整合式電力推進（整合式電力推進）

發(fā)展沿革

CODOG

IEP

傳統(tǒng)的船艦動力系統(tǒng)中，通常由一套功率最大的主機，通過直接機械耦合來驅(qū)動推進器，另 外再設(shè)置獨立的發(fā)電機組來供應(yīng)艦上所需的電力。一般而言，船艦推進系統(tǒng)的功率遠高于發(fā)電機組，然而在實際運作時，船艦推進系統(tǒng)全功率滿載的情況不多，導致許多能量遭到浪費；而艦上的各項吃電設(shè)備則無時無刻都需要電力供應(yīng)，導致發(fā)電機組經(jīng)常處于滿載，有時甚至會發(fā)生供電吃緊、部分系統(tǒng)無法獲得足夠功率的狀況，空調(diào)是其中常見的例子。根據(jù)研究顯示，船艦推進機組與發(fā)電機組的總功率比為8~9：1，然而年度燃料消耗比例卻降為2~3：1，顯示兩者之間的操作負載失衡。

在1994年，美國海軍提出一項名“整合動力系統(tǒng)”(Integrated electric propulsion，IEP）的概念，這是“海軍先進船艦輪機計劃”（Advanced Ship Machinery Program，ASMP）的其中一個項目。在IPS系統(tǒng)中，主機的動力全部先通過發(fā)電機轉(zhuǎn)成電力，再通過配電設(shè)施來供應(yīng)船上一切的次系統(tǒng)；而在IPS架構(gòu)下的推進系統(tǒng)，就是用來帶動推進器的電動馬達，算是系統(tǒng)之中的一個吃電負載，不再由主機通過傳動齒輪來直接帶動。由于電力管理分配技術(shù)的大幅進步，整合電力推進系統(tǒng)之下，主發(fā)電機所產(chǎn)生的交流電力可直接通過管理系統(tǒng)經(jīng)過變壓而任意分配給所有不同的負載，而不是過去的單獨供應(yīng)或轉(zhuǎn)換成直流的方式。

為了精確調(diào)控全艦所有的電力，滿足船艦上各式各樣性質(zhì)不同、電壓各異的負載，整合電力推進需要一套精密復(fù)雜、由電腦控制的功率管理系統(tǒng)（Power Management System，PMS），其主要的控制功能包括對各項裝備進行控制、監(jiān)視與保護，例如控制馬達的啟動/調(diào)速/反轉(zhuǎn)、防止電機與馬達過載、監(jiān)測各裝備的運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)（包括電壓、電流、頻率、溫度、壓力等）；而PMS則根據(jù)船艦各系統(tǒng)不同的運轉(zhuǎn)情況與負載需求，在電腦的運算下進行電力分配。萬一部份供電系統(tǒng)發(fā)生故障，PMS還需自動采取應(yīng)變措施，由其他可工作的輸配電網(wǎng)路盡快恢復(fù)船艦供電運轉(zhuǎn)。

概念特點

通過現(xiàn)代化電腦配電輸配電控制系統(tǒng)的控制，整合電力推進系統(tǒng)能隨時任意調(diào)整船艦上所有系統(tǒng)的功率分配；例如某時刻，某些系統(tǒng)不需要全功率運作，便可關(guān)閉部分主機或者將動力移轉(zhuǎn)至其他系統(tǒng)。藉由精確調(diào)控電力負載，配備整合電力推進系統(tǒng)的船艦?zāi)軐?a class="dict" href="/know/2810607/">發(fā)動機控制在最佳燃油速率（fuel-efficient speed）下運作；根據(jù)美國國會研究處（Congressional Research Service）的一份報告，美國海軍若采用整合電力推進系統(tǒng)，能比傳統(tǒng)機械系統(tǒng)節(jié)省10~25%的燃油消耗，以及降低15~19%的后勤維修成本。采用全電力系統(tǒng)之后，以往船艦上空調(diào)功率不足的情況就不再重演，電子系統(tǒng)也可以獲得較強的功率；此外，對于需要瞬間高功率輸出乃至高能量密度脈沖電源的裝備，如電磁炮、雷射炮等等，整合電力系統(tǒng)也提供了更為良好的設(shè)置條件，能在無須大幅改變平常用電的情況下，滿足這類大功率新系統(tǒng)的需求。電力產(chǎn)生/調(diào)控/輸配送等系統(tǒng)也能輕易設(shè)計成模塊化，使艦隊不同功能、噸位的各型船艦?zāi)懿捎孟嗤盗械哪＝M，使后勤組件與系統(tǒng)標準得以盡量統(tǒng)一，不像過去每設(shè)計一種船艦、往往就要重新設(shè)計一套推進傳動與電力供應(yīng)系統(tǒng)。

整合電力推進系統(tǒng)可大幅簡化整體輪機的結(jié)構(gòu)，它以電纜傳遞能量，取代了傳統(tǒng)系統(tǒng)復(fù)雜龐大的齒輪、軸系、液壓管路等等，可節(jié)省許多體積重量，多出的空間便可用于增加燃油、武器籌載量或人員居住空間；而電纜貫穿艙間的設(shè)計也遠比機械與液壓管路簡單，可簡化船舶的設(shè)計與建造工作。此外，主機的安置也比以往更自由且更緊致，不一定要如同以往設(shè)于艦底；例如可將主機放置于煙囪下方，使得維修拆換更加容易，也可減低傳至水中的噪訊。傳統(tǒng)推進系統(tǒng)由于笨重龐大、限制繁多，會相當程度地船舶的設(shè)計構(gòu)型；而采用整合電力系統(tǒng)后，船舶更能依照流體力學設(shè)計進行最佳化，理論上可節(jié)省10%的推進功率需求。省去大批復(fù)雜機械后，整合電力推進系統(tǒng)的購置與維修成本、故障率、系統(tǒng)復(fù)雜度等皆可大幅降低（因為電動馬達的可靠性極佳，探鉆油井或郵輪上的大型馬達，輸出數(shù)千馬力、上萬小時不需維修的例子可謂稀松平常），噪音與震動亦大幅減少。而全電力系統(tǒng)依賴高度自動化數(shù)位功率控制系統(tǒng)，也可降低全艦配置的人力需求，有助于降低船艦服役期間的整體成本。

再者，整合電力推進系統(tǒng)使得船艦不必拘泥于傳統(tǒng)的“螺旋槳─船舵”動力與方向控制配置，而可以采用新型的囊莢式推進器（Podded Propulsor）。囊莢式推進器乃將電動機與螺旋槳的組合安裝在一個莢艙里，并將此一莢艙以一旋轉(zhuǎn)基座“懸吊”在船尾，而艦體只需要提供莢艙內(nèi)電動機所需的電力即可。要改變船艦行進方向時，就轉(zhuǎn)動囊莢推進器以改變推進方向。傳統(tǒng)的船舵依靠舵效應(yīng)來改變船只行進方向，然而舵效應(yīng)必須在一定的水流速度下才能生效，而且勢必產(chǎn)生延遲與較大的能量損耗；如果能讓推力來源轉(zhuǎn)向，直接靠著反作用力的方向來決定船只航向，便能免除傳統(tǒng)舵面的種種問題，大幅增加操控的靈活度，使船艦的回轉(zhuǎn)半徑大幅縮小，甚至可能實現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)。取消船舵、大軸也利于降低阻力，而且囊莢推進器的外殼可根據(jù)流體力學進行優(yōu)化設(shè)計，能有效減少阻力與噪音振動。根據(jù)美國國會研究處的研究報告，全電力推進船艦若搭配囊莢式推進器，可進一步節(jié)省4~15%的操作成本。生存性方面，以往貫穿艦體艙間直通艙外的大軸，往往是艦體水密性的致命弱點，而囊莢推進器也可以免除這個弱點。

然而直到本世紀初，囊莢式推進器仍不算是一種夠成熟到可用于第一線大型作戰(zhàn)艦艇的推進方式，許多使用此種推進器的民間大型船只都面臨組件受力過巨而需要頻繁維修的問題，對于經(jīng)常需要急遽加減速以及重視戰(zhàn)場可靠度的作戰(zhàn)艦艇而言并不合適；而雖然囊莢推進器可以避免許多大軸帶來的問題，但由于把電動機與推進器都整合在一起并放在船艙以外，需要進入干塢才能維修，不僅不利于第一線即時處理，遭受魚雷攻擊時更需要直接承受爆震，甚至可能直接掉落脫離船體；而傳統(tǒng)布置方式則可確保主機、傳動系統(tǒng)都在艦體內(nèi)部，不僅受到保護，也能對電動機實施第一線的即時維修作業(yè)。再者，囊莢推進器把電動機放在囊莢之中，因此比傳統(tǒng)艦內(nèi)布置方式更容易遇到尺寸問題；對于中型的高速作戰(zhàn)艦艇而言，功率足夠的囊莢推進器很可能超過艦體所能安裝的上限，除非采用新科技的馬達在更小的體積內(nèi)產(chǎn)生更高功率。

生存性方面，傳統(tǒng)推進系統(tǒng)笨重而冗長的齒輪箱/推進軸由于轉(zhuǎn)速高、磨耗巨大，經(jīng)常是影響動力系統(tǒng)可靠度的關(guān)鍵點，只要發(fā)生故障，船艦就會喪失機動能力；整合電力推進系統(tǒng)能使船艦擺脫大軸與齒輪箱的束縛，也免除了許多傳統(tǒng)軸系的致命弱點。以往船艦的主機傳動系統(tǒng)在遭遇戰(zhàn)損時，系藉由將各推進軸與相關(guān)裝備分隔來達成，然而萬一關(guān)鍵的減速齒輪遭遇重大損壞，整個機械推進系統(tǒng)便會陷入癱瘓。整合電力系統(tǒng)由于不是通過硬性軸系、齒輪箱來連接各裝備，可用更綿密的方式相互連結(jié)，而且連結(jié)方式不受機械裝置位置的影響（例如左舷的發(fā)電機亦可連結(jié)右舷的電動機），因此任一發(fā)電機或電動機失效時，不至于影響推進系統(tǒng)其他部分。

但是整合電力系統(tǒng)將發(fā)動機產(chǎn)生的力學能先轉(zhuǎn)換成電能輸配、再將電能轉(zhuǎn)換回力學能使用，其間的功率消耗高于以往直接以機械傳遞的方式；這對于不需要高速的商船或研究船等還不成問題，但對時速需要達到30節(jié)以上的軍艦而言，電力推進系統(tǒng)根本無法滿足需求。這就是為何電力推進概念在1970年代末期就進入商船界（目前已成主流），但是在2000年代才開始被主戰(zhàn)艦艇軍采用的原因。此外，電力推進系統(tǒng)本身的成本也比傳統(tǒng)機械推進系統(tǒng)高約25%，不過這可以藉由壽命周期相對較低的操作與維持成本來抵銷。采用大量電力系統(tǒng)雖然免除過去許多機械裝置的問題，但卻面臨了電力分配、管理領(lǐng)域的種種技術(shù)難題，容易衍生易發(fā)生電器/電線走火以及交流馬達同步變頻器易受諧波干擾等問題。為了滿足下一代作戰(zhàn)艦艇更高、更精確、更可靠的供電需求，全電力推進系統(tǒng)仍需要許多領(lǐng)域的突破，包括高功率燃氣渦輪、高能量密度電容（用于直接能量武器需要的瞬間高能量）、低損耗的電子電力開關(guān)、高性能電力儲存體（如再生式燃料電池）、永磁同步馬達(Permanent Magnet synchronous Motors，PMM)、高溫超導同步馬達（High Temperature Superconducter Motor，HTSM） 、高爆驅(qū)動磁流體電動機或固態(tài)/液態(tài)驅(qū)動磁流體電動機等領(lǐng)域。