胡始弘 杜 睿

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

電動船是一種電力推進(jìn)的船舶，其動力源是由蓄電池或船用發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。作為一種新型綠色交通工具，與傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)船相比，電動船具有節(jié)能、低排放、低污染、清潔、低噪聲、可利用能源多樣化等優(yōu)點。隨著環(huán)境污染問題受到廣泛關(guān)注，為擺脫對燃油的依賴，采用電能作為驅(qū)動方式是一種實用可行的模式。

現(xiàn)有的電動船主要種類有三種：第一種為太陽能電動船，即采用太陽能電池直接將太陽光轉(zhuǎn)換為電力取代燃油產(chǎn)生動力，但其存在太陽能轉(zhuǎn)化效率低，以及太陽能板易被海水腐蝕等缺點；第二種為純電池電動船，即采用蓄電池作為動力源，但基于目前技術(shù)，電池的能量密度和儲能較之于傳統(tǒng)燃油仍處于較低水平，且電池本身質(zhì)量較大，對全船載重量會有一定影響，故純電池電動船更適用于航程較短、定點航線之間的渡輪；第三種為混合動力電動船，即使用船用發(fā)電機(jī)加蓄電池組的形式，正常航行時由蓄電池提供動力，當(dāng)電池處于電量不足或故障時，船用發(fā)電機(jī)可提供電能維持船舶的正常運(yùn)行。

與采用傳統(tǒng)柴油推進(jìn)形式的船舶相比，混合動力電動船因蓄電池的存在，大大降低了對柴油的消耗，降低了對環(huán)境的污染。相比較前兩型電動船，該類船也不會因為電池容量的限制，降低全船的續(xù)航力。因此混合動力電池船在當(dāng)前市場環(huán)境下具有更好的適用性和可靠性。本文將基于某型庫區(qū)混合動力電動巡視執(zhí)法船，論述該類船的總體設(shè)計。

1 船型總體設(shè)計

1.1 主尺度及線型

影響船舶主尺度的因素有：功能要求、航速、經(jīng)濟(jì)性和適航性等。本例中的電動船主要承擔(dān)巡查、執(zhí)法等庫區(qū)應(yīng)急指揮任務(wù)的需求，因此在設(shè)計時應(yīng)考慮較好的快速性和適航性。同時，由于本船需足夠的艙室面積用以布置電池，且應(yīng)具備較好的穩(wěn)性，故對船型尺度作如下考慮。

1.1.1 排水量

本船排水量需滿足續(xù)航力、承載結(jié)構(gòu)以及人員和設(shè)備等的總質(zhì)量。分析同類型船并進(jìn)行綜合考慮，確定其排水量為150～170 t。

1.1.2 船長L

本船船長需滿足艙室內(nèi)乘客舒適性的要求，并兼顧底部電池空間布置的要求。同時，針對船舶快速性，在選擇船長時需考慮所選主尺度和航速能否避開阻力峰。因本船最大航速為12 kn，傅氏數(shù)Fn約為0.34。根據(jù)相關(guān)船型經(jīng)驗，該類型船舶主要船型為圓舭型。通過查閱該船型阻力曲線（見圖1）［1］，可以發(fā)現(xiàn)在所選Fn區(qū)間內(nèi)，船舶未達(dá)到阻力峰；同時，根據(jù)巴士裘寧經(jīng)驗公式，可估算得出本船水線長約31 m。

從耐波性的角度考慮，船長與波長之比L/λ應(yīng)大于1.3。根據(jù)庫區(qū)內(nèi)水文資料統(tǒng)計，庫區(qū)內(nèi)波浪平均波長約為20～25 m，因此本船的水線長宜在28 m以上，以避免船舶在最大平均波長附近產(chǎn)生較大的縱向運(yùn)動。

1.1.3 船寬B和型深D

因電池尺寸較大，且需預(yù)留出足夠檢修空間，因此本船船寬B的選擇需滿足電池的布置要求。同時考慮到全船穩(wěn)性要求，對船寬的選擇應(yīng)適當(dāng)加大。型深D的選擇主要取決于主發(fā)電機(jī)安裝布置的要求；同時，在滿足穩(wěn)性和浮力儲備的情況下，型深越小，對降低船舶整體高度越有利。

1.1.4 吃水T

吃水T的選擇主要從滿足排水量、快速性、穩(wěn)性、螺旋槳沉深、抗風(fēng)力和吃水線與上甲板之間的高度等因素考慮。本船的設(shè)計吃水選取約為1.3 m，結(jié)構(gòu)吃水取1.5 m。

通過上述對主尺度的分析，綜合考量，確定本船主尺度如下：

圖1 荷蘭水池試驗圓舭船型剩余阻力系數(shù)CR 和Fn的關(guān)系

本船主尺度和排水量較小，但相對速度較高，根據(jù)本船的Fn， 可將其歸為高速排水量型船舶。根據(jù)荷蘭水池發(fā)表的資料，該類型船舶為圓舭型時，阻力性能較好。但是由于圓舭型橫搖阻尼較小，因此必須在舭部設(shè)置舭龍骨，以改善其橫搖性能，但是相對應(yīng)的其船舶阻力也會增加。為此，有時也采用圓舭折角線型，即前體為圓舭型，后體接近尾段部分為尖舭型，中間逐步過渡。尖舭部分起到舭龍骨作用，可取消舭龍骨來抵消尾端尖舭型所增加的阻力。通過使用CFD對這兩種線型在設(shè)計吃水、巡航航速下進(jìn)行阻力計算和比較見表1。

表1 圓舭與圓舭折角線型在設(shè)計航速時阻力對比

由表1可見，采用圓舭折角線型或圓舭線型，本船的阻力相近。考慮到圓舭折角線型具備更好的耐波性，同時結(jié)合全船布置等方面考慮，最終選擇該線型作為本船線型。

1.2 主推進(jìn)模式

考慮本船主要在庫區(qū)內(nèi)航行，為保證庫區(qū)水質(zhì)的安全，采用電力推進(jìn)（蓄電池+柴油發(fā)電機(jī)）代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)形式，減少排放對環(huán)境的污染。當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行在低負(fù)荷狀態(tài)時，燃油得不到充分燃燒，其后果是產(chǎn)生大量的氮氧化物和固體顆粒物，會對大氣環(huán)境造成較大的污染；而船舶使用蓄電池推進(jìn)時，對周圍環(huán)境產(chǎn)生零污染和零排放，可實現(xiàn)真正的綠色航行。當(dāng)采用柴油發(fā)電機(jī)所發(fā)電力推進(jìn)時，則可根據(jù)不同的推進(jìn)負(fù)荷調(diào)整蓄電池充電負(fù)荷，使運(yùn)行的柴油機(jī)處在較佳燃油消耗率狀態(tài)下，使燃油燃燒充分，產(chǎn)生的氮氧化物和固體顆粒物較少，大大地降低了廢氣的排放，減小對水庫環(huán)境的污染。

本船主機(jī)選用2臺250 kW發(fā)電機(jī)，同時配備960 kW容量的鋰電池，推進(jìn)器采用2臺160 kW全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。在該動力模式下，本船正常航行時采用蓄電池提供動力，巡航航速約為10 kn，續(xù)航力約為50 km，能滿足庫區(qū)正常巡邏要求；但是當(dāng)電池處于電量不足或故障時，船用發(fā)電機(jī)可提供電能維持船舶的正常運(yùn)行，能保證其繼續(xù)完成任務(wù)并安全返回港口。

1.3 總體性能

本船的設(shè)計建造遵循中華人民共和國海事局《船舶與海上設(shè)施法定檢驗規(guī)則 內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》［2］，中國船級社（CCS）《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）及其變更通報［3］，以及《內(nèi)河雙電（磷酸鐵鋰電池、超級電容）純電動電力推進(jìn)游覽船審圖、檢驗指南》［4］等。

在設(shè)計吃水狀況下，本船巡航航速約為10 kn，最大航速可達(dá)到12 kn，滿足設(shè)計任務(wù)書需求。同時，其各種裝載情況下穩(wěn)性均滿足規(guī)范中B級航區(qū)船舶的穩(wěn)性要求，且滿足一艙不沉（除機(jī)艙）的破損穩(wěn)性要求。

本船為全焊接式鋼質(zhì)船，具有單層連續(xù)甲板、長艏樓、全景式駕駛室以及前傾首柱、方尾，采用柴油發(fā)電機(jī)和磷酸鐵鋰電池動力源，全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)裝置作為其推進(jìn)驅(qū)動和操縱裝置。

1.4 總布置設(shè)計

本船主船體內(nèi)設(shè)有7道水密艙壁，將其分隔成8個水密艙室，從首至尾分別為：艏尖艙、1號艏空艙、2號艏空艙、1號蓄電池間、2號蓄電池間、發(fā)電機(jī)室、電氣設(shè)備間和推進(jìn)器間。

本船共設(shè)置2層甲板，分別為主甲板和駕駛甲板。主甲板從前往后布置有：執(zhí)法指揮室、執(zhí)法人員休息室、衛(wèi)生間和會議室等；駕駛甲板上布置有駕駛室、綜合執(zhí)法室等。全船艙室布置時，注重功能分區(qū)，同時綜合考慮航行安全，通道寬敞和人員舒適性等要求。

本船總布置圖如下頁圖2所示。

1.5 環(huán)保設(shè)計

圖2 總布置圖

本船主要航行區(qū)域為封閉水域，為保證不污染該水域的水質(zhì)，本船的環(huán)保設(shè)計尤為重要。在船舶運(yùn)行過程中，洗手、沖洗馬桶等洗滌用水會產(chǎn)生一定量的生活污水，這些生活污水將通過管路卸至位于艙底甲板的污水艙；待船舶靠岸后，通過生活污水駁運(yùn)泵將污水艙內(nèi)的生活污水排岸處理，從而避免了船舶生活污水對水庫造成污染。另外，在污水艙頂部設(shè)置透氣管，透氣管接至羅經(jīng)甲板上，并在透氣管出口端設(shè)置活性炭除臭裝置，進(jìn)而消除由生活污水產(chǎn)生的異味。

對于船艙艙底可能產(chǎn)生的油污、艙底水等，本船在船體艙底首部、中部、尾部各設(shè)置一個污水井，然后通過艙底水泵將艙底水收集至艙底水艙；待船舶靠岸后，通過艙底水泵將艙底水排岸處理，從而達(dá)到船舶油污水環(huán)保處理目的。

2 電池選型和安全

2.1 船用電池的選擇

目前主流使用的船用電池種類有三元鋰、磷酸鐵鋰和鉛酸電池等，其主要性能參數(shù)詳見表2。［5］

表2 鋰電池性能參數(shù)對照表

由表2可見，三元鋰電池雖然能量密度較大，但安全風(fēng)險比磷酸鐵鋰電池高。目前國內(nèi)船級社規(guī)范暫時沒有頒發(fā)三元鋰電池證書，一定程度上限制了三元鋰電池在船舶上的應(yīng)用。鉛酸電池價格較低，但是能量密度太低，在同樣能量密度下，比磷酸鐵鋰電池重3倍，體積約為其3～4倍。以本船為例，本船電池組容量約為960 kW h，使用磷酸鐵鋰電池時，其重約8 t，體積約為4.5 m3；然而使用鉛酸電池時，其重達(dá)24 t，體積更是達(dá)到14 m3左右。由此可見，對于排水量與空間布置較為敏感的船舶來說，磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢遠(yuǎn)大于鉛酸電池。此外，鉛酸電池還存在使用壽命短、充放電次數(shù)低、廢棄后會對環(huán)境造成污染等缺點，所以基本上不推薦作為船舶動力電池使用。磷酸鐵鋰電池經(jīng)多年來的發(fā)展，技術(shù)已相當(dāng)成熟，且已廣泛應(yīng)用于陸用交通、太陽能和風(fēng)力發(fā)電儲能、電動工具等領(lǐng)域，大規(guī)模的生產(chǎn)也使其價格回落至較合理區(qū)間。正因磷酸鐵鋰電池具有較低的成本、較穩(wěn)定的電壓和較高的安全性（熱失控溫度在800℃以上）等優(yōu)點，所以本船選用該類型電池作為動力源之一。

本船磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)配置容量約960 kW h，由3.2 V、22 Ah單體組成。因庫區(qū)地理位置原因，對電池系統(tǒng)在寒冷天氣下的充放電性能提出較高要求。不同溫度下的磷酸鐵鋰電池放電能力見圖3。

圖3 磷酸鐵鋰電池不同溫度下的放電能力

圖4 電池架形式

該型電池能量密度在123 Wh/kg左右，其容量保持率在環(huán)境溫度為0℃時約92.38%，-10℃時約86.67%，-20℃時約80%，-30℃時仍能達(dá)到60%以上，完全能夠滿足電池在-20℃環(huán)境下的正常使用。如果使用工況良好（放電電流低于1C倍率，或者保護(hù)板截止電壓下降到2 V以下），則放電效率能夠保持在90%以上。配合BMS管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)-20℃低溫環(huán)境下穩(wěn)定充電。

本船電池組采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊化設(shè)計。由電池單體組成電池模組，再由模組拼裝成電池組形式。其尺寸完全一致，具有極高互換性，并采用全極耳焊接工藝以及電池架式設(shè)計，后期維修較為便利。此外，每個電池架頂部均設(shè)有風(fēng)冷裝置對各模塊進(jìn)行并行冷卻，以保證系統(tǒng)時刻處于恒定工作溫度下。

2.2 電池安全性

區(qū)別于傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)船上蓄電池間安全要求，當(dāng)電池作為動力源時，電池艙及艙內(nèi)電池的安全要求更加嚴(yán)格。目前主要通過滿足以下幾種方式來保證船用動力電池的安全和使用。

2.2.1 總體布置安全性設(shè)計要求

目前國內(nèi)混合動力船舶的電池艙設(shè)計主要以CCS《內(nèi)河雙電（磷酸鐵鋰電池、超級電容）純電動電力推進(jìn)游覽船審圖、檢驗指南》［4］作為規(guī)范依據(jù)，其中要求當(dāng)電池艙作為動力源時，需滿足以下要求：

（1）環(huán)境不應(yīng)存在過冷、過熱、濺水、蒸汽等損害電池性能的情況；

（2）不安裝其他與電池?zé)o關(guān)熱源，并采用機(jī)械通風(fēng)，避免電池間溫度過高；

（3）電池艙和其他艙室的防火分隔應(yīng)滿足相應(yīng)法規(guī)對機(jī)艙要求；

（4）電池艙內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的溫度探測裝置，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時，能在駕駛室發(fā)出聲光報警信號；

（5）需設(shè)置火警報警探頭，當(dāng)艙內(nèi)發(fā)生火警時能送出聲光報警信號到駕駛室；

（6）需配備固定式七氟丙烷滅火系統(tǒng)，用于撲滅磷酸鐵鋰電池引起的火災(zāi)，并在電池艙外設(shè)遙控釋放按鈕。

2.2.2 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）是保證鋰電池安全的另一個重要組成部分，主要負(fù)責(zé)電池的監(jiān)測保護(hù)和能量均衡功能。該系統(tǒng)由SOC估測、動態(tài)監(jiān)測和電池均衡這三個模塊組成。在電池充放電過程中，電池管理系統(tǒng)實時采集蓄電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池組總電壓，防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象。當(dāng)電池組偏離正常值時，該系統(tǒng)能就地并同時在駕駛室發(fā)出聲光報警；而當(dāng)電池出現(xiàn)故障時，該系統(tǒng)能夠及時切斷故障電池模組，保證其他電池正常工作。

2.2.3 電池硬件保護(hù)

電池艙內(nèi)每一節(jié)電池都有保險絲保護(hù)，當(dāng)電流過大時快速熔斷，切斷故障電池連接。此外，每個電池模塊和系統(tǒng)均接有開關(guān)保護(hù)，當(dāng)發(fā)生過流或短路時，便立即斷開整個模塊和系統(tǒng)的連接。

本船蓄電池間布置在全船中部，前后分別設(shè)置水密艙壁進(jìn)行分隔，同時該艙室采用A級防火分隔，滿足相應(yīng)法規(guī)要求。艙室內(nèi)布置機(jī)械通風(fēng)，能及時將電池產(chǎn)生熱量排出，保證電池艙溫度始終處于合適范圍，同時按規(guī)范配備七氟丙烷滅火系統(tǒng)。當(dāng)電池艙內(nèi)感煙、感溫火警探頭發(fā)出火警報警信號，駕駛室人員同時也可以通過船上閉路電視系統(tǒng)觀察電池艙情況，人工啟動釋放按鈕，達(dá)到電池滅火目的。

本船電池組配備電池管理和硬件保護(hù)系統(tǒng)，每套電池系統(tǒng)包含一套電池管理系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)采用分層級構(gòu)架，其包含系統(tǒng)主控單元、管理各電池簇的二級主控單元，以及各個電池模塊中的從機(jī)模塊，各種配套熔斷器、繼電器等。系統(tǒng)主控模塊主要對系統(tǒng)的主開關(guān)進(jìn)行控制，監(jiān)測系統(tǒng)總電流，評估各簇乃至各單體鋰電池系統(tǒng)狀態(tài)（電壓、電流、SOC等），并管理各電池簇的投入和故障斷開；二級主控單元主要接收各從機(jī)模塊信息，監(jiān)測各簇的電流，并接收系統(tǒng)主控模塊對每簇開關(guān)的控制。保證電池在發(fā)生故障時，能及時切斷電源并發(fā)出警報。

3 結(jié) 語

本文以電動船舶作為研究對象，討論一型庫區(qū)混合動力電動船的總體設(shè)計。主要介紹了該船型的船舶主尺度、總布置、總體性能和環(huán)保設(shè)計等方面，并總結(jié)了關(guān)于船用電池的選型、安全及能耗等方面的探討，對電動船的總體設(shè)計有一定借鑒意義。