“福爾格”號(MF Folgefonn)是一艘長85米的滾裝混合動力客運渡輪，服務于挪威的Jektevik-Hodnanes。它可容納76輛汽車和199名乘客，船東是諾萊德(Norled)航運公司，該公司在挪威各地經營著45輛汽車渡輪。
“福爾格”號于1998年作為柴油動力渡輪在特隆赫姆建造，通過NCE海事清潔技術項目，它于2014年被改裝成混合動力柴油/電動船舶，作為挪威船舶推進系統和低排放或零排放沿海運輸新技術的示范船，此后，它成功地進行了混合動力和全電動操作的測試。參與該項目的成員單位有：諾萊德航運公司(Norled)、瓦錫蘭(Wrtsil)、挪威Fjellstrand船廠、Mecmar公司、Servogear公司、SKL和Apply TB。
2017年9月，“福爾格”號汽車渡輪成功測試了自動無線感應充電系統，是世界上第一艘采用兆瓦級無線充電技術的商業渡輪，該項目的成功代表了插電式電動船的重大進展，具有里程碑意義。
圖1 “福爾格”號運營路線
其無線充電系統由瓦錫蘭位于斯圖爾的辦公室開發。參與該項目的成員還包括：諾萊德航運公司、Fjellstrand船廠、霍格蘭公司(Haugaland Kraft)和Apply TB。
這艘渡輪在挪威西海岸沿海城市卑爾根以南的斯托德島上靠近瓦錫蘭挪威總部的區域運營。渡輪到達的最西端碼頭已經配備了充電裝置，并測試了各種基于插頭的連接解決方案。岸上裝置還包括一個電池，可以用超過當地電網容量的電力進行短期充電。感應充電系統由碼頭上現有的電力系統供電，并與卡沃泰克公司的真空系泊系統安裝在同一個岸上平臺。卡沃泰克的真空系泊系統有助于節省能源，因為停靠期間渡輪可以關閉推進系統，依靠系泊系統使其保持泊港位置。
“福爾格”號(MF Folgefonn)是標準的對稱穿梭渡輪，可以雙向使用。主甲板是干弦甲板，用于拖車和汽車。乘客休息室位于主甲板上。
“福爾格”號于2014年被改裝成混合動力渡輪，烏鴉座能源公司(Corvus)為其提供了1MWh容量的電池組，這與全球首艘全電動汽車渡輪——“安培”號(Ampere)上的電池非常相似。烏鴉座能源公司表示，在“福爾格”號上對其電池組進行的測試為后來“安培”號(2015年建成)的動力電池技術提供了有價值的參考。“福爾格”號既可以作為混合動力船，也可以作為全電動船運行。其電氣化改裝項目的團隊把“福爾格”號看作是“測試新技術的寶貴實驗室”。
圖2 “福爾格”號電氣系統拓撲圖
“福爾格”號示范的無線感應充電技術是在“船用無線高功率電池充電”項目下開發的，該項目由挪威研究委員會(nFr)于2013年至2015年在nFr項目編號 226325/O70下支持。該項目由瓦錫蘭挪威公司牽頭，合作伙伴有挪威科學和工業研究基金會能源研究中心(SINTEF energy research)、sKl nett、Fjellstrand 和諾萊德航運公司。瓦錫蘭還獲得了挪威創新公司(ENOVA)的資助，該公司是挪威皇家石油能源部下屬的國有獨資公司，2015年起為不同種類船舶項目撥款15億挪威克朗，用于綠色船舶的電池及充電設施安裝。
圖3 瓦錫蘭和卡沃泰克聯合發開的無線充電及真空系泊一體設備
不同于電動車或有軌電車等陸上交通工具，船舶由于受到風、浪和吃水等綜合因素的影響，其充電期間的相對位置是動態的，這意味著充電系統需要對未對準和氣隙距離的變化具有較高的容忍度，并且需要具備應對這種相對位置變化的自動補償功能，充電系統的設計必須確保電量傳輸的穩定性、效率和安全性不會受到影響。
結合當地航運業的經驗，開發團隊認為，渡輪固定感應充電器的設計應滿足以下要求：
1)至少1MW的電力傳輸能力；
2)充電感應的間隔距離在20到50厘米之間變化時，符合耦合條件范圍的相對位置變化不影響電力的全功率傳輸。
拓撲結構及系統配置
由于岸船感應線圈的發射線圈和接收線圈之間有相當大的氣隙距離，用于感應電能傳輸的系統可以被看作是具有強磁化電流的變壓器，這導致兩個線圈之間無功功率的消耗比有功功率高。因此，只有在充電系統兩側使用帶電容補償的諧振網絡來滿足線圈的無功功率需求，才能實現高效率和合理的額定轉換值。圖4所示的串聯-串聯(ss)補償通常是大功率應用的首選，并且這種拓撲被假定為已開發系統的基本設計。
為了保持最簡單的拓撲結構，可以在接收端使用直接連接到電池或穩壓直流總線的二極管整流器，如圖4所示。但是，如果需要在船載電源系統中進行某種程度的控制，可以在二極管整流器和接收側直流母線之間插入一個dc-dc轉換器。
圖4 ss補償感應傳輸
圖5 線圈布置
線圈的設計，包括匝數的選擇、工作頻率、主要尺寸和所需的磁性背板厚度，均基于磁力分析計算模型。圖6顯示了兩種不同工作條件下兩個線圈之間橫截面的能量密度(按色標)和功率流(按白線)的FEM分析。圖中所示的兩種情況都對應于1MW的額定功率傳輸。圖6(a)是當兩個線圈在繞組之間的最大氣隙距離為50cm時完全對齊時的情況。圖6(b)顯示了具有相同功率流但處于未對準位置和略微減小的氣隙距離的情況。
團隊對“福爾格”號的感應線圈進行了屏蔽設計以符合規定的磁場標準。線圈后面的區域可以通過磁性背板和導電屏蔽完全屏蔽磁場，因此，船上的乘客不會受到感應線圈的磁場影響。但在岸上，充電器周圍的人員需要保持安全距離。
圖6：FEM分析顯示能量密度[從0(藍色)到450(紅色)J/m3的色標]和功率流場(功率密度與白線之間的距離成正比)在(a)對齊和(b)錯位條件下的情況
電力系統集成
感應充電系統可以連接到任何船載和岸上電力系統配置。圖2“福爾格”號的拓撲圖顯示了帶有直流配電的插電式混合船載系統和帶有岸上儲能的典型系統配置，該配置也包含了有線充電方案。
傳統的插電式充電方案如果是交流電網直接充電，通常需要使用專用船載變壓器來確保電流隔離，如圖2左側所示。但在無線充電方案中，電感耦合本質上確保了電流隔離。如果是從岸上電池充電，則需要將電力從直流電傳輸到交流電網，然后再傳輸到船載直流總線，經過了兩個轉換階段，與感應充電相同。如果諧振線圈和電容器感應充電系統的設計能保證高效率，則意味著使用感應充電系統不會比插電式充電方案的功率損耗更顯著。
當岸上交流電網比較強大時，從電網直接進行大功率充電將成為可能。在這種情況下，感應充電比岸電直充多了兩個轉換階段(即電網頻率交流到直流，以及直流到高頻交流)。然而，在惡劣的操作條件下，充電時間利用率的提高和系統可靠性的潛在提高，有望彌補感應充電系統在成本上的劣勢。
圖7 無線感應和真空系泊系統的初始設計
無線感應和真空系泊系統的初始設計如圖7所示，其中真空系泊系統在左側，感應充電系統在右側。如圖所示，岸上裝置的發送側線圈將安裝在液壓臂上。這種布置使線圈可以根據一天中不斷變化的潮汐緩慢定位。在充電期間，機械臂將保持在固定位置，并且船舶在操作期間的任何運動都將通過電力轉換系統的控制得到補償。
作為渡輪設計的衍生產品，瓦錫蘭已與卡沃泰克達成協議，將其真空系泊裝置的使用與感應充電技術相結合。卡沃泰克在真空系泊系統和一般電力傳輸系統中擁有強大的品牌和市場地位。
