基于直翼全向推進的純電力船舶設計應用

作者簡介：黃文禮（1988—），工程師，研究方向：船舶法定檢驗。

摘要：針對直翼全向推進的純電力系統在船舶上的設計和實際應用問題，文章以公務巡邏船作為對象，研究直翼全向推進器的優勢、電力系統組成、電池艙室布置以及規范要求，并結合船舶實際工況、水域情況，計算船舶的電力負荷。研究表明，選用合理的磷酸鐵鋰動力電池系統、直翼推進系統，通過有效的安全保護措施、合理的系統設計及容量計算，可以滿足船舶應用要求。

關鍵詞：直翼推進；純電力船舶；設計應用

中圖分類號：U664.14A581994

0 引言

隨著科學技術水平及工業化進程不斷提升，其發展過程中引發的環境問題也逐漸受到關注和重視，因此，加快清潔能源在船舶中的研發和應用，推進船舶的防污染及節能減排工作，是一項緊迫而勢在必行的工作。為應對綠色環保、可持續發展的形勢，國內外各大船企、船舶設計研究所正積極推動綠色環保的新能源新技術應用于實船。中國船級社（CCS）《內河綠色船舶規范》（2023）也進一步明確綠色船舶定義^［1］，同時也強調在保證船舶安全航行的前提下，實現船舶的低能耗、低碳排放、低污染、工作與生活的環境舒適^［1］。目前，內河電力推進系統主要用于小型船舶及游覽船上，運行模式較為單一。作業于桂林漓江水域的公務巡邏船，在設計時著重考慮其航行區域特性、作業工況復雜性、運行模式多樣性等特點，設兩臺90 kW全向直翼推進器，兩組548 kW·h磷酸鐵鋰動力電池組以及兩臺90 kW推進電機。

1 系統組成及布置

1.1 系統組成

該巡邏船主要是基于其復雜工況要求進行設計，系統組成包括磷酸鐵鋰動力蓄電池組、配電系統、直翼推進系統（包含電力驅動電機）等3個重要部分。動力電池組輸出端通過DC/DC穩壓器將電壓穩定在750 V后，經DC/AC逆變為400 V供給驅動電機。系統單線圖如圖1所示。

1.2 系統布置

受船型、工況及航道等因素影響，為保證船舶吃水、穩性等要求，推進系統（直翼推進器、驅動電機）布置在船舶艉艙左右兩舷，磷酸鐵鋰動力電池組分設兩個電池艙，其中之一布置在船首艙，配電板布置于主甲板上配電間。系統布置如圖2所示。

2 電力系統

本船是以磷酸鐵鋰電池為主電源的純電力推進船舶，整個系統由磷酸鐵鋰動力電池組、DC/DC穩壓器、DC/AC推進逆變器、DC/AC正弦波逆變器、三繞組隔離日用變壓器、BMS、750 V充電機及固定式七氟丙烷滅火系統組成。其直流母排電壓為750 V，電池總電量為1 096 kW·h。如下頁表1所示。

2.1 航行工況及電力負荷計算

根據船舶不同航行工況，EMS能夠對船舶電力系統整體電量需求進行有效分析，并制定不同的電能電量管理方案：（1）日常巡航模式，其續航力為14.5 h約210 km，當剩余電量（SOC）達到15%時發出報警，此時本船在巡航速度15 km/h下，還可以航行約2.6 h；（2）應急模式，根據規范要求，船舶主電源應能維持船舶航行及安全用電設備≥4 h。在日常巡航速度航行時，計算該船一組電池故障，剩余一組蓄電池能維持船舶安全設備用電6.81 h，需用電量466 kW·h。該船1組蓄電池容量為548.35 kW·h，剩余電量為15%，可滿足規范要求。其余電力負荷計算如表2所示。

2.2 磷酸鐵鋰動力電池

動力電池組選用具有高互換性、模塊化設計的磷酸鐵鋰電池；全船共設102個電池包，每個電池包內設1個BMS控制單元；17個電池包通過串聯和并聯組成1個電池簇，每個電池簇內設1個高壓管理盒；每3個電池簇串聯組成1個動力蓄電池組。日常使用時，2組電池組并聯在直流母排上進行充放電，為船舶主推進系統及日用負載設備供電。動力磷酸鐵鋰蓄電池組主要參數如表3所示。

3 全向直翼推進系統

3.1 水域特點

漓江水域水文特征是河床灘潭相間，灘長潭深，枯水期間，河灘水深≤1 m，桂林至陽朔段落差大，且流速快，存在夏漲冬枯、暴漲暴落的情況。航道屬于內河C級航區，桂林段水深為0.75 m，航道寬度為12～15 m；陽朔段水深為0.65 m，航道寬度為10 m。受航道水深及寬度影響，對船舶操作性能要求很高。

3.2 全向直翼推進器

船舶推進器是海工裝備的核心之一，其性能優劣直接影響海工裝備的性能好壞。直翼推進器也稱擺線推進器、直葉推進器、豎軸推進器等，是一種垂向設置回轉軸的新型特殊推進裝置，具有快速的響應速度、良好的推進性能、高效的推進效率，能夠適應多種不同工況、特殊工況，并且還可以在內河淺水中使用。同時，該推進器還具有舵的功能，因此設置此類推進器的船舶無須再安裝舵。除此之外，電力推進船舶搭載直翼推進器還可以省去齒輪箱、中間軸、螺旋槳軸等設備，這對于需要控制船舶吃水的內河淺水航區船舶來說，無疑是非常重要的。直翼推進器如圖3所示，直翼推進器布置如圖4所示。

4 電池艙布置及消防

4.1 電池艙布置

磷酸鐵鋰動力電池組在船上應用時，其蓄電池間（艙、柜）應安裝在一個可控的環境中。從電池效率、使用壽命等方面考慮，一般情況下，磷酸鐵鋰電池組長期工作溫度為：充電0 ℃～45 ℃，放電-20 ℃～55 ℃^［3］，同時磷酸鐵鋰電池在受到碰撞、進水、高溫等影響也極易產生爆炸危險。根據中國船級社（CCS）相關要求，電池艙布置應滿足以下要求：（1）蓄電池艙（間）應采用適用的、安全可靠的機械通風（如防爆型風機）或其他有效的溫度調節裝置，且該通風裝置應與其他艙室通風完全的獨立，通風口還應具有防止水、火焰進入的功能；（2）≥20 m的船舶，電池包（箱）與艙壁的間距應≥150 mm，距離其上方甲板應≥500 mm（通風散熱），與船體外板水平間距≥500 mm（防撞）；（3）電池間不應安裝與蓄電池無關的熱源或其他的電氣設備，如需安裝時，應該盡可能地遠離蓄電池（包、組）安裝且進行必要的通風計算；（4）與電池艙（間）相鄰處所的艙壁、甲板應設置“A-60”防火分隔，且起居處所等應遠離電池艙（間）；（5）電池艙內應提供人員安全脫險的通道，應設有直接通向開敞甲板的出入口，且起居處所不能設置通向電池艙（間）的門、開口等。

4.2 電池艙消防

磷酸鐵鋰電池是一種極易燃燒和爆炸的物品，為將電池艙中的火災或爆炸抑制、控制甚至于撲滅在艙室內，其消防布置須滿足中國船級社（CCS）相關要求：（1）固定式探火系統，能在電池艙任何部位正常工作狀態和環境溫度變化下，迅速探測出火災的前兆，通常應設置為感煙式或者感溫感煙式組合的探火系統；（2）失火報警系統，當電池艙失火時，應能在經常有人值班的處所發出聲光報警；（3）應設置固定式七氟丙烷滅火系統對電池進行保護，同時還至少配備4具手提七氟丙烷滅火器；（4）出入口附近應設消防栓一只，水槍應為水柱/水霧兩用型。

5 管理系統及充電

5.1 BMS

電池管理系統（BMS，Battery Management System），作為電池系統電氣或熱性能管理的核心部件，其主要功能是負責電池充放電、單體電池間的均衡控制，對單體電壓、溫度、串聯回路電流等進行監測，并對外輸出監測報警、降功率停機等信號，一般由荷電狀態（一般也稱為剩余電量SOC，state of charge，取值范圍為0～1，當SOC=0時表示電池完全放電，當SOC=1時表示電池完全充滿）估測、動態監測、電池均衡等模塊構成。BMS主要功能分析如表4所示。

5.2 EMS

能量管理系統（EMS，Energy Management System），主要負責全船能量管理，由管理單元和人機接口（HMI，Human Machine Interface）組成。EMS對電池系統進行監視、控制、保護，實現對電池系統、推進系統、逆變電源、岸電充電電源以及其他負載的協調運行管理。此外，該系統還具有故障報警和處理功能，可以有效地幫助系統和用電設備實現最佳的電力配置。為保證對負載的連續供電，在配電系統出現故障時，EMS會根據程序設定，采取安全、有效的管理策略避免船舶電站失電。

5.3 充電

基岸配套安裝船用直流充電樁1套，并配有4把國標充電槍（規格：輸出DC750V/250A）。充電樁與BMS之間使用CAN（CAN，Controller Area Network）進行通信，采用國標通信協議。當船舶需要充電時，充電樁發送報文至BMS并與其握手成功后，BMS將電池狀態、電壓、溫度等通過數據傳輸協議反饋至充電樁，確認所有數據傳輸無誤開始充電。因此，BMS可以實現對充電樁充電電流大小、充電時間等進行實時監測及控制。根據規范要求，充電設備應在10 h內將動力電池從完全放電狀態充至其額定容量。根據動力電池充電特性及最大允許充電電流0.5 C要求，使用3把充電槍及以下給電池充電時，每把槍允許的最大充電電流為250 A；使用4把充電槍同時充電時，每把槍允許的最大輸出電流為210 A，此時將全船電池充滿電約需2 h，可以滿足規范要求。充電設備主要參數如表5所示。

6 結語

隨著科技的飛速發展，交流電機的變頻調速、直翼推進器的技術日臻完善，使得基于直翼全向推進船舶具有更出色的機動性、操控性，而且布置靈活，可以有效地節約艙室空間，同時也更加節能，這些優勢使得直翼全向推進電力系統在船舶中的應用前景也更加廣闊。

參考文獻

［1］中國船級社.內河綠色船舶規范［M］.北京：中國船級社，2023.

［2］中國船級社.純電池動力船舶檢驗指南［M］.北京：中國船級社，2019.

［3］中國船級社.鋼質內河船舶建造規范［M］.北京：中國船級社，2016.

［4］中國船級社.公務船技術規則［M］.北京：中國船級社，2020.

［5］中國船級社.無人水面艇檢驗指南［M］.北京：中國船級社，2018.

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