基于电力推进的小型船舶动力系统设计

江和耀 刘冠辉 刘家胜

摘 要：响应“绿色航运”、“绿色船舶”等的环保节能理念，针对内燃机推进船舶存在废气和油污污染问题，研究和设计了一种基于电力推进的小型船舶动力系统，提出了系统组成方案，详细分析了推进系统中推进电机和动力电池组的相关参数的计算方法。

关键词：船舶动力；电力推进；系统设计

中图分类号：U664.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）21-0038-03

Abstract： In response to the concept of environmental protection and energy saving of "green shipping" and "green ship"， in view of the problem of exhaust gas and oil pollution in internal combustion engine propulsion ship， a small ship power system based on electric propulsion is studied and designed. The composition scheme of the system is put forward， and the calculation method of the relevant parameters of the propulsion motor and the power battery pack in the propulsion system is analyzed in detail.

Keywords： ship power； electric propulsion； system design

1 概述

2006年起，國际海事组织（IMO）《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL）附则六“防止船舶造成空气污染”及其修正案，对船舶的氮氧化物、硫氧化物和颗粒物等污染物排放最大标准及油耗收集机制做出规定。2015年，我国交通运输部发布《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》。在船舶制造和研究的领域，随着“绿色航运”、“绿色船舶”等的环保节能理念的影响，纯电能动力船艇的研究力度加大，进展日渐引人瞩目[1]。

小型船舶的电动推进系统/装置可广泛应用于执法公务艇、游艇、渡轮等小型船舶。随着功率器件和交流调速技术应用的普及，电力推进技术迅速发展，已具备向中小型船舶动力系统应用的技术基础和经济可行性。本文针对某型小型船舶，研究和设计了一种基于电力推进的小型船舶动力系统。

2 系统组成

小型船舶电力推进动力系统主要由动力蓄电池组、推进电机、电机控制器等部分组成，各组成部分通过通讯总线、高压线束、低压线束连接，系统组成图如图1所示。

动力蓄电池组由电芯模组和电池管理模块组成，为小型船舶电力推进动力系统的主动力来源，为电机控制器提供动力电源，电机控制器推进电机旋转做功，经过齿轮箱、尾轴等机械传动部分，最终拖动螺旋桨选装，驱动船舶前行。操纵部分通过通信总线向电机控制器下达转速指令，并监测电池组和电机的状态。充电机采用岸基充电方式，船舶停靠码头时可以为动力电池组充电。

3 主要技术指标设计

某小型船舶主要参数指标如表1，采用燃油动力的同型船舶试验参考数据如表2。

3.1 电机参数设计

3.1.1 电机额定转速

船舶主机转速可按下式计算：

式中：N-主机转速，单位r/s；Vs-航速，单位m/s； i-齿轮箱减速比；Sr-滑失比；P-螺旋桨螺距，单位m。

水是柔性介质，所以螺旋桨在水中旋转一周沿轴向实际行进的距离，即进距hp小于螺距p，这个距离差称为滑失。滑失比可按下式计算

其中：p-螺距，单位m；hp-进距，单位m。

进距hp按下式计算：

根据表2试验数据带入式（2）和式（3），计算得Sr=0.204。

则根据式（1）计算可知，最大航速为30km/h时，电机对应转速为31.25r/s，即1875r/min。由于船舶可以在最大航速下持续航行，故最大航速时对应的电机转速为电机的额定转速。考虑传动效率、间隙等因素，取10%的余量并取整，则电机额定转速可取2100r/min。

3.1.2 电机额定扭矩

进速比是关系螺旋桨推力和扭矩的一个无量纲参数[2]，定义为

式中，Vp-进速，即螺旋桨相对水流的速度，单位m/s；n-螺旋桨转速，单位r/s；D-螺旋桨直径，单位m。

螺旋桨相对水流的进速Vp小于航速，这个减少的速度为伴流速度，伴流速度的大小取决于船方型系数、螺旋桨盘面比等参数。

作为推进电机负载的螺旋桨是以其转矩q作用到异步电动机上的[3]，则电机扭矩T（N·m）可表示为：

式中：q-螺旋桨扭矩，单位N·m；Kq-螺旋桨扭矩系数；ρ-水的密度，单位kg/m3。

螺旋桨扭矩系数Kq与进速比J有关，对应关系见图2螺旋桨敞水特性曲线[4-5]。

取Vp=0.6Vs。依据试验数据，按照式（4）计算进速比，可得J=0.585，结合图2，可得Kq=0.038。带入式（5）计算可得电机在额定转速为1875r/min时对应的输出扭矩为233.5N·m，考虑不同水域水的密度差异，以及传动间隙和效率等，取10%的余量并取整，则电机额定扭矩为260N·m。

3.1.3 电机额定功率

电机额定功率按下式计算：

当电机额定转速为2100r/min，输出扭矩为260N·m时，电机额定功率为57.2kW。

3.2 电池组容量估计

电池组总容量按下式计算：

式中：Q-电源系统总容量；W-负载功率；t-续航时间；ρ-电池能量转换效率，按0.98计；f-电池放电率，按0.85计。

航速15km/h时，指标要求续航时间/里程为5h/75km，按照3.1节计算方法可得，此时电机输出功率为5.7kW。代人式（7），则电池组容量为34.2kWh。

4 结论

本文针对某型小型船舶，设计了一种小型船舶电力推进动力系统，阐述了系统组成，并详细分析了推进系统中推进电机和动力电池组的相关参数的计算方法。通过该方法计算出的结果，可以作为动力系统中电机和电池组研制或选型的依据。

参考文献：

[1]丁晨雷，康伟，褚建新.小型船舶绿色动力电池推进系统研究设计[J].上海造船，2011（2）：38-46.

[2]马继先，陈源，陆振伟.船舶电力推进系统螺旋桨负载的建模与仿真[J].电子设计工程，2014，22（1）：56-59.

[3]赵红，郭晨，吴志良.船舶电力推进系统的建模与仿真[J].中国造船，2006，47（4）：51-56.

[4]陈源.小型船舶电力推进装置系统仿真研究[D].江苏科技大学，2014.

[5]R.Abdelli， D.Rekioua， T.Rekioua. Performances improvements and torque ripple minimization for VSI fed induction machine with direct control torque[J]. ISA Transactions， 2011，50（3）： 213-219.