300客位纯电推进游览船设计

周 成，张玉涛， 姚金根

(1.无锡东方船研高性能船艇工程有限公司，江苏 无锡 214082；2.中国人民解放军第二七O三工厂， 黑龙江 佳木斯 154014；3.湖州新开元碎石有限公司，浙江 湖州 313022)

0 引言

随着全球能源的日渐减少，船舶燃料成本占船舶运营成本的比重越来越大，且船舶污染物的排放使得全球的环境污染越来越严重，船舶航运及游览船市场面临环境保护的需求，因此，如何提高船舶燃油的燃烧效率和降低污染物的排放已成为现代船舶行业研究的重要内容。

目前，我国内河的旅游船大多采用柴油动力系统。柴油机存在振动大、噪声大、经济性差及污染严重等缺点。为了适应环境保护的形势，绿色船舶成为未来船舶可持续发展的方向，其中纯电推进技术是最具有代表性和革新性的技术。

本文以300客位游览船为研究对象，将纯电推进系统运用到此游览船上，替代了原柴油机动力系统，建立包括动力电池系统、电力驱动系统、自动化系统及电池充电系统的动力系统，从而在船舶运营过程中降低燃油消耗、减少污染物排放。

1 整船概况

1.1 主要参数选择

300客位游览船在设计时采用单体消波、艉机型船型，全电池电动吊舱推进；设二层甲板，艏艉及顶部为大面积观光游步甲板。其主要参数如下：

计算船长49.96 m，总宽13.40 m，型宽10.80 m，型深2.70 m，计算吃水1.57 m，最大航速10 kn，肋距0.6 m。

1.2 总体布置

该船主甲板设有艉尖舱、机舱、电池舱(左右)、生活污水柜舱、清水柜舱、空舱/固定压载舱和艏尖舱；主甲板设有艏、艉观光甲板、VIP包间、大客舱、配餐间及盥洗室。全船客舱采用大跨距无支柱结构，客舱侧壁采用大面积幕墙玻璃，视野通透，让全体乘客视觉无障碍。二层甲板设有驾驶室、船员值班室及观光甲板。顶棚甲板覆盖整个乘客区，顶棚上布置多个大面积的流线型幕墙玻璃，让乘客可以享受长江夜幕下的星空之美。该船布置示意见图1。

1.3 设计特色

(1)外形设计时，将游艇的时代、仿生元素与以水上观光为主调的休闲元素相结合，呈现出优雅灵动的特点，使船舶自身成为一道靓丽的风景线。

(2)采用铁锂电池+电动吊舱推进，真正实现零排放。

(3)客舱内部布局采用步行街式的休闲方式。

(4)充分兼顾夜游功能，轮廓采用LED亮化，静谧幽雅，为武汉夜晚添加一抹靓丽风景。

2 动力装置

该游览船由2组锂电池供电，总推进功率为2×200 kW；采用吊舱推进器，动力系统包括动力电池系统、电力驱动系统、自动化系统、电池充电系统。

图1 300客位纯电推进游览船设计总布置示意图

全船不产生机舱油污水。生活污水、配餐间灰水及生活垃圾采用集中上岸处理方式，实现全船零污染。

电池舱由2个独立的电池舱组成，电池柜与舱壁、上甲板的最小间距均不小于500 mm。电池舱采用自然进风、强制出风的形式。

3 电气设备

3.1 主动力蓄电池组

本船使用磷酸铁锂电池作为主动力电池，动力电池组分2大组，作为2个电源为全船用电设备提供能源。12个单节3串4并构成电池包，3个电池包串联构成电池模块，18个电池模块串联构成电池簇，6个电池簇并联构成单侧电池组系统。全船共12簇电池簇。单侧电池系统容量1 119.7 kWh，2组电池组共2.2 MWh。电池充放电柜安装在机舱内，充放电柜具有与电池管理系统的电气和通讯接口，电池组通过电池充放电柜连接到直流配电板。电池充放电柜对电池簇的充放电进行控制。

3.2 电池管理系统

电池管理系统(BMS)分层设置，包括电池系统层管理单元、电池模块层管理单元及其他组件。该系统具备如下功能：

(1)系统上电自检功能，包括所有传感器、绝缘电阻、执行器、系统状态等。

(2)充电、放电、温度、电流等多重保护功能。

(3)管理整个充放电过程功能、绝缘电阻检测及预警功能。

(4)电池组总电压、总电流、温度、单体电池电压等测量功能。

(5)电池组及各单体电池SOC、SOH等功能。

(6)对单体电池的主动无损均衡功能及先进的均衡规则策略。

(7)电池系统相关运行信息存储记录功能。

(8)全系统RS485或CAN总线通讯功能。

(9)高压电的通断管理功能。

(10)系统供电电源监测和保护功能。

3.3 电池安全性设计

电池系统技术的关键与难点在于电池系统安全保障装置设计。由于锂离子动力电池系统能量密度高、总储能大，且应用对象为载客环境，因而要求该系统具备绝对安全性。锂离子电池安全问题是一个系统工程，以预防为主、灭火为辅，需在电芯热失控阶段实施阻断电芯间换热、疏导失控电芯热量至外界、灭明火、隔离空气、隔离电池热失控喷出物等干预措施。在系统级防护中，辅以有效的灭火剂喷淋，在电池管理系统及人为干预控制下设置合理的喷射时间与剂量，以保障电池系统本质安全。

在电池模块中设计热失控监测和预警装置，探测到模块内部发生异常时及时给出报警信号。模块内的监控单元具有多通道的模块内部温度信号采样点、多通道的电压采集点及过高温保护装置。温度传感器固定在每个电芯最高温度位置。

依据单体电芯热失控对周边电池影响方式和范围的研究结果，在电池模块内设计内容物溅射控制结构，确保单电池热失控喷出物不影响到相邻电芯。单体电芯失效发生时，在电池泄压口上部进行阻燃胶(陶瓷粉硅胶)防护，该阻燃胶在热失控初期隔离空气，电芯释放热量使陶瓷粉固化，阻断温度传递，阻断电池热失控喷出物影响，使单体热失控不传播。配合舱体灭火器在电池管理系统及人为干预控制下的合理喷射时间与剂量，保障电池系统本质安全。

电池舱内设计七氟丙烷自动消防系统，在电池模块发生单电芯热失控情况下对模块进行外部的降温、灭火处理。消防系统设置多个储罐，分多次释放。喷淋时机由电池管理系统根据温度探头、电压探头等信息进行自动延时起动，并由人工远程干预、确认，避免误启动。喷淋位置为异常模块货架上方，喷淋方式为全淹没式。

4 结语

纵观300客位全电推进游览船的运营情况，该船运行客舱噪声约为50 dB，大大提高了乘客的乘坐舒适度；且该船航行时不消耗燃油，不产生碳、硫等废气污染物及PM2.5颗粒，完全实现了零排放。结果表明采用纯电池推进的船舶为乘客提供较好舒适性的同时真正实现了绿色减排，纯电推进系统对于船舶的绿色可持续发展意义重大，值得推广。