环卫集装箱船的新能源技术应用研究

范金健 耿聪

摘要：随着国内对船舶绿色环保要求的重点关注，以及智能技术的快速发展，内河航运已经具备电动化的基本条件，绿色智能船舶将是船舶发展更新换代的主流趋势。

关键词：新能源;纯电动力系统;环卫集装箱船

目前国内锂电池动力船舶的容量一般控制 5000KWh 以下，其续航里程受充电装置、充电时间的限制。 基于此，本课题的总体目标主要着眼于前瞻性研究，同时依据上海当前内河航道的通航要求，重点分析内河500吨级（27TEU）环卫集装箱船的纯电池动力系统，以满足城市生活垃圾集装箱运输集运系统的新能源升级。

一、国内纯电池动力船舶发展趋势

近年来，我国已在内河电动船舶的关键技术上取得较大突破。磷酸铁锂电池以其高安全性、长寿命、低成本、性能均衡等多方优势成为现阶段船舶动力电池的最优选择。基于安全性和经济性，磷酸铁锂电池适用于我国电动船舶，诸多船用电池厂家的动力电池产品通过实验测试，获得了中国船级社认可证书。且充放电倍率达到20C，船舶启动加速及动力操控性更好，已经具备了在船舶上推广应用的技术条件。

国内电池动力船舶应用推广基础条件逐步形成。借鉴最新国内电动船舶应用实例，电力推进系统成为我国内河电动游船主流的动力系统，采用直流电力推进+全回转舵桨组合形式。目前国内纯电池动力船舶的关键技术是动力电池技术和电力推进直流组网技术。

二、纯电池动力船舶的技术特点

电池动力船舶技术是将传统的以柴油机作为动力源的机械推进改为由动力电池为动力源的电力推进技术， 不需要配备排放和污染大的柴油机，改由动力电池为船舶提供能量源，在航行过程中无污染物的排放，可实现船舶“零排放”的目标。

2.1电池技术成熟稳定

目前磷酸铁锂电池的应用相比较于车用电池，应用于电动船舶上的磷酸铁锂电池需面临较多技术验证和更严的规范标准，主要持证要求包括：锂离子单体电芯、锂离子电池模块、锂离子电池包、电池管理系统、锂离子电池系统。这些通过中国船级社（CCS）认证符合我国法定检验要求。

原材料：采用磷酸铁锂电池，磷酸铁锂具有非常高的安全性，能量密度相对也较高，热失控温度在 800 度，并且即使热失控也能保证不起火不爆炸不蔓延。

温度调节：宁德时代电池智能热管理系统保障电池能在-30℃～60℃高效运行。若环境温度过低，可在 15 分钟将电池温度从-20℃升至 10℃。

智能管理：电池智能管理系统能 24 小时掌控电池健康状态，提前识别不健康电池;并且精准预测剩余电量，降低运行里程跳变的困扰。

电动船的使用环境对动力电池的安全性具有极高的要求。电池的安全性是系统安全性的根本。船用情况下，电池系统总储能大，阻止电芯之间、模块之间的热失控传播，将系统级安全问题化解至单元可控级别是系统安全性的关键。

船用领域舱室空间相对于车用更为富余，给热失控和热失控传播阻断的防范结构提供了大量空间。辅以舱室隔离、灭火系统、隔热材料等措施，可以避免系统级安全问题。

2.2动力系统全面升级

船舶的动力系统类型主要有常规主机推进、柴电推进和新能源推进。相比于传统柴油机推进系统，纯电池动力系统取消了油、水、气的复杂系统，精简了船舶系统，降低运行成本和维护管理的强度。纯电池动力系统还具有良好的环保效果，零污染、零排放、噪音低、振动低等优点，能满足 CCS《内河绿色船舶规范》（2020）绿色船舶Ⅲ最高等级要求，可以将船舶对环境的影响降到最低。

纯电池动力系统的基本配置包括：

储能系统：满足动力性、安全性

电池消防系统：舱室消防模式

配电系统：直流组网设计、能量回馈制动、冗余设计

推进系统：轴系、Z 型、吊舱、无轴环推、直翼桨等

定制化充电系统：直流接入+简易式摇臂+模块化充电枪接入;充放电机械连锁;岸电、船电充电握手确认

绿色动力系统设备

三、新500吨级环卫集装箱船的关键技术

3.1、集装箱式移动电源

新船配置 3TEU 移动电源箱，移动电源箱采用 20 英尺标准集装箱，箱式电源包含 2 个独立的相同配置的电池组，电池组独立对外充放电。 每个电池组由 5 个相同配置的电池簇并联，由1 个组管理箱（汇流柜）管理。每个电池簇由 6 个蓄电池包与 1 个簇管理箱（簇高压箱）串联而成。

电池组技术参数：组合方式 LF280-5P180S、标称电压 DC576V、标称容量1400Ah、电压范围 DC522～DC630V、标称能量 806.4kWh、重量约 6.7t（含电池系统）、充放电相同接口。

电池管理系统（BMS）经CCS 型式认可，主要包含BSU（BMS 从控单元）、SBSU（BMS 安全功能从控单元）、BCMU（电池簇管理单元）、BGMU（电池组管理单元组成 3 级系统。

3.2、主推进装置

主推进装置的选型主要包括：

（1）常规的全回转舵桨装置（含侧推装置），配套交流变频电动机驱动。

（2）先进的吊舱推进器（又称 POD 推进器），集推进和操舵装置于一体，极大地增加了船舶设计、建造和使用的灵活性，使电力推进的优越性得到了更充分的体现。吊舱推进器一般由永磁电机、导管、螺旋桨和控制器等组成。

（3）新型的无轴电力环型推进器（与永磁同步电机一体化），配套电机控制器，其调速方式为变频调速，同时实现舵桨一体化的集成，有利于简化机舱的空间布局，降低机舱设备的故障数量。

环型推进器将壳体做成导管的形状，产生额外的推力，具有比舵桨和传统推进器更高的效率。环推结构主要技术特点：（A）轮缘式电力推进器由永磁同步电机、推力和径向轴承、螺旋桨、导管组成;（B）螺旋桨直接固定在永磁同步电机的转子内圈;（C）推力轴承固定在定子上，承受螺旋桨的推力;（D）电机定子和转子均由防腐蚀材料紧密包裹，不与水直接接触 。

3.3、配电系统

配电系统主要包括：双向 DC/DC、整流器、日用逆变器、直流母排配电柜、交流配电柜、电能管理系统（PMS）、高性能 PLC/多种现场总总线等。

新型纯电动力电力推进系统采用直流组网设计，使用目前成熟可靠的工业产品，大大简化能量传递系统。不存在无功功率平衡和稳定问题，可靠性更高，不会产生交变电磁场，辐射小，无电网谐波。

采用专用变频器能量回馈制动单元，针对船用大惯量负载，将电机在制动过程中产生的 97%再生电能量回馈给电网，并通过储能单元进行能量回收。电机制动时可快速向储能单元回馈电能进行反馈制动，大大增强电机的制动功能，可以快速地实现推进电机的正反转控制。台架试验数据论证，空载时电机的 100%正转至 100%反转时间小于 3S，满负荷时从电机的 100%正转至 100%反转时间小于10S。

3.4、船舶自动化系统

考虑安装智能机舱模式设置，主推进控制系统包括：全触屏推进控制面板、全自动电池供电切换、多种推进模式选择、电池系统监控面板、本地及远程参数设定等，通过高性能PLC实现定制一体式驾控台的手柄操纵和监测报警，设置人机界面/远程支持/故障诊断、推进操纵/仪表/报警。其它还包括：全船综合报警系统、电能管理系统、船岸通讯及CCTV（可选）、全船网络系统（可选）。

当前，“碳中和”正在成为全人类的共同命题。城市生活垃圾集装箱运输的新能源绿色集运系统是当前城市物流集疏运体系建设的重要环节。 上海城投环境（集团）有限公司积极践行绿色发展理念，在长江经济带高质量发展政策的引导和支持下，充分发挥自身优势，加强绿色化、智能化环保船型的研发，不断提高水路固废转运的效率水平， 重视纯电动船舶产业链多环节的资源融合，形成产业发展的长效机制，为推动船舶智能绿色发展做出新的贡献。

作者简介：范金健 高级工程师 建造师 ，供职于城投环境（集团）有限公司资产管理部

耿聰 副总经理、经济师 ，供职于城投环境（集团）有限公司资产管理部