內(nèi)河水域純電池動力保潔船型設(shè)計及性能分析

范振斌，丁治潔，范金健，計曉龍，陳 剛

（上海水域環(huán)境發(fā)展有限公司，上海 200433）

近年來，交通運(yùn)輸部一直大力推進(jìn)綠色清潔能源和綠色技術(shù)在內(nèi)河航運(yùn)的應(yīng)用?！笆奈濉笔翘歼_(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期。2020 年6 月交通運(yùn)輸部印發(fā)的《內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展綱要》重點(diǎn)提出加大“新能源清潔能源推廣應(yīng)用力度”的要求。綠色船舶和智能船舶將是船舶發(fā)展更新?lián)Q代的主流趨勢[1-2]。為了適應(yīng)長三角一體化示范區(qū)內(nèi)水域環(huán)境治理的新要求，綠色、多功能的新型環(huán)保作業(yè)裝備的設(shè)計研究[3]是未來發(fā)展趨勢和重要方向。

同時，目前電池動力船的主要應(yīng)用船型[4-5]受限。國外電動船舶發(fā)展較早，其中挪威是全球大型電動船舶運(yùn)營最多的國家。國外電動船舶主要應(yīng)用于小型豪華郵輪、客船等對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和舒適度要求較高的船型，以及工程船、海岸救援船等。我國電動船發(fā)展略晚于國外，但發(fā)展速度快、應(yīng)用船型廣。內(nèi)河已建各種電動船舶20 余艘，應(yīng)用船型包括客船、渡船、公務(wù)船和干散貨船等[6-7]。目前，在鋰離子動力電池方面，盡管我國在鋰離子電池儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)取得了重大突破，但基于安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，我國的純電動船舶發(fā)展仍然不足。從市場規(guī)模來看，我國電動船舶的廣泛應(yīng)用尚存諸多瓶頸[8-9]。例如，船用電池應(yīng)用成本偏高；電池技術(shù)在電池能量密度、充電時間和使用壽命等方面有待進(jìn)一步提高；船用配套設(shè)施及標(biāo)準(zhǔn)有待完善等。

基于此，本文所研究的長三角示范區(qū)水域保潔作業(yè)船舶以上海市綠化和市容管理局發(fā)布的《上海市水域保潔作業(yè)設(shè)施設(shè)備配置導(dǎo)則》中系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的28 m 清掃船為研究對象，以功能多樣性、檢測實時性、作業(yè)連續(xù)性、綠色環(huán)保化、技術(shù)集成化和控制智能化等諸多創(chuàng)新集成技術(shù)作為裝備一體化的前提條件，針對28 m 清掃船適用的作業(yè)水域特點(diǎn)研究不同功能配置的基本船型，并且根據(jù)實際需要搭載各項不同功能的作業(yè)模塊，有利于新型環(huán)保作業(yè)裝備的設(shè)計發(fā)展需要。

1 28 m 純電池動力清掃船船型設(shè)計

設(shè)計思路：新船借鑒高速客船的外觀概念設(shè)計，流線型的外觀造型與多功能的技術(shù)集成，實現(xiàn)現(xiàn)代風(fēng)格與多元科技的引領(lǐng)示范，開敞式的保潔作業(yè)清掃船轉(zhuǎn)變成為全封閉的特色旅游船舶，成為都市水域的“普通”船舶，流連忘返于湖光山色中。作為全新的純電池動力作業(yè)船舶，融合“綠色保潔、智能保潔、智慧保潔、精準(zhǔn)保潔”四大全新理念。

技術(shù)性能：推進(jìn)功率：2×150 kW；設(shè)計航速：16 km/h；主電源：磷酸鐵鋰電池；電池容量：1 400 度電。

動力裝置：無軸輪緣電力推進(jìn)器、變頻控制電力推進(jìn)系統(tǒng)、純電池動力系統(tǒng)及船岸定制充電系統(tǒng)、直流組網(wǎng)配電系統(tǒng)。

純電池動力28 m 清掃船總布置如圖1 所示。

圖1 總布置圖

2 主要功能

新船為單體、單甲板、尾機(jī)型，全鋼質(zhì)主船體及二層上層建筑，全焊接結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)河機(jī)動工作船。動力裝置采用無軸輪緣電力推進(jìn)器驅(qū)動的純電池動力推進(jìn)方式。適航于內(nèi)河B 級航區(qū)。

基于適用水域的實際作業(yè)需求，28 m 清掃船主要功能包括，在線式（船用）水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備、潛水型微納米氣泡曝氣機(jī)、消防水炮及基于光學(xué)感知的圖像識別系統(tǒng)實現(xiàn)精準(zhǔn)清掃；兩舷伸縮式抽吸清掃裝置、船載式藻水分離裝置（包括鏟吸汲取裝置、氣浮分離裝置和藻渣脫水裝置）。由此配置的主要作業(yè)設(shè)備包括，一套伸縮式圍油欄裝置，一套液壓升降式浮箱收集裝置，一套消防水炮噴射裝置，一套在線式（船用）水質(zhì)檢測設(shè)備，一套潛水型微納米氣泡曝氣機(jī)，一套船載式藻水分離裝置，一套基于光學(xué)感知的圖像識別系統(tǒng)，全部作業(yè)設(shè)備的控制系統(tǒng)均考慮設(shè)置于駕駛室進(jìn)行遙控操縱。

2.1 在線式（船用）水質(zhì)檢測設(shè)備

在線式（船用）水質(zhì)檢測設(shè)備通過采集一體機(jī)配合每個功能電極完成水質(zhì)檢測。結(jié)合藍(lán)藻處理作業(yè)的實際特點(diǎn)，初步考慮相關(guān)電極安裝在主船體的垃圾艙內(nèi)，實現(xiàn)實時在線水質(zhì)檢測功能。檢測內(nèi)容包括：pH 值、濁度、電導(dǎo)率、溶解氧、COD（化學(xué)需氧量）、BOD（生化需氧量）、懸浮物、氨氮、藍(lán)綠藻和葉綠素等，多參數(shù)PLC一體機(jī)安裝于駕駛室。

2.2 潛水型微納米氣泡曝氣機(jī)

潛水型微納米氣泡曝氣機(jī)選用雙頭單向型，采用純304 不銹鋼高壓噴嘴結(jié)構(gòu)，可生成微納米氣泡具有增氧化作用，最大線性傳播距離可達(dá)20 m。25 m3/h 潛水型微納米氣泡機(jī)的技術(shù)規(guī)格：流量25 m3/h、揚(yáng)程15 m水柱、電機(jī)功率2.2 kW。

2.3 船載式藻水分離裝置

船載式藻水分離裝置通過集成箱柜形式提供，主要包括設(shè)置藍(lán)藻汲取裝置（獨(dú)立設(shè)置）、氣浮藻水分離裝置、藻渣脫水裝置和電氣控制系統(tǒng)4 部分組成，其中氣浮分離裝置是設(shè)備的核心處理單元，由溶藥單元、溶氣發(fā)生單元和氣浮分離區(qū)3 大部分構(gòu)成，整套裝置的用電負(fù)荷約為40 kW。其技術(shù)規(guī)格是：吸藻量約100 m3/h、藻泥產(chǎn)量大于5 t/d、藻泥含水率小于90%。

2.4 消防水泡

消防水炮噴射裝置布置于船首位置，包括一套消防水炮，其技術(shù)規(guī)格為噴射流量17 L/s×射程40 m，配套一臺消防炮專用泵，其技術(shù)規(guī)格為60 m3/h×0.75 MPa。作為水炮噴射裝置的動力水源，提供具有較高壓力的消防水，進(jìn)行船舶特殊作業(yè)時的人工噴水造流，可以更好地打撈收集靠岸死角處的漂浮垃圾，消防炮專用泵的功率配備為22 kW。

2.5 基于光學(xué)感知的圖像識別系統(tǒng)

基于光學(xué)感知的圖像識別系統(tǒng)，對水面漂浮物的檢測主要從監(jiān)控攝像機(jī)所捕捉的序列圖像中檢測是否有漂浮物的存在，利用當(dāng)前圖像幀與背景圖像的相差分技術(shù)檢測圖像中的變化區(qū)域，再從所有變化區(qū)域中將對應(yīng)的漂浮物區(qū)域單獨(dú)提取出來。由于受限于背景光照的自然條件，特征維數(shù)比較高，數(shù)據(jù)量很大，圖像特征降維又會產(chǎn)生較大的誤差率。目前采用多波段成像監(jiān)控，通過識別漂浮物面積大小進(jìn)行報警，具有一定的操作性。其本質(zhì)是智能視頻監(jiān)控技術(shù)對現(xiàn)有數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一個彌補(bǔ)。目前相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)是利用AI 畸變處理技術(shù)實現(xiàn)超大視角前視場景，最大限度降低航行盲區(qū)，利用多源信息融合技術(shù)提供離岸測距測速和預(yù)警功能，利用AI 圖像學(xué)習(xí)功能識別特征明顯的對航行安全有威脅的物標(biāo)并進(jìn)行預(yù)警。

3 動力電池的容量估算

新船配置4 組由磷酸鐵鋰電池構(gòu)成的動力電池組作為船舶主電源，其標(biāo)稱電量為1 396 kWh，標(biāo)稱電壓為DC644 V；電池芯采用的磷酸鐵鋰電池，標(biāo)稱容量271 Ah，標(biāo)稱電壓DC3.22 V，最大持續(xù)充/放電電流1 C。電池包（箱）連接方式1P8S，標(biāo)稱電壓DC25.76 V，標(biāo)稱容量217 Ah，標(biāo)稱電量6.98 kWh，冷卻方式為自然冷卻。每組動力電池由50 個電池包（箱）和1 個高壓盒、1個域管理盒組成，組合方式1P200S，標(biāo)稱電壓DC644 V，標(biāo)稱容量271 Ah，標(biāo)稱電量349 kWh。動力電池組可以為船舶推進(jìn)電動機(jī)和其他電氣設(shè)備提供電源，在作業(yè)服務(wù)航速狀態(tài)下，可滿足全船4 h 用電需求。

3.1 電池管理系統(tǒng)BMS

電池管理系統(tǒng)BMS 實現(xiàn)動力電池的充放電監(jiān)控管理。在正常運(yùn)行情況下，BMS 向能源管理模塊ECM提供電池充放電狀態(tài)與功率以及電池的荷電狀態(tài)；BMS 應(yīng)對與電池安全有關(guān)的主要參數(shù)（如電壓、電流和溫度等）進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)電池參數(shù)超出制造商的建議范圍，將采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?。BMS 能對電池的充放電、電池溫度、單體電池間的均衡進(jìn)行控制，能對單體電壓、電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)電流、單體溫度、環(huán)境溫度和絕緣電阻進(jìn)行監(jiān)測。

3.2 充電管理系統(tǒng)

純電池動力船舶的充電管理系統(tǒng)具備岸電容量參數(shù)設(shè)定、采集岸電電能品質(zhì)、連接器狀態(tài)和溫度信號，確保岸電供電的安全性和可靠性。充電管理系統(tǒng)可以調(diào)度岸電供電容量、實時日用負(fù)載和電池充電SOP 的算法，保證電池平穩(wěn)期快速充電和末端均衡充電，同時在各設(shè)備極端情況下快速保護(hù)和協(xié)調(diào)控制。對于集裝箱式移動電源的充電模式具有廣泛互聯(lián)、智能互動、靈活柔性及安全可控等特點(diǎn)。

新船的停泊碼頭配置2 套充電樁，在5 h 內(nèi)將動力電池組充足。充電樁采用標(biāo)準(zhǔn)充電槍以直流形式為船舶的動力電池組充電，具有均衡電路實現(xiàn)串聯(lián)成組的各單體電池的電壓平衡。充電樁能與BMS 系統(tǒng)通信，并在BMS 系統(tǒng)限定的條件下運(yùn)行。充電樁在電流和電壓超過預(yù)設(shè)值時，發(fā)出報警并停止充電。電池系統(tǒng)出現(xiàn)不可接受的溫度時，應(yīng)立即停止充電。充電樁基本參數(shù)為：輸入電壓AC380 V、輸出電壓DC750 V、輸出功率150 kW、防護(hù)等級IP56（可露天安裝）。

3.3 船舶電力推進(jìn)及控制系統(tǒng)

動力電池組通過集中式直流母線變頻電控設(shè)備在直流母線進(jìn)行并網(wǎng)，驅(qū)動二臺150 kW 主推電機(jī)，經(jīng)過獨(dú)立的日用逆變器逆變成交流電供日用負(fù)荷使用，經(jīng)過獨(dú)立的作業(yè)逆變器逆變成交流電供作業(yè)負(fù)荷使用。

全船動力系統(tǒng)配置一套綜合控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)兼?zhèn)淠芰抗芾?、推進(jìn)控制和監(jiān)測報警功能，保證船舶動態(tài)響應(yīng)和可靠的安全性能。推進(jìn)控制系統(tǒng)由駕控臺遙控單元和機(jī)旁應(yīng)急控制單元組成，實現(xiàn)推進(jìn)器的駕駛室遙控與監(jiān)測，主要功能包括：正常起動停車、緊急停車、故障越控、部位轉(zhuǎn)換、調(diào)速、應(yīng)急控制和功率限制等。

4 純電池動力系統(tǒng)主要配電設(shè)備

4.1 變頻直流柜

新船在配電間配置變頻直流柜1 套，主要包含動力電池雙向變換器4 套、推進(jìn)逆變器2 套、日用逆變器2 套、綜合控制系統(tǒng)1 套以及母排隔離開關(guān)。變頻直流柜配置絕緣監(jiān)測裝置，對直流母排進(jìn)行絕緣監(jiān)測，在絕緣電阻異常低時發(fā)出聲光報警。主要設(shè)備包括以下設(shè)備。

4.1.1 動力電池雙向變換器

雙向變換器的一端連接動力電池，另一端連接直流母排，控制動力電池的能量流向和功率數(shù)值，維持直流母排電壓穩(wěn)定。共4 套，額定容量200 kW。

4.1.2 推進(jìn)逆變器

推進(jìn)逆變器將直流母排提供的直流逆變?yōu)轭l率與電壓可變的三相交流電，驅(qū)動推進(jìn)電動機(jī)。共2 套，額定容量125 kW，輸出電壓AC380 V。

4.1.3 日用逆變器（含正弦波濾波器）

日用逆變器將直流母排提供的直流逆變成三相交流400 V，為船上日常使用和作業(yè)裝備的電氣設(shè)備提供交流電源。共2 套，額定容量100 kVA，輸出電壓3ΦA(chǔ)C400 V。

4.1.4 能量管理模塊ECM

能量管理模塊ECM，能夠與BMS 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)能控制和調(diào)度動力電池組，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷變化，實現(xiàn)動力電池組的自動負(fù)荷分配、過負(fù)載自動卸載、功率限制功能、重載問詢和電池充放電控制等功能。

4.1.5 充電連接柜

新船配置1 個充電連接柜，連接碼頭上的充電槍，將充電電能送入動力電池。充電連接柜應(yīng)始終檢測與碼頭充電槍的連接，當(dāng)處于連接狀態(tài)時，應(yīng)禁止船舶推進(jìn)系統(tǒng)誤動作。充電連接柜應(yīng)設(shè)置必要的安全措施，防止充電過程中電纜被拔出。共1 套，額定容量150 kW，最高電壓DC750 V。

4.2 交流主配電板

新船在配電間配置交流主配電板1 套，用于400 V和230 V 交流電的供電控制和監(jiān)測。主配電板為板前開啟、板前維修，防護(hù)等級為IP22。

4.3 組合起動屏

集成2 套組合起動屏，其一包括艙底泵、總用泵、粉碎泵、自動供水泵和風(fēng)機(jī)等；其二包括所有作業(yè)設(shè)備、消防水泵、潛水泵及液壓泵站等。

4.4 其他設(shè)備

配電設(shè)備中還包括AC220 V 分電箱、DC24 V 分電箱以及應(yīng)急充放電板和啟動蓄電池充電箱。

5 結(jié)束語

本文對現(xiàn)有內(nèi)河28 m 清掃船進(jìn)行純電池動力的升級，并優(yōu)化船型結(jié)構(gòu)，從主尺度、主要性能參數(shù)及船體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行船型設(shè)計；同時，基于適用水域的實際作業(yè)需求，考慮28 m 純電池動力清掃船的主要功能，分析了基于光學(xué)感知的圖像識別系統(tǒng)、在線式（船用）水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、船載式藍(lán)藻抑制（藻水分離）系統(tǒng)、潛水型微納米氣泡曝氣（增氧）系統(tǒng)以及水上輔助消防系統(tǒng)等，并確定了相應(yīng)的裝置，以滿足在長三角示范區(qū)大面積水域，以打撈處理藍(lán)藻為主，兼顧打撈收集水生植物、水面漂浮廢棄物的功能需求。純電池動力電力推進(jìn)系統(tǒng)在保潔作業(yè)船舶上的升級應(yīng)用以及配置多功能裝備的作業(yè)模塊，對城鎮(zhèn)景觀水域保潔作業(yè)的服務(wù)能級提升有一定促進(jìn)作用。