整合式電力推進

整合式電力推進（英語：Integrated electric propulsion，IEP）是由美國海軍在上個世紀90年代提出的新興艦船動力方式。

在IEP系統中，主機的動力全部先通過發電機轉成電力，再通過配電設施來供應船上一切的次系統；而在IEP架構下的推進系統，就是用來帶動推進器的電動馬達，算是系統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。由於電力管理分配技術的大幅進步，整合電力推進系統之下，主發電機所產生的交流電力可直接通過管理系統經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或轉換成直流的方式。

基本介紹

• 中文名：整合式電力推進
• 外文名：Integrated electric propulsion
• 一級學科：船舶工程
• 二級學科：船舶機械

發展沿革

傳統的船艦動力系統中，通常由一套功率最大的主機，通過直接機械耦合來驅動推進器，另外再設定獨立的發電機組來供應艦上所需的電力。一般而言，船艦推進系統的功率遠高於發電機組，然而在實際運作時，船艦推進系統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備則無時無刻都需要電力供應，導致發電機組經常處於滿載，有時甚至會發生供電吃緊、部分系統無法獲得足夠功率的狀況，空調是其中常見的例子。根據研究顯示，船艦推進機組與發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。

CODOG

IEP

在1994年，美國海軍提出一項名“整合動力系統”(Integrated electric propulsion，IEP）的概念，這是“海軍先進船艦輪機計畫”（Advanced Ship Machinery Program，ASMP）的其中一個項目。在IPS系統中，主機的動力全部先通過發電機轉成電力，再通過配電設施來供應船上一切的次系統；而在IPS架構下的推進系統，就是用來帶動推進器的電動馬達，算是系統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。由於電力管理分配技術的大幅進步，整合電力推進系統之下，主發電機所產生的交流電力可直接通過管理系統經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或轉換成直流的方式。

為了精確調控全艦所有的電力，滿足船艦上各式各樣性質不同、電壓各異的負載， 整合電力推進需要一套精密複雜、由電腦控制的功率管理系統（Power Management System，PMS），其主要的控制功能包括對各項裝備進行控制、監視與保護，例如控制馬達的啟動/調速/反轉、防止電機與馬達過載、監測各裝備的運轉數據（包括電壓、電流、頻率、溫度、壓力等）；而PMS則根據船艦各系統不同的運轉情況與負載需求，在電腦的運算下進行電力分配。萬一部份供電系統發生故障，PMS還需自動採取應變措施，由其他可工作的輸配電網路儘快恢復船艦供電運轉。

概念特點

通過現代化電腦配電輸配電控制系統的控制，整合電力推進系統能隨時任意調整船艦上所有系統的功率分配；例如某時刻，某些系統不需要全功率運作，便可關閉部分主機或者將動力移轉至其他系統。藉由精確調控電力負載，配備整合電力推進系統的船艦能將發動機控制在最佳燃油速率（fuel-efficient speed）下運作；根據美國國會研究處（Congressional Research Service）的一份報告，美國海軍若採用整合電力推進系統，能比傳統機械系統節省10~25%的燃油消耗，以及降低15~19%的後勤維修成本。採用全電力系統之後，以往船艦上空調功率不足的情況就不再重演，電子系統也可以獲得較強的功率；此外，對於需要瞬間高功率輸出乃至高能量密度脈衝電源的裝備，如電磁炮、雷射炮等等， 整合電力系統也提供了更為良好的設定條件，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的需求。電力產生/調控/輸配送等系統也能輕易設計成模組化，使艦隊不同功能、噸位的各型船艦能採用相同系列的模組，使後勤組件與系統標準得以儘量統一，不像過去每設計一種船艦、往往就要重新設計一套推進傳動與電力供應系統。

整合電力推進系統可大幅簡化整體輪機的結構，它以電纜傳遞能量，取代了傳統系統複雜龐大的齒輪、軸系、液壓管路等等，可節省許多體積重量，多出的空間便可用於增加燃油、武器籌載量或人員居住空間；而電纜貫穿艙間的設計也遠比機械與液壓管路簡單，可簡化船舶的設計與建造工作。此外，主機的安置也比以往更自由且更緊緻，不一定要如同以往設於艦底；例如可將主機放置於煙囪下方，使得維修拆換更加容易，也可減低傳至水中的噪訊。傳統推進系統由於笨重龐大、限制繁多，會相當程度地船舶的設計構型；而採用整合電力系統後，船舶更能依照流體力學設計進行最佳化，理論上可節省10%的推進功率需求。省去大批覆雜機械後， 整合電力推進系統的購置與維修成本、故障率、系統複雜度等皆可大幅降低（因為電動馬達的可靠性極佳，探鑽油井或郵輪上的大型馬達，輸出數千馬力、上萬小時不需維修的例子可謂稀鬆平常），噪音與震動亦大幅減少。而全電力系統依賴高度自動化數位功率控制系統，也可降低全艦配置的人力需求，有助於降低船艦服役期間的整體成本。

再者，整合電力推進系統使得船艦不必拘泥於傳統的“螺旋槳─船舵”動力與方向控制配置，而可以採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，並將此一莢艙以一旋轉基座“懸吊”在船尾，而艦體只需要提供莢艙內電動機所需的電力即可。要改變船艦行進方向時，就轉動囊莢推進器以改變推進方向。傳統的船舵依靠舵效應來改變船隻行進方向，然而舵效應必須在一定的水流速度下才能生效，而且勢必產生延遲與較大的能量損耗；如果能讓推力來源轉向，直接靠著反作用力的方向來決定船隻航向，便能免除傳統舵面的種種問題，大幅增加操控的靈活度，使船艦的迴轉半徑大幅縮小，甚至可能實現原地迴轉。取消船舵、大軸也利於降低阻力，而且囊莢推進器的外殼可根據流體力學進行最佳化設計，能有效減少阻力與噪音振動。根據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於第一線大型作戰艦艇的推進方式，許多使用此種推進器的民間大型船隻都面臨組件受力過巨而需要頻繁維修的問題，對於經常需要急遽加減速以及重視戰場可靠度的作戰艦艇而言並不合適；而雖然囊莢推進器可以避免許多大軸帶來的問題， 但由於把電動機與推進器都整合在一起並放在船艙以外，需要進入乾塢才能維修，不僅不利於第一線即時處理，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；而傳統布置方式則可確保主機、傳動系統都在艦體內部，不僅受到保護，也能對電動機實施第一線的即時維修作業。再者，囊莢推進器把電動機放在囊莢之中，因此比傳統艦內布置方式更容易遇到尺寸問題；對於中型的高速作戰艦艇而言，功率足夠的囊莢推進器很可能超過艦體所能安裝的上限，除非採用新科技的馬達在更小的體積內產生更高功率。

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

但是整合電力系統將發動機產生的力學能先轉換成電能輸配、再將電能轉換回力學能使用，其間的功率消耗高於以往直接以機械傳遞的方式；這對於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節以上的軍艦而言，電力推進系統根本無法滿足需求。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年代才開始被主戰艦艇軍採用的原因。此外，電力推進系統本身的成本也比傳統機械推進系統高約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。採用大量電力系統雖然免除過去許多機械裝置的問題，但卻面臨了電力分配、管理領域的種種技術難題，容易衍生易發生電器/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艦艇更高、更精確、更可靠的供電需求，全電力推進系統仍需要許多領域的突破，包括高功率燃氣渦輪、高能量密度電容（用於直接能量武器需要的瞬間高能量）、低損耗的電子電力開關、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） 、高爆驅動磁流體電動機或固態/液態驅動磁流體電動機等領域。