碳中和背景下江蘇內河船舶充電站技術研究

李 虎

(江蘇省無錫交通高等職業技術學校，江蘇 無錫 214151)

0 引言

電動船舶使用電能替代傳統燃料，使用電力驅動替代傳統機械推動，可以降低船舶排放污染、減少船舶運營成本、大幅降低噪聲和振動、提升乘坐舒適性[1]。目前國內電動船舶尚處于起步階段，應用范圍和數量也比較有限，多以內湖、沿海的旅游船、輪渡船、城市夜游船為主[2]。2017年，廣州市標準化院參與研制的聯盟標準《內河雙電(鋰離子蓄電池、超級電容)純電動船電力系統》正式發布，為內河電動船舶設計提供了技術參考。中國船級社(CCS)于2019年頒布《純電池動力船舶檢驗指南》(下文簡稱《指南》)，進一步規范電動船舶發展?！吨改稀飞婕半妱哟俺潆娧b置應設有機械聯鎖、充電溫度監控等安全要求，未涉及船舶充電樁裝載量內容。

目前，電動船舶使用的充電樁多以現有的比較成熟的汽車行業用充電樁引用，雖然這種方式是發展電動船舶充電樁的較好思路和途徑，但是也面臨著與船舶的特殊應用場景不相符合的情況[3]，例如：充電時需補償靠泊船舶的6個自由度位移，防止充電電纜被拉斷；船舶裝載的電池量巨大，需要大功率充電樁或者多樁并聯，這些特殊情況都需要原有的汽車充電樁做出適應性的改造。本文調研江蘇省內河港口船舶企業，分析電動船舶工作模式及用電需求，計算充電樁容量，討論充電樁配置的可行性，同時進行充電站的總體技術設計。

1 電動船舶充電樁系統

1.1 基本概念

船舶的碼頭充電樁系統結構一般包括：碼頭變電站、變頻充電電源、充電樁、船端受電接口、儲能系統(電池電容)，見圖1。

①—電網；②—變電站；③—變頻電源；④—電纜絞車(滾筒)和充電插頭；⑤—受電插座；⑥—動力電池、電容。

充電樁的輸入端與交流電網直接連接，輸出端都裝有充電插頭用于電動船舶充電。充電樁一般提供常規充電和快速充電2種充電方式，可以使用特定的充電卡在充電樁提供的人機交互操作界面上刷卡使用，進行相應的充電方式、充電時間、費用數據打印等操作，充電樁顯示屏能顯示充電量、費用、充電時間等數據。

目前，市場上用于電動汽車的充電樁主要分為直流快充和交流慢充。對于電動船舶來說，電池容量更加巨大，并且充電時間受限，充電功率也比電動汽車更大，因此發展電動船舶的直流充電樁也是未來主導方向。

1.2 技術局限

電動船舶充電樁除了跟隨電動汽車的充電樁技術發展外，當前還應解決以下問題[4]，見表1。

表1 電動船舶充電樁需要解決的問題

2 需求調研及分析

先后調研江蘇省省港集團、江蘇省港航中心、南京港、鎮江港、南通港、張家港、江蘇省遠洋集團公司、中集東瀚航運公司等單位，將船舶類型按照噸位、航行距離、?？繒r間、用電功率等進行分類，分析其新能源(蓄電池、超級電容)的可能的動力配置方案，進而分析充電需求。船舶企業按照船舶數量、擁有碼頭情況、盈利能力等進行分類，分析實施充電船舶的可行運營模式。根據調研的船舶，主要考慮以下分類：內河集裝箱船、內河雜貨船、公務船、港作拖船、輪渡船、旅游船。

2.1 內河集裝箱船調研情況

內河集裝箱船調研情況見表2。

表2 內河集裝箱船調研數據

根據表2內河集裝箱船調研數據情況分析集裝箱船的耗電量需求，以及電池裝船的可行性。內河集裝箱船通常航速為10 km/h左右，100箱船一般配備300 kW的動力，200箱船一般配備550 kW的動力，300箱船一般配備650 kW的動力，500箱船一般配備1 000 kW的動力，由此可以得出各類型的箱船需要的電池裝載量，見表3。

表3 內河集裝箱船電池裝載量分析 單位：kWh

由上述分析可見，集裝箱船要保證最短100 km的航線，需要的電池數量還是比較大的。為了避免電池占用過多載重空間，最好設置中途的多次充電或者換電。根據調研的集裝箱船運行情況，運營排班比較密集，每次停靠碼頭充電或者換電，應該盡量將時間控制在30 min以內。如果選擇直接向船舶充電，則充電樁應具備大功率快速充電的能力。以100箱以下集裝箱船為例，單次充電應至少保證100 km續航能力，因此至少需要配備6 000 kW充電設備。如果選擇采用換電的方式，則充電樁可以減小功率，但是至少也應保證500 kW的充電功率。從實際情況看，集裝箱船采用換電方式較為可行。

2.2 內河雜貨船調研情況

內河雜貨船調研情況見表4。

表4 內河雜貨船調研數據

根據內河雜貨船調研數據可知：內河雜貨船500 t船一般配備120 kW的動力,航速約8 km/h；800 t船一般配備250 kW的動力,航速約10 km/h，1 000 t船(15 km)一般配備550 kW的動力,航速約15 km/h；2 000 t船一般配備700 kW的動力,航速約15 km/h。由以上數據算得各類型箱船所需電池裝載量，見表5。

由上述分析可見，500 t及以下小船型雜貨船，200 km以下短航線工況時，所需裝機的容量不高，可在航程起點、終點處設置充電樁。若兩端設置1 500 kW充電樁，則需1 h充滿；若設置3 000 kW充電樁，則需0.5 h充滿。其余情況下，采用換電的方式更為可行，或在船舶航行的途中利用快充技術補電。

表5 內河雜貨船電池裝載量分析 單位：kWh

不論船型大小，采用換電還是充電技術，都需要保證船舶的航線是固定的。雜貨船的航行類似于班輪性質，這是實現一切的基礎條件。

2.3 內河公務船調研情況

內河公務船調研情況見表6。

表6 內河公務船調研數據 單位：艘

由內河公務船調研數據可知，公務船的種類繁多，航行工況不固定，按每天工作2～3次來計算能量需求，見表7。

表7 內河公務船電池裝載量分析 單位：kWh

由表7可見：公務船單次航行時間短，工作頻次較低，需要配備的電池數量不多，適合采用純電動方式；充電時間較為寬裕，可以配備較小的充電樁；預計配備200～500 kW的充電樁可以滿足條件。

2.4 港作拖船調研情況

港作拖船調研情況見表8。

表8 內河港作拖船調研數據 單位：艘

港作拖船一般單次作業1.5 h，作業后可以返回碼頭充電。750 kW港作拖船配備2 000 kWh電池，1 500 kW港作拖船配備3 000 kWh電池，3 000 kW港作拖船配備5 000 kWh電池，4 500 kW港作拖船配備7 000 kWh電池。港作拖船晚上充電時間較為充足，白天補電要求快速充電，可以采用快充2 h、慢充8h的補電方式。慢充充電樁充電功率約為800 kW、快充充電樁充電功率約為4 000 kW，可以滿足要求。

2.5 輪渡船調研情況

輪渡船調研情況(江蘇省輪渡協會提供數據)見表9。

表9 內河輪渡船調研數據

輪渡船單次停靠15～20 min后出發，最大容忍?？繒r間30 min，預留充電時間20 min；也可以在輪渡停航期間充電，預計充電時間為3 h。輪渡船單次航次用電量較小，約為200～400 kWh，但充電時間較短，應具備1 000 kW左右的充電功率。

2.6 旅游船調研情況

內河旅游船調研情況見表10。

表10 內河旅游船調研數據

旅游船工作頻次較低，景區內旅游船一般每天工作4～8次，城市夜游船每天工作1～2次；充電時間充裕，可以在夜間停航期間充電8 h以上，一般配備100～3 000 kWh的電池。因此，對于充電樁的要求較低，具備200～500 kW的充電功率即可。

3 關鍵技術研究

3.1 充電站總體設計技術

3.1.1 計算充電站容量

(1)根據船舶的運行工況得到船舶的總耗能、單程耗能或階段性耗能，再根據能耗值和工況得到充電時間和船舶蓄電池基礎裝載量。基礎裝載量按一定比例(一般為115%～120%)計算工程裕量[5]。

(2)由工程裝載量和船舶充電時間，計算設計出充電站的基礎容量。

(3)根據調研結果和需求分析，充電樁容量標準制定為200、500、1 000、1 500、2 000、3 000 kW，可以滿足大部分船舶使用。

(4)為了避免對電網帶來沖擊，充電站系統需要根據國家電網的要求取得入網許可證，計算沖擊負荷對電網的影響。

3.1.2 充電站的總體設計

充電站的總體設計應該根據浮動碼頭或者固定碼頭的不同情況選擇電纜絞車。電纜絞車一般都具備張力平衡裝置，防止電纜拉斷，同時保證較多的線纜拉伸余量以應對船舶的移位。充電插頭目前最大容量為630 A。大功率充電樁需要多個并聯插頭，因此充電插頭的選擇還需要考慮是否頻繁插拔和插頭是否方便插拔。

充電站應設置充電管理系統，整體協調各個部件的操作邏輯關系和執行保護動作。充電管理系統與電池管理系統聯絡，共同完成電池充電過程[6]。

3.2 充電站機械結構設計技術

充電站從機械結構上可以分為有線充電、無線充電；從接口類型上可以分為圓孔插頭型、方形銅排型；從操作方式上可以分為手動插拔型、自動插拔型。充電站設計時應首先考慮各組成部分的機械結構要求，如：電源變換裝置的規格、充電樁的規格，插頭插座、碼頭補償裝置等連接件的規格。

交通運輸部禁止無線充電裝置在船舶充電的應用，因此本文分析有線充電方式。充電站系統中變頻電源、充電插頭、充電插座可以參考現有的岸電標準執行。由于碼頭情況復雜，輸送裝置需要補償船舶移位2～10 m的位移量，因此需要具備激光測距、伺服控制、精準定位、自動補償船舶移位的功能。

3.3 充電站電氣設計技術

充電站電氣設計需要根據船舶岸電和船舶電網的相關計算方法進行。安裝在船舶上的設備應該具備船級社認證證書，安裝在陸地上的設備需要具備國家電網的相關認證或者滿足岸電設備要求，安裝在躉船上的設備應該滿足船級社要求。船用電纜按船級社規范提出的計算標準，從船舶上連接到岸端的電纜按陸地電力建設的計算標準[7]。

充電站的電制要求，一般在變電房至變頻電源為高壓段6.6 kV或者10 kV，變頻電源輸出為低壓交流或者低壓直流，少數情況輸出為高壓交流，這樣的電制設計是符合實際應用場景。電氣設計的保護要求首先參照船舶岸電的相關標準，對連鎖保護、接地保護、冗余安全、操作流程等進行計算設計。此外仍需考慮的是充電過程的保護措施，這是船舶充電標準的新內容，此時的控制主體是BMS,應使用充電管理系統進行有效的程序保護。

4 結論

(1)深入了解了江蘇省內主要通行船舶的情況，并根據船舶和碼頭的實際運行情況，分析了采用純電池動力船舶的技術方案和充電樁配置的可行性，同時研究了充電站的技術路線和關鍵技術。

(2)該研究為電動船舶充電提供了安全保障，能夠推進江蘇內河電動船的發展，促進江蘇內河水運綠色發展。