运河船舶岸基能源推进技术的系统构建_严新平

船海工程 第 44 卷
－ 岸电力供给系统通过受电连接装置将接触网上 的电能输送到船舶上并通过船舶电站进行管理。 2． 1． 1 接触网支持装置架设方式
接触网支持装置包含支柱与基础，它们用来 承受接触悬挂、支撑和定位装置的全部负荷，并将 接触悬挂固定在规定的位置和高度上。由于运河 航道口宽大概在 40 ～ 200 m 之间，跨度范围较大， 可以针对不同航道口宽采用不同的接触网支持装 置架设方式。这里提出两种架设方式： 方式一，岸 边立杆，伸出水平杆 （ 见图 2a） ； 方式二，两边立 杆，横拉钢索（ 见图 2b） 。
针对这个问题有两种解决方式： 一种是德国 Straussee 湖上的 Steffi 渡轮（ 如图 3c） ） 采用集电 线，用 环 套 住 接 触 线 可 以 解 决 频 繁 脱 线 的 问 题。 另一种是美国 canby 渡轮（ 如图 3d） ） 采用三脚架 结构的受电结构受电方式，同样可以解决频繁脱 线的问题。
图 5 视频监控界面
换轨装置从当前航道中驶离，进入其他航道。 通过借鉴无轨电车转向结构，提出船舶超船
换轨系统。主要由衔铁和电磁铁两部分构成。将 船舶的超船换轨过程分为 5 个情景，见图 6。
图 4 Mauvages 运河船舶
针对航线偏移问题，船舶监控系统利用京杭 大运河电子虚拟航道和 AIS 的协同作用，监控船 舶与接触网的相对位置，防止船舶偏移过大，提高 船舶安全性 能［5］。 电 子 虚 拟 航 道 监 控 系 统 主 要 监控船舶与虚拟航道的相对位置。当船舶航行过 程中由于受到水流、风等的影响会引起船舶偏离 航线且偏移距离大于阈值时，系统会发出报警提 醒驾驶员做出相应操作，保证船舶与输电线距离 保持在安全范围内。AIS 主要用于监控船舶与船 舶之间的 相 对 位 置，防 止 发 生 船 舶 碰 撞 事 故［6］。 视频监控装置可以用来显示船舶与船舶及虚拟航 道之间的位置关系［7］，见图 5。 2． 1． 4 船舶超船换轨系统
由于湖泊及隧道与运河的通航环境存在差异， 湖泊渡船技术无法直接应用于运河，为此需开展适 合于运河船舶的岸基能源的电力推进技术研究。
收稿日期： 2015 － 03 － 23 修回日期： 2015 － 03 － 28 基金项目： 国家科技支撑技术（ 2013BAG25B03） 第一作者简介： 严新平（ 1959 － ） ，男，博士，教授 研究方向： 船舶动力机械监测诊断及船舶清洁能源 E-mail： xpyan@ whut． edu． cn
目前动力电池在船舶中应用还需要解决一些 问题，如： 快速充放电性能差、价格高和过充放电
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保护等问题。在过充或滥用的条件下，动力电池 可能发生火灾或爆炸。为了确保动力电池使用的 安全性就必须采用电池管理系统 （ BMS） 。根据 所采用的动力电池的类型和动力电池组的组合方 法，建立准确适用的数学模型和控制模型，设计快 速有效的控制算法［8］。
其中受电弓应用最为广泛，主要应用于高铁、 地铁、有轨电车等，不难发现这几种运输方式均为 有轨运输，运行路线稳定，受电弓可以在接触线下 稳定滑行。集电杆主要使用在无轨电车上，通过 端部的 U 形槽中的架空线与石墨滑块摩擦获取 电力。无轨电车虽然可以产生一定的偏移，但是 相对于运河船舶的偏移来说有限。如果运河船舶 采用以上两种受电方式将会导致频繁脱线，影响 运河船舶的正常航行。
图 1 岸基能源船舶推进技术系统构成
2 关键技术
2． 1 基于接触网的运河船舶推进的关键技术 采用接触网的运河船舶推进技术是指来自于
区域电力系统的电能被输送给岸基供电系统。牵 引变电所把电能转变为适用于运河船舶设备的电 能，然后输送给沿运河线上空架设的接触网。船
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（ 武汉理工大学 a． 国家水运安全工程技术研究中心； b． 能源与动力工程学院可靠性工程研究所； c． 船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉 430063）
摘 要： 为了降低运河船舶污染物的排放并减少其对非可再生资源依赖，构建基于岸基能源的运河船舶
推进系统配置形式，提出采用接触网、动力电池，以及无线供电 3 种方式为船舶供电需要解决的关键技术。排
运河中不同船舶的航速有差异。为了实现不 同船舶对航速的要求，船舶与船舶之间应能实现 超船与换轨功能。因此需要在特定航道设计超船 换轨区域，保证运河船舶航行的高效有序。船舶 超船装置可以使运河船舶在航道内顺利超船，而 不影响航道内其他船舶的正常航行。同时，当航 道内的船舶需要转向或进港停泊时，也可以通过
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种： 受电弓［2］（ 见图 3a） ） 、集电杆［3］（ 图 3b） ） 、集 电线（ 图 3c、d） ） 。
图 2 接触网支持装置架设方式
如果航道口宽较窄，可以采用在岸边架设的 支柱上伸出较长的水平杆，通过水平杆来承受接 触网的全部负荷。这种方式结构较为简单且成本 较低。如果航道口宽较宽，可选用两边立杆，通过 横拉钢索来承受接触网的负荷。对于湖泊等水面 很宽、但是水深相对较浅的水域也可以采用水中 架设支柱的方式来承受负荷。以湖北生态旅游度 假区梁子湖为例，湖泊水深约 3 ～ 5 m，船舶航线 固定，适合采用水中立杆的方式。 2． 1． 2 受电连接装置及电制
目前，接 触 网 技 术 在 高 铁、地 铁、有 轨 电 车［1］、无轨电车及湖泊渡船上都有应用。而将接 触网应用于运河船舶需要设计一种较好的受电连 接装置，因为运河船舶相对于以上几种运输方式 不具有固定的轨道，随时可能受到风、流的影响产 生漂移。当前存在的接触网受电方式主要有三 160
图 3 受电连接装置
电池能量管理系统主要包括以下几个功能。 1） 参数监测。实时采集动力电池组的总电 压和总电流及每包电池温度等，从而防止电池组 出现过放电或者过充电现象。 2） 荷电状态（ state of charge，SOC） 估计。通 过建立的模型算法来准确估计动力电池组的剩余 电量，从而在船舶荷电不足时向船舶辅机等不影 响行驶安全的设备发出指令，限制动力电池向这 类设备输出功率，从而增加航行距离。同时让船 员及时更换船舶蓄电池组或者充电。 3） 热管理。实时采集每包电池测点温度，通 过控制散热风扇防止电池温度过高，避免引起船 舶故障。 4） 均衡电池组中各单体电池。由于每块电 池个体的差异以及使用状态不同，电池在使用过 程中不一致性会越来越严重，系统应能判断并自 动进行均衡处理［9］。 2． 3 基于无线输电的运河船舶推进的关键技术 目前无线输电（ WPT） 方式主要有电磁感应 耦合式、磁耦合谐振式、电磁波辐射式 3 种。感应 耦合式采用可分离变压器或者互感线圈来实现电 能的无线传输； 磁谐振式是利用参数完全相同的 谐振线圈，通过磁耦合谐振作用实现无线电能传 输； 电磁波辐射式将电能转换成微波，通过空间传 播到接收端实现无线电能传输。其中磁耦合谐振 式具有高效、非辐射能量传输的特性，相比于电磁 感应耦合式，其传输距离更远； 而相比于电磁波辐 射式，其传输效率更高。磁耦合谐振式 WPT 在轨 道交通、家用电器等方面均有应用［10］。而电磁波 辐射式要求发射器必须对准接收器，受到严格的 方向性限制，并且易受大气等周围介质的影响导 致衰减较大，不能高效穿越障碍物，所以该技术只 适用于空矿空间的远距离能量传输，目前已在无 人飞机以及太空太阳能发电站的无线输电中得到 应用研究。如果能将无线供电技术应用于船舶， 通过岸基上的发射器将电能以电磁波或者微波的 形式发射出去，船舶上通过安装电能接收器从而 162
我国河流众多，运河运输主要分布在经济发 达人口稠密的地区。
在世界范围内，运河船舶的动力形式经历了 畜力、蒸汽机、蓄电池、电动和内燃机等阶段。目 前以内燃机为动力源的占 95% 以上，每年不仅消 耗大量的石油，同时排放大量的 CO2 、NOx、SOx 和 PM 颗粒物。这些船舶废气严重影响了运河周边 城市的空气质量，危害了运河周边城市人民的健 康。而具有“零 排 放 ”等 优 点 的 岸 基 能 源 在 船 舶 上却鲜有应用。在德国 Straussee 湖上的 Steffi 渡 轮采用基于岸基能源的电力推进形式，通过一根 电线为船舶提供 7． 5 kW 的功率。这根电线横跨 370 m 的湖面，采用 170 V 的电压，通过水实现电 流的回路。同时，法国的 Mauvages 隧道也通过接 触网提供 600 V 直流电给电动拖船。如果将运河 船舶传统的以内燃机为动力源的模式替换成采用 岸基供电作为船舶的动力源的模式，不但可以减 少石油的消耗，同时可以减少危害气体的排放量， 实现运河船舶的节能减排。
放性和经济性两方面对比分析表明，采用基于岸基能源的船舶推进技术可以达到很好的节能减排效果。同
时，该技术适用于运河、湖泊等水文特征相对稳定的内河流域。
关键词： 岸基能源； 运河船舶； 接触网； 动力电池； 无线供电
中图分类号： U665． 12
文献标志码： A
文章编号： 1671-7953（ 2015） 03-0159-06
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2． 1． 3 船舶漂移控制 运河船舶航行时，由于风力、吃水、水流和潮
汐等因素的改变会造成船舶的漂移和浮动。如果 受电连接装置为受电弓或者集电杆，船舶的漂移 会导致频繁脱线，在没有应急电源的情况下会导 致全船频繁失电。如果受电连接装置为环接触的 集电线，则会使接触网受到较大的拉力，可能会破 坏接触网的结构，导致其不能正常运行。因此，必 须对船舶的漂移进行控制。图 4 所示是 Mauvages 运河船舶的架空接触网和缆绳。它通过架空接触 网为船舶提供电能，采用电机带动浸没于水中的 缆绳推动船舶前进。缆绳在一定程度上缓解了运 河船舶的漂移，但是，对于船舶较多的运河，如在 水中铺设缆绳将会影响其他船舶的正常航行，这 种方案具有一定的局限性。
从图 3 中还可以发现，无轨电车采用的双线 供电，而高铁和湖泊渡船采用的是单线供电。高 铁由于具有固定的轨道，可以通过轨道与接触线 构成回路。而船舶采用一根输电线就只能通过水 实现电流的回路，但是这会导致电极较大的阻抗 和腐蚀。当输电线为两根时，减小了船舶的阻抗 和腐蚀，但是如果两根电线接触会引起短路而且 结构复杂。美国 canby 渡轮采用三根线为船舶电 动机输送三相交流电。对于采用岸基供电的运河 船舶的电压可以分成低压船舶岸电电源系统和高 压船舶供岸电电源系统。一般低压船舶岸电电源 系统的上船电压为 440 V /690 V，高压岸电电源 系统的上船电压为 6． 6 kV /11 kV 或者以上［4］。
1 系统构成
目前，运河船舶大都采用传统推进方式，即通 过柴油机带动螺旋桨进行推进。基于岸基能源的 运河船舶推进技术是将运河船舶的传统推进形式 改为电力推进的形式，由岸基统一为船舶提供电 力，并对船舶的航行进行智能化管理控制，形成运 河船舶的电气化标准。在此基础上，形成由专用 港口码头、航道、船队组织，以及岸基供电系统构 成的新型运河货运船舶运输工艺系统。基于岸基 能源的运河船舶推进技术的系统构成见图 1。
图 6 超船换轨示意
2． 2 基于动力电池的运河船舶推进的关键技术 在运河港口或闸口增设动力电池充电站，为
蓄电池组进行快速充电，或者将动力电池充电站 的蓄电池组更换到船舶上供船舶航行使用。 2． 2． 1 动力电池船舶的续航力
基于动力电池供电的运河船舶的续航力与船 舶上蓄电池的输出功率和岸基动力电池充电站的 间隔有关。蓄电池的容量越大，船舶的续航力越 久，可以实现的航行里程就越长。但是相应所需 要的电池的体积、质量也越大，会增加运河船舶的 质量，减少运河船舶的载货量和降低其动力性，同 时给运河船舶的布置也增加了难度。蓄电池的容 量越小，可以实现的航行里程就越短，岸基动力电 池充电站的间隔就越近。这就增加了岸基动力电 池充电站的数量，提高了岸基能源供应基础设施 的成本，同时由于充放电和更换电池组的时间较 长也会影响船舶的正常营运时间。所以基于动力 电池供电的运河船舶的续航力要与运河船舶电池 的选择和匹配及岸基动力电池充电站的建设要协 调配合。 2． 2． 2 动力电池的能量管理技术
第 44 卷 第 3 期 2015 年 6 月
船海工程 SHIP ＆ OCEAN ENGINEEＲING
DOI： 10． 3963 / j． issn． 1671-7953． 2015． 03． 038
Vol． 44 No． 3 Jun． 2015
运河船舶岸基能源推进技术的系统构建
严新平a，b，c ，万江龙a，b，c ，袁裕鹏a，b，c ，尹奇志a，b，c