船舶电力——面临的挑战是什么?

日期:2017-03-05

 

作者:Patrick Le Fèvre, 首席市场营销和传讯官,Powerbox
我们都知道汽车行业从事的自动驾驶汽车和所有令人兴奋的项目,但很少有人听说过没有操作人员的无人驾驶船和经营从码头到码头的大型船队的船只导航项目(图01)。但在项目的早期阶段,如通过智能网络(MUNIN)的海上无人机导航和针对未来发展的试验台的开发。考虑到无人船需要从发电机到单负载点的极端可靠性,电源设计师面临的挑战将远远超出我们所知道的任何事情。
 

图 01 – 劳斯莱斯无人船项目(来源:劳斯莱斯)
 
船舶电力的科技进步
针对无人驾驶船舶的未来电源仍处于定义之中,但重要的是要了解了解海洋部分的特异性,这是环境和法规的特殊性。
由于业务的性质,部署在航运和海上设施的产品和系统的要求比目前陆地工业和办公环境的要求更严格。此外,适用于海洋工业的国际法规和标准非常复杂,需要深入了解应用和它将在哪里操作。电源设计者必须知道很多海洋特定的电压分布,结合DC和AC网络、安全监管和许多其他东西,如“工作区”,其船舶和商品运输的性质可能是完全不同的。
 
区域
一般在船上分为两个区域:“桥甲板和开放甲板区”和“一般电源区”,这基本上是船舶的所有其他空间。
例如,每个区域的特定要求是电磁辐射和抗扰性(EMC)。开放甲板和桥甲板区对电磁辐射和电磁兼容性有着额外的要求,因为许多敏感设备位于这里,如通信、雷达和导航设备。这些针对辐射的EMC要求远低于已知的EN55022 B级,且测量开始于10 kHz,而不是通常的150 kHz。
机械和气候要求的限制也高于平均工业应用。振动水平上升到4g很常见,较大的温度波动从25℃到+70℃,而相对湿度高的地方不能排除冷凝。
 
规则
人们常说;每个有海事部门的国家都有其当地认证的认证中心与具体要求,迫使电源设计师跟踪将安装电源的最终应用。一般来说,还有一组常见的标准和资格认证程序,所有国家认证都具有类似的根源,虽然,国家与国家和海事部门有所不同,也有一些日益复杂的非常具体的要求。困难是“共同标准”与具体标准没有实际比例,要求电源设计师开始任何新的项目都要在设计任何东西之前通过大量的文件审查。
为了建立一个可持续工作方式,以确保电源解决方案在全世界都可以利用,海洋电源设计师将要求组合来自所有海洋建设和运营的国家活动,以建立一个有等价和具体行动重大偏差的交叉引用表(即冲击和振动的更高要求)。一旦建立了这样的等价表,就选择了每个类别最苛刻的要求,并作为最后电源设计、验证和认证的参考。这样做是与最终客户密切合作,降低尚未专化(under-specified)电源和错过最终认证的风险。
从这个设计方法,结合深入了解当地标准和法规实现满足国际和地方要求的测试协议。然后,此测试协议被应用到所有产品,以简化最终审批,但同时,电源可用在任何国家的更换或系统升级。
通常,海洋客户期望电源遵守、认证并加盖Germanischer Lloyd(GL)的型式认可标志,不过,还要满足必维国际检验集团(BV)、劳埃德登记(LRS)、美国航运局(ABS)、挪威船级社(DNV)、韩国船舶登记局(KR)和许多其他公告机构的扩展认证。
 
以较小的尺寸产生更多电力
随着嵌入式电子产品数量的增加,海洋工业需要在更小的空间里有更多功能。如今,船东希望尽可能多地为乘客和船员提供宽带互联网连接,尽可能与岸上的功能相同。
此外,例如内置监控的位置跟踪系统需要非常紧凑的电源,在无风扇的密闭环境中运行。这样的电源必须采用传导冷却,高度重视耗散元件的放置和优化传导冷却(图02)。
 

图02 – Powerbox PT571——为密闭环境冷却传导设计优化的海洋级电源
 
 
对于大多数配电系统,电源单元最好是卡式的,它安装、维护和升级更简单。“海洋盒”通常固定在DIN导轨上,虽然船舶行业的电气设计人员要求电源是独立的传导冷却,可安装在船上任何地方,这意味着对于嵌入式电源,设计必须针对传导冷却高度优化(图03)。
 

图 03 – Powerbox PT577——内置ORing二极管的卡式海洋级电源
在较小的盒子中封装更多电力、优化传导冷却需要高度集成的电源电路。效率应尽可能高,因为小外壳也意味着冷却表面较小。采用最新的谐振电路和开关控制方法,可实现高达95%的效率,虽然电源设计师都在探索新的技术,如数字控制和氮化镓(GaN)功率FET,瞄准效率更高的平坦曲线,从而保持从很低负载到高负载的高效率。所有新技术的探索(通常船舶在海洋上)都要求非常高的可靠性,新技术必须在极端条件下进行验证。这是一个持续的过程,这也是未来的无人驾驶船舶在运行过程中几乎不可能维护的强制性要求。
可靠性和零停机时间是规则。为此,电源应该能够并联冗余运行。很常见的是添加外部ORing块(通常以类似电源的尺寸),它与电源电气互连。这种传统方法在趋于消失,电子并联电路内置于电源本身。在电源单元添加功能可节省更重要的设备架的空间,而且增加了电源设计人员在更小封装中集成更多东西的要求。
 
海洋的下一步是什么?
现有海洋工业的电源解决方案已证明了其鲁棒性和国际合规性。电源设计师正在探索新的技术,以永久性提高效率,降低功耗和散热。无人船将需要高水平的可靠性,将接近神话“故障为零”,能够从中心办公室控制和监控电源(图04),这可能是在地球的另一边。对于电力设计师来说,结合开关技术、热管理、控制和智能技术,将是一个惊人的挑战。我们正在接近一个新的时代,电源将变得自我控制,能够诊断故障的早期迹象,应用纠正措施。这是一个梦想还是现实?在我看来,这已经开始,很快就会实现!
 
 

图 04 - 劳斯莱斯oX陆地控制中心(来源:劳斯莱斯)
 
参考文献:
通过智能网络(MUNIN)的无人值守的航海http://www.unmanned-ship.org/munin/

 
www.prbx.com
 

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