电力推进技术在船舶上的应用

2017-12-11艾子涛李炎锋段文进

广东造船 2017年5期

关键词：蓄电池锂电池电机

艾子涛+李炎锋+段文进

摘要：船舶电力推进技术是有十分广阔的发展空间。本文对船舶电力推进的分类和发展现状作了介绍，同时对比传统的推进方式分析了电力推进的优势。

关键词：船舶；电力推进

中图分类号：U662.3 文献标识码：A

Application of Electric Propulsion in Vessels

AI Zitao， LI Yanfeng， DUAN Wenjin

（ Afai Southern Shipyard （ Panyu Guangzhou ）Ltd. Guangzhou 511431 ）

Abstract： The electric propulsion technology of vessels has broad prospects of development. This paper briefly introduces the classification and development status of electric propulsion and analyzes the advantages of electric propulsion compared with traditional propulsion.

Key words： Ship； Electric propulsion

1 引言

船舶使用电力推进的技术已有一百多年历史[1]。上世纪初，由德国、俄国引导的以蓄电池为动力源的电力推进技术在船舶上得到了应用，但由于成本、维护、保养等方面因素的制约，发展较为缓慢。从上世纪80年代起，随着推进电机、供电系统、蓄电池和微电子信息技术的迅速发展，电力推进在船舶上的应用得到了大力的发展。

电力推进系统的构成可以分为三类：蓄电池、推进电力组成的纯电池推进；机械原动机（柴油机、燃气轮机或核动力）、发电机、推进电机组成的原动机发电推进；机械原动机、发电机、蓄电池、推进电机组成的混合电力推进。

与传统的船舶机械推进方式相比，电力推进在振动噪声及操纵性方面优势明显。在政府“绿色能源”、“环保”、“零排放”的倡导下，电力推进将在船舶应用上具有广阔的前景。

2 电力推进的分类

电力推进就是船舶依靠自身配备的发电装置或储电设施获取电能来驱动电机、推进船舶运动的一种推进方式。驱动电机能量的来源可以是蓄电池或发电机，按能量提供来源分为3类。

2.1 纯电池推进

利用蓄电池（铅酸电池或者锂电池）作为电力供应源来驱动推进电机工作的一种推进方式。蓄电池的发展日新月异，铅酸电池已经成为过去，锂聚合物蓄电池、超级电容是近年来涌现的新型储能器件，其储能容量、使用寿命、安全性均达到了实船应用水平。

纯锂电推进采用以锂聚合物蓄电池为主、超级电容为辅的供电模式：当推进系统有瞬间强劲功率需求时，由超级电容供给能量；当系统需要稳定的功率输出时，则由锂电池供给；当系统有能量回馈（紧急制动或反转）时，瞬间回馈能量由超级电容吸收。超级电容和锂聚合物蓄电池储存的能量来源于岸电，运行工作时既不消耗燃料，也能实现零排放，是名副其实的“绿色推进”方式。

2.2 原动机发电推进

利用机械原动机带动发电机组发电来驱动推进电机工作的一种推进方式。在船舶上应用较为广泛，主机一般为中、高速柴油发动机。它往往安装在弹性基座上，以恒定转速运行带动发电机组，为电力推进系统正常工作运转提供能量。这种推进方式既避免了主机与船体有直接的连接，又不与轴系上的电力推进系统有任何联系，大大降低了传统推进方式带来的振动和噪声。

2.3 混合电力推进

介于纯电池推进和原动机发电推进中间的一种推进方式。在设备配置上，它既配备有蓄电池组，同时也有主机和提供推进电源的发电机组，两者均能独立地与电力推进系统搭配工作。采用这种推进方式主要是考虑其它两种推进方式的不足：纯电池推进需要大量的蓄电池组，价格昂贵且续航力有限，充电也不十分方便；原动机发电推进较传统推进方式大大降低了振動和噪音，但未能100%实现“绿色环保”，在某些河流尤其是旅游景区，发展受限。混合电力推进可以在局部流域采用纯电池推进，在紧急情况或条件许可的情况下采用原动机发电推进。

3 电力推进的发展现状

3.1 纯电池推进

过去的电池推进船多用铅酸电池作为电力供应源，其较低的能量密度和较长的充电时间，与内燃机船相比性能较差，实用性受到限制。锂电池作为一种新型电池，具备较好的适应性、安全性和便利性，符合当前以及未来对环境保护的要求。2013年起，我公司先后建造4条8～9 m的纯电池推进的铝合金游艇，推进设备布置如图1所示。采用动力锂电池组及其控制管理系统作为船舶电力推进系统的动力电源，推进锂电池组的总容量为44 kWh，锂电池重量约为490 kg，锂电池配套的管理系统（BMS）外带强大的RS232/RS485/CAN通讯接口，可将电池组的实时状态集成在驾控台的综合监控系统（AMS）显示终端进行显示，并对异常状态进行报警，如图2所示。

3.2 混合电力推进

对于那些需要大容量蓄电池的船舶而言，如吨位较大的船舶、续航力较大的渡船、游览船等，采用原动机和蓄电池组合的混合动力型电池推进将是一个较佳的方案。

图3为一艘航行于桂林市内漓江城市段五星级观光豪华游览船的推进设备布置图。该船推进动力电源采用4组DC598.4 V、180 Ah的锂电池组或两台AC380V、70 kW、50 Hz的柴油发电机组作为本船的推进动力电源，驱动两台AC380 V、55 kW、50 Hz交流变频推进电机。当在漓江城市段或顺水航行至阳朔时采用锂电池推进，推进锂电池组的容量足够保证航速16 km/h时续航4小时、航速为11 km/h时续航8小时。当由阳朔逆水返航至桂林时采用柴油发电机组驱动推进电机，保证返航所必需的电力供应。

4 电力推进的优势

船舶采用电力推进，其主要优势如下：

（1）排放低：相比传统的推进系统，减少了由于燃油燃烧产生的大量氮氧化物和硫氧化物的排放，明显减低了船舶对环境空气的污染；

（2）噪声低：传统的机械推进系统，柴油主机是船上主要的振动源[2]。采用电力推进后，电机取代柴油主机大大减小了振动和噪声，对于现代的客船特别是豪华型观光游船意义十分巨大；

（3）机动性能好：由于推进电机的转速易于调节且由静态变频器供电，在正反转的各种转速工况下都能提供恒定的转矩，使船舶取得优良的机动性能；

（4）改善了机舱的布置：电力推进系统省掉了齿轮和轴系，不需要将原动机与螺旋桨进行轴系连接，节省了大量的空间[3]；

（5）提高了自动化操作水平：电池监控系统可与全船监控系统集成，简化船员的操作，提高了船舶的整体自动化水平。

5 结语

船舶电力推进系统排放低、噪音低，比较适用于内河、湖泊以及旅游风景区的水域。在当前大力倡导使用绿色环保能源的今天，电力推进可以在不降低船舶性能的情况下实现环保，提高乘客的舒适性。随着电力推进设备、推进电池技术的快速发展，其在船舶上的应用将更加广泛。

参考文献

[1] 郑安洪. 船舶电力推进系统特点及应用分析[J]. 珠江水运，2014（19）.

[2] 张晓锋. 21世纪舰船电力推进发展趋势[A]. 面向21世纪的科技进步