間小于 3S，滿負荷時從電機的 100%正轉至 100%反轉時間小于10S。

3.4、船舶自動化系統

考慮安裝智能機艙模式設置，主推進控制系統包括：全觸屏推進控制面板、全自動電池供電切換、多種推進模式選擇、電池系統監控面板、本地及遠程參數設定等，通過高性能PLC實現定制一體式駕控臺的手柄操縱和監測報警，設置人機界面/遠程支持/故障診斷、推進操縱/儀表/報警。其它還包括：全船綜合報警系統、電能管理系統、船岸通訊及CCTV（可選）、全船網絡系統（可選）。

當前，“碳中和”正在成為全人類的共同命題。城市生活垃圾集裝箱運輸的新能源綠色集運系統是當前城市物流集疏運體系建設的重要環節。 上海城投環境（集團）有限公司積極踐行綠色發展理念，在長江經濟帶高質量發展政策的引導和支持下，充分發揮自身優勢，加強綠色化、智能化環保船型的研發，不斷提高水路固廢轉運的效率水平， 重視純電動船舶產業鏈多環節的資源融合，形成產業發展的長效機制，為推動船舶智能綠色發展做出新的貢獻。

作者簡介：范金健 高級工程師 建造師 ，供職于城投環境（集團）有限公司資產管理部

耿聰 副總經理、經濟師 ，供職于城投環境（集團）有限公司資產管理部