内河纯电动船舶建造检验

◎ 占雷 曾万鹏 叶城 郭国凡 安徽省皖江船舶检验局

目前世界范围内的船舶动力系统推进系统主要是柴油机推进系统，伴随着污染问题、能源问题、动力系统等问题，国际上外海船舶已经在逐步新能源化，如LNG动力船舶，油电混合动力船舶，纯电游艇、客船、公务船等等。欧洲内河船舶更是6 0%的纯电化，因此，船舶这一传统行业将逐步新能源化，最终解决全球环保问题。在国家“双碳”承诺下，能源清洁化成为大势所趋，新能源船舶建造检验项目的积极实施，是安徽省船舶检验局、皖江船舶检验局响应能源清洁化重大国家战略，适应国内航运市场发展需求、服务社会的重大举措。

1.纯电池动力船舶简介

1.1 船舶主要尺度

“港航船途01”集装箱船，总长73米，型宽13.8米，型深4.6米，设计吃水3.4米，设计航速12公里/小时，平均航速8公里/小时，设计集装箱装载量为105TEU,详见表1。在船舶艉部装配2套锂电池集装箱，内部安装磷酸铁锂电池。实船见图1。

图1 实船照片

表1 73米内河纯电动集装箱船舶主要参数

1.2 电池动力系统介绍

整个系统配置共接入1个锂电池集装箱并配置1个备用的锂电池集装箱，一用一备以保证船舶的续航里程和系统的冗余性。每个锂电池集装箱配备2 组电池，每组容量770kWh，单个锂电池集装箱电池容量为1540kWh，整船锂电池容量共计3 0 8 0kWh。经过集中式的直流母线变频电控设备在直流母线进行并网，驱动2台10 0kW 的永磁推进电机。直流母线变频电控设备将提供2个50kVA的日用电源，一用一备，为船舶日用负载提供高品质的日用交流电源。

船舶电力系统整体架构见图2。

图2 船舶电力系统整体架构

1.3 其他情况

联合武汉理工大学团队，利用高校资源，对项目船进行了船模拖曳水池实验，优化线型和舵桨匹配见图3。

图3 船模试验

图4 箱式移动电源

1.3.1采用高强度钢板

主船体使用CCSA H36高强度钢板，减轻空船重量。实现船舶结构优化，货舱区域纵骨架式，全船只设有一个货舱，货舱区无横舱壁，满足大开口船规范要求。

1.3.2采用直流组网+电池斩波的方案

采用电力电子器件进行主动控制，由功率管理系统（PMS）进行功率分配，保证每组锂电池有相同的放电深度，延长锂电池组的使用寿命。同时，如果有某组锂电池发生故障，系统会根据实际情况切断该组电池或者限制故障电池组的功率，再由剩余锂电池组平均分配剩余功率，保证系统的稳定性和可靠度。

1.3.3采用箱式移动电源

集装箱式移动电源容量最大可达15 4 0kWh，具备高能量密度集成、全方位安全防护、智能远程监控等核心技术。

1.3.4采用永磁同步电机

永磁电机节能、效率高，永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机，其在轻载时效率较高，这是永磁同步电机在节能方面，相比异步电机最大的一个优势。节能对于新能源船舶意义重大，意味着在不增加电池组容量的情况下，同等工况下，采用永磁电机的船舶可比采用异步电机的船舶续航里程适当增加。

2.纯电池动力船舶建造注意事项

2.1 审图工作

73米内河纯电动集装箱船舶建造检验项目是安徽省首艘新能源纯电动内河集装箱船，结合73米内河纯电动集装箱船舶审图工作。其中重点问题如下：

1）项目船重要设备持证清单，尤其是箱式电源的取证时间问题，是否影响船舶的施工进度。

2）其他省份纯电池动力船箱式电源有没有通用性的问题。

3）纯电池动力船的航程、航速与电池容量的富裕度问题，特别考虑长江段和待闸时间的耗电量；动力电池容量计算，请根据航段的水文情况分段计算，特别考虑实际船闸等待时间，长江汛期航段（裕溪口至朱家桥码头）逆水航行的耗电量问题，请设计公司确认。

4）项目船完工后系泊试验、航行试验大纲的编制问题，因大纲的编制目前无依据，需要各方充分商讨，群策群力编制满足各方要求的试验项目。

5）箱式电源与船舶结构稳性设计，船舶推进系统以及驾驶室监控系统端口衔接问题。

6）备用箱式电源换电模式问题。

7）消防工况时是采用2台推进电机降速运行还是停止一台推进电机的方式，为达到这一要求时，是采用人工还是系统自动，请设计公司和设备厂家确认。

8）直流母排系统短路试验报告，编制试验报告记录表格，验船师参与试验全过程，由设备厂家确认。

2.2 开工前要注意问题

1）最好组织召开开工技术交底会议，船东、设计公司、船厂、船检四方对建造过程中注意的重点、难点事项达成一致意见。

2）根据项目船结构特点及船厂起运设备确定船体共设多少个分段。

3）确定检验项目表和重要的检验节点。由船厂会同船东、设计单位、电力推进系统供应商制定，五方共同确认，报船检审核。

4）确定系泊试验项目及验收标准。请船厂、船东、电力推进系统供应商、电池供应商、船舶设计公司制定相关大纲，报船检审核确认。

2.3 其他注意事项

1）该项目船航线沿途桥梁和巢湖闸、裕溪口闸限高影响，已在初步图纸设计审核阶段将艏楼二层变更为一层。

2）考虑到长江汛期水流较大的因素，保障项目船长江段过江的操作性能要求，审图阶段提出两台推进电机由80KW变更为100KW。

3）主流母排通过隔离开关分成A/B汇流排，项目新增直流母排每一个汇流排的绝缘检测试验。

4）增加斩波器、推进逆变器、日用逆变器功率模块的过电流延时和瞬时保护报警效用试验。

5）电池加载负荷试验现场试验困难，变通为推进电机加载负荷试验的办法。

6）考虑到项目船额定输出功率200KW，船厂的实际条件，负荷试验负载采用拉缆绳方式实施。

7）箱式电源报警点测试SOC低报警做详细，按照审批图纸设计的三挡报警模式进行模拟实验。

8）箱式电源紧急切断按钮为驾驶室遥控和就地两种形式，项目表分开编制，现场效用试验分开做。

9）增加日用负载端最大功率设备（消防泵）启动，电网的适应性试验（日用配电板异常失电）。

10）航行试验推进电机额定负荷输出时，项目船大舵角回转，测试电网的极限稳定性（项目船无过载报警全船失电）。

1 1）增加经济航速耗电量的记录，航行试验增加航程距离的记录，以便核对电量是否满足设计要求。

3.建造过程出现的问题分析与建议

问题1 描述：日用交流配电板启动大负载供电时电网的适应性检验，现场启动消防泵会出现交流配电板异常断电现象。

问题分析：日用交流配电板额定容量30KW，消防泵功率7.5KW，启动电流峰值大于变频器设定的额定电流，日用交流配电板失电。

解决方法：消防泵启动形式改为星三角启动，启动电流小于变频器设定的额定电流，失电故障消除。

问题2描述：项目船推进电机额定转速航行，大舵角全回转试验时，动力电池失电。

问题分析：电池斩波模块的最大放电限制电流设置为1 5 0 A，仅仅相当于额定功率。在满功率大舵角操作时，出现了短时间的过载。此时斩波模块的电流达到了最大的150A，仍然无法平衡由于电动机短时间过载所需要的功率，导致直流母线电压下降。当直流母线电压下降到欠压保护值487V时，整个直流配电板的所有功率模块因欠压故障停止运行。

解决方法：根据实际需求，电池斩波模块的最大放电限制电流设置从初始的150A设定到170A，这样可以有效增大电池组约15%输出能力，确保满足推进电动机短时间过载的要求。当推进系统达到额定功率时，继续增大推进功率时，直流变频控制系统会做出功率限制的警告提示。

4.后期展望

（1）临时应急电源布置方面，因项目船未艏驾驶，临时应急电源摆放至顶棚甲板上，现场黑船试验，会影响到船艉箱式电源BMS系统自检供电，后期应单独设置箱式电源的启动电源。

（2）机舱推进电机齿轮箱滑油泵噪声大，后期设计可以采用启动时采用电机滑油泵，推进电机稳定运行时采用机带滑油泵替代的形式，可以大大降低机舱噪音。

（3）推进电机齿轮箱滑油润滑，应设置油温监测装置。

（4）增加经济航速耗电量的记录，航行试验增加航程距离的记录，以便核对电量是否满足设计要求。