近年来, 入秋的雾霾日趋严重。造成这一问题的原因很多, 但不能忽视的一点是交通工具的废气排放, 所

以各地都开始针对陆上主要交通工具———汽车进行整治和改造。其实, 水上交通工具的排放量也不容小

觑。通过调研及数据统计, 将内河船与小轿车排污进行比较, 以最常见的车型与船型为例, 如表1所示, 以

中国PM5标准, 1艘内河船只每年平均颗粒/煤烟排放量等于2万辆轿车, 每日的颗粒/煤烟排放量 (对港口城

市影响) 等于9万辆轿车的排放量。可见, 对内河船进行绿色改造迫在眉睫。[1]

表1 内河船与小轿车排污数据对比分析     下载原表

 表1 内河船与小轿车排污数据对比分析
早在2013年11月召开的全国“发展低碳绿色交通, 改善大气环境质量”专家恳谈会上, 不少专家指出“油

改电”是内河船动力改造的发展趋势。纯电动具有省空间、易操作、省燃料、低噪音、超环保等优势, 然

而仍有两个制约纯电动发展的问题亟待解决:一是电池的性能和价格问题;二是充电难问题。本文主要围绕

第二个问题展开。充电难主要体现在:大功率充电对电网冲击大;电池快充技术障碍短期内难以实现突破,

难以商业化应用;基于有线充电及充电点分布不均而带来的充电难问题。在现有条件下, 本研究的重点在于

如何有效地解决电动船充电和如何加快“油改电”的改进速度两方面。

1 无线充电取代有线充电
随着绿色交通的理念日益深入人心, 陆上交通工具的动力改造工作也在不断地更新进步中。2017年, 江苏

、浙江、上海、四川等地的公交线路已实现纯电动化, 可见电动公交已经成为绿色交通的发展趋势之一。

和汽车不同的是, 电动船运行在水上, 如果通过电缆充电, 一方面电缆拖拉不易, 另一方面岸台面积通常

无法满足多艘内河船同时充电。2016年, 中兴投入运行的无线充电公交车案例给纯电动船充电问题的解决

方案带来希望。[2]研究人员开始考虑是否能将无线充电技术运用到电动船充电中来?充电稳定性和安全性

又如何保证?

本研究尝试设计一套船用无线充电系统, 如图1所示。该系统采用三线圈磁共振无线电能传输, 分为陆上能

量发射系统和船上能量接收系统。能量经多级变化, 以谐振波形式, 通过发射线圈传递给接收线圈, 并与

其发生谐振, 接收线圈将谐振波转换成负载所需能量形式, 供负载使用, 这样的传递较电磁感应式而言明

显提高了传输效率。[3]三线圈结构是在两线圈结构中加入源线圈, 较四线圈结构, 取消了负载线圈。三线

圈结构在功能上比两线圈结构获得的效率更高, 即具有更大的负载鲁棒性。同时, 三线圈结构相较于四线

圈结构相对简单。

 图1 船用充电控制系统框架
图1 船用充电控制系统框架   下载原图

图2中的9幅图是一周期磁场强度随线圈电流变化图, 两圆环为收发线圈, 箭头线表示磁力线, 箭头方向表

示磁场方面, 箭头线越多, 表示磁场越强。通过实验仿真发现:图2显示的刚好是电流变化的一个周期, 磁

场强度随线圈电流的变化而变化。一个完整周期内, 电流越大时磁力线越密集。但是无论哪张图, 磁力线

绝大部分都集中在次级线圈垂直面上, 线圈周边无效磁力线较少, 说明线圈间的耦合强度较高。按理论计

算, 无线充电效率可达有线充电效率的87.3%, 充电时间较有线充电相比无太大区别, 可行性较高。

 图2 磁场强度矢量
图2 磁场强度矢量   下载原图

针对电磁场对人体的安全问题, 我们通过仿真实验, 分析仿真人站于发射线圈上时受磁场感应的情况。其

中, 左一是躯体, 左二是主要内脏, 靠线圈越近颜色越深, 颜色越深受辐射越强。如图3所示, 人站在发射

线圈右上侧时, 体表磁场感应强度明显高于体内器官, 人体从下到上, 按离线圈远近程度, 磁感应强度明

显有递减趋势。而且, 由于人体左侧靠近谐振系统, 左侧感应强度较右侧要大, 由此可以得出结论:磁场对

人体的伤害程度跟距离 (此距离是指空间距离) 成反比关系。仿真实验说明, 只要做好隔离, 并控制好充

电设备与人的安全距离, 就可以有效地控制辐射对人体的影响。

 图3 某一时刻人体及器官磁感应强度分析
图3 某一时刻人体及器官磁感应强度分析   下载原图

为提高充电效率, 减小辐射影响, 研究人员设计无线充电平台, 如图4所示, 将线圈水平置于移动浮板上,

有电机带动上下移动, 浮板伸出案台。[4,5]船上接收线圈置于船尾, 与船上所有电气设备用屏蔽材料隔开

。船尾部靠岸, 线圈浮板伸出, 贴合船尾充电。

 图4 船用无线充电平台三维模型
图4 船用无线充电平台三维模型   下载原图

2 大功率充电对电网的影响及解决方案
在使用大功率设备充电时, 研究人员既要考虑充电效果, 也要顾及国家电网的负荷问题。

2.1 大功率充电对电网的影响
大功率充电之所以会对现有电网有影响, 主要有以下几个原因:其一, 我国人口工业分布不均, 沿河流域工

业密集程度高, 随之带来的就是用电负荷大。如在这些区域河岸设充电站, 会在短时加剧用电负荷, 影响

整个电力系统的用电平衡。[6]其二, 不同品牌、不同功率、不同的接入设备在一个点的汇聚程度, 都会影

响配电网电压的水平。长时间工作在低电压的情况下, 会导致电网无功功率加大, 充电效率降低, 充电时

间加长, 成本增高。其三, 谐波的影响, 当三相供电交替时会产生谐波。电压信号混入杂波也会影响电网

的稳定和安全。针对这些情况, 设计充电点时应尽量回避工业集中点, 充电要有监管调节系统, 确保供电

稳定安全。

2.2 电动船充电的解决方案
经过调研, 研究人员认为以下充电规则设想是可行的:在岸电功率为15千瓦以下时, 小型船只可以正常充电

, 较大型的船只可以对所用电器供电或进行缓慢的充电。当岸电功率超过35千瓦, 就可对较大型船只进行

正常充电 (同时船载设备可以正常运行) , 35千瓦时充电电流100A.DC, 70千瓦时充电电流可达200A.DC。

 图5 电池组充电示意图
图5 电池组充电示意图   下载原图

考虑到电网的用电负荷和安全, 如图5所示, 该系统包括安装在岸边泊位处的陆上充电控制系统及安装在船

舶上的船用充电控制系统, 所述陆上充电控制系统包括依次连接的传感器检测开关模块、电网供电模块、

整流滤波模块、逆变电路、补偿电路及多个发射线圈。所述船用充电控制系统包括依次连接的蓄电池组、

切换控制选择模块、稳压电路、逆变电路、补偿电路及多个接收线圈。所述船用驱动系统包括配电及功率

管理模块, 变距调速模块及驱动电机。如图5所示, 每个单体电池都设置一个对应的接收线圈, 这样每一个

单体电池可以单独进行充电操作。通过切换控制选择模块比较各个蓄电池饱和程度选择性的充电, 从而使

得停靠充电时间缩短, 增加单位时间充电船只数量, 提高充电效率, 降低运营成本, 提高电动船只的经济

性。

3 用清洁能源做辅助能源补给
在充电站较少的情况下, 需要考虑如何确保电动船能得到有效的能量供给。在不添加多余备用电池的情况

下, 可以考虑利用水上有利的生态资源和清洁能源, 经综合考虑, 我们引入了太阳能。一方面, 太阳能技

术已成熟稳定;另一方面, 太阳能板重量较轻, 可置于船顶、甲板表面, 不影响船体稳定性。船体主要靠蓄

电池提供能量, 太阳能充电作为蓄电池的辅助充电方式, 引入系统中。

太阳能充电系统如图6所示, 在该系统中, 由Boost电路与Buck电路负责太阳能电池与铅酸蓄电池组之间的

DC-DC转换。而控制器则通过对Boost电路与Buck电路信号调谐, 来确保系统稳定。控制器中的MPPT控制单

元采样太阳电池输出电压与电流信号, 并对信号按控制算法计算, 以PWM波的形式经1#驱动电路对Boost电

路进行控制。PI控制单元对Buck电路的输出电流和电压信号进行采样分析, 并与期望值比较, 将调谐反馈

信号以PWM波, 经2#驱动电路控制Buck电路使充电电压稳定输出。

 图6 太阳能充电系统结构
图6 太阳能充电系统结构   下载原图

为验证太阳能充电系统结构的可靠性, 利用实验室设备, 用PVS1 000光伏模拟器模拟光照强度, 光照按1

000 W/m2→1 200 W/m2→600 W/m2规律变化, 在确保初始电荷状态相同的条件下观测不同光照强度变化频

率下的充电状况 (变化频率大代表阴天, 变化频率小代表晴天) 。试验结果如图7所示 (a为晴天, b为阴天

) 。可以看出:带MPPT充电系统比不带MPPT充电系统电流要大一些;两种天气情况下, 要电池充满电, 带

MPPT充电系统比不带MPPT充电系统用时分别缩短了50 mins与34 mins。因此, 带MPPT充电系统比不带MPPT

充电系统充电时间要短, 按照平均缩短时间来算, 充电效率提高了22%。由此可见, 研究所采用的充电控制

方法可行, 并且可以使太阳电池大部分时间工作在最大功率跟踪状态, 即输出能量几乎全部被电池吸收。

 图7 充电试验结果比较
图7 充电试验结果比较   下载原图

4 结束语
随着船用电池的性能提高和价格下降, 内河船的电时代即将到来。虽然对于船舶大功率无线充电还有许多

问题需要解决, 如快充稳定性、充电时长如何控制等, 但随着可持续发展的需要, 纯电动船方面研究的脚

步不会停歇, 绿色船舶的未来指日可待。相信在不久的将来, 纯电动的绿色船舶将行驶在更加广阔的水域

中。