1概述

　　2006年起，國際海事組織(IMO)《國際防止船舶造成污染公約》(MARPOL)附則六“防止船舶造成空氣污染”及其修正案，對(duì)船舶的氮氧化物、硫氧化物和顆粒物等污染物排放最大標(biāo)準(zhǔn)及油耗收集機(jī)制做出規(guī)定。2015年，我國交通運(yùn)輸部發(fā)布《珠三角、長三角、環(huán)渤海(京津冀)水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》。在船舶制造和研究的領(lǐng)域，隨著“綠色航運(yùn)”、“綠色船舶”等的環(huán)保節(jié)能理念的影響，純電能動(dòng)力船艇的研究力度加大，進(jìn)展日漸引人矚目[1]。

　　小型船舶的電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)/裝置可廣泛應(yīng)用于執(zhí)法公務(wù)艇、游艇、渡輪等小型船舶。隨著功率器件和交流調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的普及，電力推進(jìn)技術(shù)迅速發(fā)展，已具備向中小型船舶動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)可行性。本文針對(duì)某型小型船舶，研究和設(shè)計(jì)了一種基于電力推進(jìn)的小型船舶動(dòng)力系統(tǒng)。

　　2系統(tǒng)組成

　　小型船舶電力推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)主要由動(dòng)力蓄電池組、推進(jìn)電機(jī)、電機(jī)控制器等部分組成，各組成部分通過通訊總線、高壓線束、低壓線束連接。動(dòng)力蓄電池組由電芯模組和電池管理模塊組成，為小型船舶電力推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的主動(dòng)力來源，為電機(jī)控制器提供動(dòng)力電源，電機(jī)控制器推進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)做功，經(jīng)過齒輪箱、尾軸等機(jī)械傳動(dòng)部分，最終拖動(dòng)螺旋槳選裝，驅(qū)動(dòng)船舶前行。操縱部分通過通信總線向電機(jī)控制器下達(dá)轉(zhuǎn)速指令，并監(jiān)測電池組和電機(jī)的狀態(tài)。充電機(jī)采用岸基充電方式，船舶停靠碼頭時(shí)可以為動(dòng)力電池組充電。

　　3主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)

　　3.1電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

　　3.1.1電機(jī)額定轉(zhuǎn)速

　　船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速可按下式計(jì)算：N=Vsi(1-S)rP(1)式中：N-主機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/s;Vs-航速，單位m/s;i-齒輪箱減速比;Sr-滑失比;P-螺旋槳螺距，單位m。水是柔性介質(zhì)，所以螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)一周沿軸向?qū)嶋H行進(jìn)的距離，即進(jìn)距hp小于螺距p，這個(gè)距離差稱為滑失。滑失比可按下式計(jì)算Sr=p-hpp(2)其中：p-螺距，單位m;hp-進(jìn)距，單位m。

　　進(jìn)距hp按下式計(jì)算：hp=VsiN(3)根據(jù)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入式(2)和式(3)，計(jì)算得Sr=0.204。則根據(jù)式(1)計(jì)算可知，最大航速為30km/h時(shí)，電機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為31.25r/s，即1875r/min。由于船舶可以在最大航速下持續(xù)航行，故最大航速時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。考慮傳動(dòng)效率、間隙等因素，取10%的余量并取整，則電機(jī)額定轉(zhuǎn)速可取2100r/min。

　　3.1.2電機(jī)額定扭矩

　　進(jìn)速比是關(guān)系螺旋槳推力和扭矩的一個(gè)無量綱參數(shù)[2]，定義為J=hpD=VpnD(4)式中，Vp-進(jìn)速，即螺旋槳相對(duì)水流的速度，單位m/s;n-螺旋槳轉(zhuǎn)速，單位r/s;D-螺旋槳直徑，單位m。螺旋槳相對(duì)水流的進(jìn)速Vp小于航速，這個(gè)減少的速度為伴流速度，伴流速度的大小取決于船方型系數(shù)、螺旋槳盤面比等參數(shù)。作為推進(jìn)電機(jī)負(fù)載的螺旋槳是以其轉(zhuǎn)矩q作用到異步電動(dòng)機(jī)上的[3]，則電機(jī)扭矩T(N·m)可表示為：T=qi=Kqρn2D5i(5)式中：q-螺旋槳扭矩，單位N·m;Kq-螺旋槳扭矩系數(shù);ρ-水的密度，單位kg/m3。

　　螺旋槳扭矩系數(shù)Kq與進(jìn)速比J有關(guān)，對(duì)應(yīng)關(guān)系螺旋槳敞水特性曲線[4-5]。取Vp=0.6Vs。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照式(4)計(jì)算進(jìn)速比，可得J=0.585，可得Kq=0.038。帶入式(5)計(jì)算可得電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速為1875r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出扭矩為233.5N·m，考慮不同水域水的密度差異，以及傳動(dòng)間隙和效率等，取10%的余量并取整，則電機(jī)額定扭矩為260N·m。

　　3.1.3電機(jī)額定功率

　　電機(jī)額定功率按下式計(jì)算：P=nT9549(6)當(dāng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2100r/min，輸出扭矩為260N·m時(shí)，電機(jī)額定功率為57.2kW。3.2電池組容量估計(jì)電池組總?cè)萘堪聪率接?jì)算：Q=W·tρ·f(7)式中：Q-電源系統(tǒng)總?cè)萘?W-負(fù)載功率;t-續(xù)航時(shí)間;ρ-電池能量轉(zhuǎn)換效率，按0.98計(jì);f-電池放電率，按0.85計(jì)。航速15km/h時(shí)，指標(biāo)要求續(xù)航時(shí)間/里程為5h/75km，按照3.1節(jié)計(jì)算方法可得，此時(shí)電機(jī)輸出功率為5.7kW。代人式(7)，則電池組容量為34.2kWh。

　　4結(jié)論

　　本文針對(duì)某型小型船舶，設(shè)計(jì)了一種小型船舶電力推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)組成，并詳細(xì)分析了推進(jìn)系統(tǒng)中推進(jìn)電機(jī)和動(dòng)力電池組的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。通過該方法計(jì)算出的結(jié)果，可以作為動(dòng)力系統(tǒng)中電機(jī)和電池組研制或選型的依據(jù)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]丁晨雷，康偉，褚建新.小型船舶綠色動(dòng)力電池推進(jìn)系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)[J].上海造船，2011(2)：38-46.

　　[2]馬繼先，陳源，陸振偉.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)螺旋槳負(fù)載的建模與仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22(1)：56-59.

　　[3]趙紅，郭晨，吳志良.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的建模與仿真[J].中國造船，2006，47(4)：51-56.

　　電子論文投稿期刊：《電子設(shè)計(jì)工程》是1993年創(chuàng)刊，原名《國外電子元器件》，主要介紹具有較高學(xué)術(shù)水平的、電子領(lǐng)域相關(guān)的理論、技術(shù)、方法的專業(yè)性技術(shù)期刊。主要介紹當(dāng)前比較先進(jìn)的國內(nèi)外電子技術(shù)、元器件技術(shù)及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)類期刊，主要囊括電源技術(shù)應(yīng)用、工業(yè)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)與通信工程、測控與儀器儀表、圖像與多媒體技術(shù)、汽車電子、消費(fèi)類電子、嵌入式系統(tǒng)、信息安全以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域。