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“福尔格”号(MF Folgefonn)是一艘长85米的滚装混合动力客运渡轮，服务于挪威的Jektevik-Hodnanes。它可容纳76辆汽车和199名乘客，船东是诺莱德(Norled)航运公司，该公司在挪威各地经营着45辆汽车渡轮。
“福尔格”号于1998年作为柴油动力渡轮在特隆赫姆建造，通过NCE海事清洁技术项目，它于2014年被改装成混合动力柴油/电动船舶，作为挪威船舶推进系统和低排放或零排放沿海运输新技术的示范船，此后，它成功地进行了混合动力和全电动操作的测试。参与该项目的成员单位有：诺莱德航运公司(Norled)、瓦锡兰(Wrtsil)、挪威Fjellstrand船厂、Mecmar公司、Servogear公司、SKL和Apply TB。
2017年9月，“福尔格”号汽车渡轮成功测试了自动无线感应充电系统，是世界上第一艘采用兆瓦级无线充电技术的商业渡轮，该项目的成功代表了插电式电动船的重大进展，具有里程碑意义。
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图1 “福尔格”号运营路线
其无线充电系统由瓦锡兰位于斯图尔的办公室开发。参与该项目的成员还包括：诺莱德航运公司、Fjellstrand船厂、霍格兰公司(Haugaland Kraft)和Apply TB。
这艘渡轮在挪威西海岸沿海城市卑尔根以南的斯托德岛上靠近瓦锡兰挪威总部的区域运营。渡轮到达的最西端码头已经配备了充电装置，并测试了各种基于插头的连接解决方案。岸上装置还包括一个电池，可以用超过当地电网容量的电力进行短期充电。感应充电系统由码头上现有的电力系统供电，并与卡沃泰克公司的真空系泊系统安装在同一个岸上平台。卡沃泰克的真空系泊系统有助于节省能源，因为停靠期间渡轮可以关闭推进系统，依靠系泊系统使其保持泊港位置。
“福尔格”号(MF Folgefonn)是标准的对称穿梭渡轮，可以双向使用。主甲板是干弦甲板，用于拖车和汽车。乘客休息室位于主甲板上。
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“福尔格”号于2014年被改装成混合动力渡轮，乌鸦座能源公司(Corvus)为其提供了1MWh容量的电池组，这与全球首艘全电动汽车渡轮——“安培”号(Ampere)上的电池非常相似。乌鸦座能源公司表示，在“福尔格”号上对其电池组进行的测试为后来“安培”号(2015年建成)的动力电池技术提供了有价值的参考。“福尔格”号既可以作为混合动力船，也可以作为全电动船运行。其电气化改装项目的团队把“福尔格”号看作是“测试新技术的宝贵实验室”。
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图2 “福尔格”号电气系统拓扑图
“福尔格”号示范的无线感应充电技术是在“船用无线高功率电池充电”项目下开发的，该项目由挪威研究委员会(nFr)于2013年至2015年在nFr项目编号 226325/O70下支持。该项目由瓦锡兰挪威公司牵头，合作伙伴有挪威科学和工业研究基金会能源研究中心(SINTEF energy research)、sKl nett、Fjellstrand 和诺莱德航运公司。瓦锡兰还获得了挪威创新公司(ENOVA)的资助，该公司是挪威皇家石油能源部下属的国有独资公司，2015年起为不同种类船舶项目拨款15亿挪威克朗，用于绿色船舶的电池及充电设施安装。
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图3 瓦锡兰和卡沃泰克联合发开的无线充电及真空系泊一体设备
不同于电动车或有轨电车等陆上交通工具，船舶由于受到风、浪和吃水等综合因素的影响，其充电期间的相对位置是动态的，这意味着充电系统需要对未对准和气隙距离的变化具有较高的容忍度，并且需要具备应对这种相对位置变化的自动补偿功能，充电系统的设计必须确保电量传输的稳定性、效率和安全性不会受到影响。
结合当地航运业的经验，开发团队认为，渡轮固定感应充电器的设计应满足以下要求：
1)至少1MW的电力传输能力；
2)充电感应的间隔距离在20到50厘米之间变化时，符合耦合条件范围的相对位置变化不影响电力的全功率传输。
拓扑结构及系统配置
由于岸船感应线圈的发射线圈和接收线圈之间有相当大的气隙距离，用于感应电能传输的系统可以被看作是具有强磁化电流的变压器，这导致两个线圈之间无功功率的消耗比有功功率高。因此，只有在充电系统两侧使用带电容补偿的谐振网络来满足线圈的无功功率需求，才能实现高效率和合理的额定转换值。图4所示的串联-串联(ss)补偿通常是大功率应用的首选，并且这种拓扑被假定为已开发系统的基本设计。
为了保持最简单的拓扑结构，可以在接收端使用直接连接到电池或稳压直流总线的二极管整流器，如图4所示。但是，如果需要在船载电源系统中进行某种程度的控制，可以在二极管整流器和接收侧直流母线之间插入一个dc-dc转换器。
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图4 ss补偿感应传输
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图5 线圈布置
线圈的设计，包括匝数的选择、工作频率、主要尺寸和所需的磁性背板厚度，均基于磁力分析计算模型。图6显示了两种不同工作条件下两个线圈之间横截面的能量密度(按色标)和功率流(按白线)的FEM分析。图中所示的两种情况都对应于1MW的额定功率传输。图6(a)是当两个线圈在绕组之间的最大气隙距离为50cm时完全对齐时的情况。图6(b)显示了具有相同功率流但处于未对准位置和略微减小的气隙距离的情况。
团队对“福尔格”号的感应线圈进行了屏蔽设计以符合规定的磁场标准。线圈后面的区域可以通过磁性背板和导电屏蔽完全屏蔽磁场，因此，船上的乘客不会受到感应线圈的磁场影响。但在岸上，充电器周围的人员需要保持安全距离。
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图6：FEM分析显示能量密度[从0(蓝色)到450(红色)J/m3的色标]和功率流场(功率密度与白线之间的距离成正比)在(a)对齐和(b)错位条件下的情况
电力系统集成
感应充电系统可以连接到任何船载和岸上电力系统配置。图2“福尔格”号的拓扑图显示了带有直流配电的插电式混合船载系统和带有岸上储能的典型系统配置，该配置也包含了有线充电方案。
传统的插电式充电方案如果是交流电网直接充电，通常需要使用专用船载变压器来确保电流隔离，如图2左侧所示。但在无线充电方案中，电感耦合本质上确保了电流隔离。如果是从岸上电池充电，则需要将电力从直流电传输到交流电网，然后再传输到船载直流总线，经过了两个转换阶段，与感应充电相同。如果谐振线圈和电容器感应充电系统的设计能保证高效率，则意味着使用感应充电系统不会比插电式充电方案的功率损耗更显著。
当岸上交流电网比较强大时，从电网直接进行大功率充电将成为可能。在这种情况下，感应充电比岸电直充多了两个转换阶段(即电网频率交流到直流，以及直流到高频交流)。然而，在恶劣的操作条件下，充电时间利用率的提高和系统可靠性的潜在提高，有望弥补感应充电系统在成本上的劣势。
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图7 无线感应和真空系泊系统的初始设计
无线感应和真空系泊系统的初始设计如图7所示，其中真空系泊系统在左侧，感应充电系统在右侧。如图所示，岸上装置的发送侧线圈将安装在液压臂上。这种布置使线圈可以根据一天中不断变化的潮汐缓慢定位。在充电期间，机械臂将保持在固定位置，并且船舶在操作期间的任何运动都将通过电力转换系统的控制得到补偿。
作为渡轮设计的衍生产品，瓦锡兰已与卡沃泰克达成协议，将其真空系泊装置的使用与感应充电技术相结合。卡沃泰克在真空系泊系统和一般电力传输系统中拥有强大的品牌和市场地位。
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发表于 2022-4-8 09:56
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