李 虎
(江苏省无锡交通高等职业技术学校，江苏 无锡 214151)
电动船舶使用电能替代传统燃料，使用电力驱动替代传统机械推动，可以降低船舶排放污染、减少船舶运营成本、大幅降低噪声和振动、提升乘坐舒适性[1]。目前国内电动船舶尚处于起步阶段，应用范围和数量也比较有限，多以内湖、沿海的旅游船、轮渡船、城市夜游船为主[2]。2017年，广州市标准化院参与研制的联盟标准《内河双电(锂离子蓄电池、超级电容)纯电动船电力系统》正式发布，为内河电动船舶设计提供了技术参考。中国船级社(CCS)于2019年颁布《纯电池动力船舶检验指南》(下文简称《指南》)，进一步规范电动船舶发展。《指南》涉及电动船舶充电装置应设有机械联锁、充电温度监控等安全要求，未涉及船舶充电桩装载量内容。
目前，电动船舶使用的充电桩多以现有的比较成熟的汽车行业用充电桩引用，虽然这种方式是发展电动船舶充电桩的较好思路和途径，但是也面临着与船舶的特殊应用场景不相符合的情况[3]，例如：充电时需补偿靠泊船舶的6个自由度位移，防止充电电缆被拉断；
船舶装载的电池量巨大，需要大功率充电桩或者多桩并联，这些特殊情况都需要原有的汽车充电桩做出适应性的改造。本文调研江苏省内河港口船舶企业，分析电动船舶工作模式及用电需求，计算充电桩容量，讨论充电桩配置的可行性，同时进行充电站的总体技术设计。
1.1 基本概念
船舶的码头充电桩系统结构一般包括：码头变电站、变频充电电源、充电桩、船端受电接口、储能系统(电池电容)，见图1。
①—电网；
②—变电站；
③—变频电源；
④—电缆绞车(滚筒)和充电插头；
⑤—受电插座；
⑥—动力电池、电容。
充电桩的输入端与交流电网直接连接，输出端都装有充电插头用于电动船舶充电。充电桩一般提供常规充电和快速充电2种充电方式，可以使用特定的充电卡在充电桩提供的人机交互操作界面上刷卡使用，进行相应的充电方式、充电时间、费用数据打印等操作，充电桩显示屏能显示充电量、费用、充电时间等数据。
目前，市场上用于电动汽车的充电桩主要分为直流快充和交流慢充。对于电动船舶来说，电池容量更加巨大，并且充电时间受限，充电功率也比电动汽车更大，因此发展电动船舶的直流充电桩也是未来主导方向。
1.2 技术局限
电动船舶充电桩除了跟随电动汽车的充电桩技术发展外，当前还应解决以下问题[4]，见表1。
表1 电动船舶充电桩需要解决的问题
先后调研江苏省省港集团、江苏省港航中心、南京港、镇江港、南通港、张家港、江苏省远洋集团公司、中集东瀚航运公司等单位，将船舶类型按照吨位、航行距离、停靠时间、用电功率等进行分类，分析其新能源(蓄电池、超级电容)的可能的动力配置方案，进而分析充电需求。船舶企业按照船舶数量、拥有码头情况、盈利能力等进行分类，分析实施充电船舶的可行运营模式。根据调研的船舶，主要考虑以下分类：内河集装箱船、内河杂货船、公务船、港作拖船、轮渡船、旅游船。
2.1 内河集装箱船调研情况
内河集装箱船调研情况见表2。
表2 内河集装箱船调研数据
根据表2内河集装箱船调研数据情况分析集装箱船的耗电量需求，以及电池装船的可行性。内河集装箱船通常航速为10 km/h左右，100箱船一般配备300 kW的动力，200箱船一般配备550 kW的动力，300箱船一般配备650 kW的动力，500箱船一般配备1 000 kW的动力，由此可以得出各类型的箱船需要的电池装载量，见表3。
表3 内河集装箱船电池装载量分析 单位：kWh
由上述分析可见，集装箱船要保证最短100 km的航线，需要的电池数量还是比较大的。为了避免电池占用过多载重空间，最好设置中途的多次充电或者换电。根据调研的集装箱船运行情况，运营排班比较密集，每次停靠码头充电或者换电，应该尽量将时间控制在30 min以内。如果选择直接向船舶充电，则充电桩应具备大功率快速充电的能力。以100箱以下集装箱船为例，单次充电应至少保证100 km续航能力，因此至少需要配备6 000 kW充电设备。如果选择采用换电的方式，则充电桩可以减小功率，但是至少也应保证500 kW的充电功率。从实际情况看，集装箱船采用换电方式较为可行。
2.2 内河杂货船调研情况
内河杂货船调研情况见表4。
表4 内河杂货船调研数据
根据内河杂货船调研数据可知：内河杂货船500 t船一般配备120 kW的动力,航速约8 km/h；
800 t船一般配备250 kW的动力,航速约10 km/h，1 000 t船(15 km)一般配备550 kW的动力,航速约15 km/h；
2 000 t船一般配备700 kW的动力,航速约15 km/h。由以上数据算得各类型箱船所需电池装载量，见表5。
由上述分析可见，500 t及以下小船型杂货船，200 km以下短航线工况时，所需装机的容量不高，可在航程起点、终点处设置充电桩。若两端设置1 500 kW充电桩，则需1 h充满；
若设置3 000 kW充电桩，则需0.5 h充满。其余情况下，采用换电的方式更为可行，或在船舶航行的途中利用快充技术补电。
表5 内河杂货船电池装载量分析 单位：kWh
不论船型大小，采用换电还是充电技术，都需要保证船舶的航线是固定的。杂货船的航行类似于班轮性质，这是实现一切的基础条件。
2.3 内河公务船调研情况
内河公务船调研情况见表6。
表6 内河公务船调研数据 单位：艘
由内河公务船调研数据可知，公务船的种类繁多，航行工况不固定，按每天工作2～3次来计算能量需求，见表7。
表7 内河公务船电池装载量分析 单位：kWh
由表7可见：公务船单次航行时间短，工作频次较低，需要配备的电池数量不多，适合采用纯电动方式；
充电时间较为宽裕，可以配备较小的充电桩；
预计配备200～500 kW的充电桩可以满足条件。
2.4 港作拖船调研情况
港作拖船调研情况见表8。
表8 内河港作拖船调研数据 单位：艘
港作拖船一般单次作业1.5 h，作业后可以返回码头充电。750 kW港作拖船配备2 000 kWh电池，1 500 kW港作拖船配备3 000 kWh电池，3 000 kW港作拖船配备5 000 kWh电池，4 500 kW港作拖船配备7 000 kWh电池。港作拖船晚上充电时间较为充足，白天补电要求快速充电，可以采用快充2 h、慢充8h的补电方式。慢充充电桩充电功率约为800 kW、快充充电桩充电功率约为4 000 kW，可以满足要求。
2.5 轮渡船调研情况
轮渡船调研情况(江苏省轮渡协会提供数据)见表9。
表9 内河轮渡船调研数据
轮渡船单次停靠15～20 min后出发，最大容忍停靠时间30 min，预留充电时间20 min；
也可以在轮渡停航期间充电，预计充电时间为3 h。轮渡船单次航次用电量较小，约为200～400 kWh，但充电时间较短，应具备1 000 kW左右的充电功率。
2.6 旅游船调研情况
内河旅游船调研情况见表10。
表10 内河旅游船调研数据
旅游船工作频次较低，景区内旅游船一般每天工作4～8次，城市夜游船每天工作1～2次；
充电时间充裕，可以在夜间停航期间充电8 h以上，一般配备100～3 000 kWh的电池。因此，对于充电桩的要求较低，具备200～500 kW的充电功率即可。
3.1 充电站总体设计技术
3.1.1 计算充电站容量
(1)根据船舶的运行工况得到船舶的总耗能、单程耗能或阶段性耗能，再根据能耗值和工况得到充电时间和船舶蓄电池基础装载量。基础装载量按一定比例(一般为115%～120%)计算工程裕量[5]。
(2)由工程装载量和船舶充电时间，计算设计出充电站的基础容量。
(3)根据调研结果和需求分析，充电桩容量标准制定为200、500、1 000、1 500、2 000、3 000 kW，可以满足大部分船舶使用。
(4)为了避免对电网带来冲击，充电站系统需要根据国家电网的要求取得入网许可证，计算冲击负荷对电网的影响。
3.1.2 充电站的总体设计
充电站的总体设计应该根据浮动码头或者固定码头的不同情况选择电缆绞车。电缆绞车一般都具备张力平衡装置，防止电缆拉断，同时保证较多的线缆拉伸余量以应对船舶的移位。充电插头目前最大容量为630 A。大功率充电桩需要多个并联插头，因此充电插头的选择还需要考虑是否频繁插拔和插头是否方便插拔。
充电站应设置充电管理系统，整体协调各个部件的操作逻辑关系和执行保护动作。充电管理系统与电池管理系统联络，共同完成电池充电过程[6]。
3.2 充电站机械结构设计技术
充电站从机械结构上可以分为有线充电、无线充电；
从接口类型上可以分为圆孔插头型、方形铜排型；
从操作方式上可以分为手动插拔型、自动插拔型。充电站设计时应首先考虑各组成部分的机械结构要求，如：电源变换装置的规格、充电桩的规格，插头插座、码头补偿装置等连接件的规格。
交通运输部禁止无线充电装置在船舶充电的应用，因此本文分析有线充电方式。充电站系统中变频电源、充电插头、充电插座可以参考现有的岸电标准执行。由于码头情况复杂，输送装置需要补偿船舶移位2～10 m的位移量，因此需要具备激光测距、伺服控制、精准定位、自动补偿船舶移位的功能。
3.3 充电站电气设计技术
充电站电气设计需要根据船舶岸电和船舶电网的相关计算方法进行。安装在船舶上的设备应该具备船级社认证证书，安装在陆地上的设备需要具备国家电网的相关认证或者满足岸电设备要求，安装在趸船上的设备应该满足船级社要求。船用电缆按船级社规范提出的计算标准，从船舶上连接到岸端的电缆按陆地电力建设的计算标准[7]。
充电站的电制要求，一般在变电房至变频电源为高压段6.6 kV或者10 kV，变频电源输出为低压交流或者低压直流，少数情况输出为高压交流，这样的电制设计是符合实际应用场景。电气设计的保护要求首先参照船舶岸电的相关标准，对连锁保护、接地保护、冗余安全、操作流程等进行计算设计。此外仍需考虑的是充电过程的保护措施，这是船舶充电标准的新内容，此时的控制主体是BMS,应使用充电管理系统进行有效的程序保护。
(1)深入了解了江苏省内主要通行船舶的情况，并根据船舶和码头的实际运行情况，分析了采用纯电池动力船舶的技术方案和充电桩配置的可行性，同时研究了充电站的技术路线和关键技术。
(2)该研究为电动船舶充电提供了安全保障，能够推进江苏内河电动船的发展，促进江苏内河水运绿色发展。
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