小功率內河船舶油電混合動力系統的建模及仿真研究

席龍飛，張會生

● （上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240）

小功率內河船舶油電混合動力系統的建模及仿真研究

席龍飛，張會生

● （上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240）

本文提出了一種可用于內河小艇的混合動力系統。按照模塊化建模思想，建立了混合動力系統中各典型部件的數學模型，并在Simulink平臺上建立了該系統的動態仿真模型。針對該混合動力系統的運行特點，利用所建的模型進行系統動態性能仿真分析，實現了電機起動和柴電聯合驅動的工作過程，驗證了模型的可行性。這能為小型內河船艇的新能源改造提供一種解決方案，也為混合動力船的理論研究和控制策略設計提供一種實用的建模方法。

船舶；混合動力；建模；仿真

0 引言

隨著國內智能電網和港口岸電設施的不斷發展，內河船舶的電動化有望成為未來的發展趨勢。于是，在近年來國內光伏產業大規模發展的背景下，一大批以太陽能電動系統為主體的油電混合動力船面世了。但是這些“混合動力船”通常只能實現電動機和柴油機的交替驅動，而優化機槳匹配、實現雙機并聯等多模式工作的特性并未得到體現。因此，本文針對某型內河公務艇的工作特點和功率需求，結合艦船聯合推進技術、汽車混合動力技術的思想，提出一種新的船舶油電混合動力系統。內河公務艇一般功率較小，多數時間航行在擁擠、多橋的航道內，需要頻繁加減速，特別適合混合動力系統多模式工作的特性。

本文的主要內容是建立該系統的動態性能仿真模型，并進行仿真分析，為油電混合動力船在動力系統設計和控制策略設計方面進一步優化研究提供基礎。本文引入動態貝葉斯網絡理論，提出基于動態性和可修復性的可靠性建模分析技術。在模型方面，用貝葉斯網絡能有效地刻畫系統的動態行為、修復行為。在此基礎上建立系統任務可靠性數學模型，運用MATLAB軟件中貝葉斯網絡工具箱并編寫MATLAB計算語句，輸入有關元件致命性故障的故障率與修復率進行求解，實現推進裝置的任務可靠性數值仿真。

1 系統建模

1.1 系統結構

混合動力的概念來源于汽車行業，通常指以內燃機和電動機為主體構成的動力裝置。其工作方式是：當負荷較大時，電動機和內燃機共同驅動；當負荷較小時，內燃機單獨驅動，或單獨驅動同時向電池充電；負荷更小時，僅依靠電動機驅動；制動時，電動機反向運行向電池充電，回收制動能量。

這種多樣化的工作模式，使得系統在面臨不斷變化的外部條件時，有了更豐富的選擇。通過良好的控制策略，系統不僅動力性能提升，還可以實現較好的節能減排效果。

混合動力系統的類型多樣。本文選用并聯式、電量消耗型、重度混合的混合動力系統，這種類型更容易體現出混合動力系統的優勢。圖1為該系統的組成和結構。

圖1 船舶混合動力系統結構圖

系統由柴油機和直流電機共同驅動。柴油機和直流電機各帶一個減速器。直流電機前設置控制器，用于按控制要求將電池端電壓轉換為直流電機的電樞電壓。柴油機后面接自動同步離合器，保護柴油機不被電機“反拖”。轉矩合成器是一對嚙合齒輪，用于實現柴油機和電機轉矩疊加。螺旋槳轉矩合成器輸出端直接驅動。

柴油機的控制量是油門開度，直流電機的控制量是電樞電壓。通過改變油門開度和電樞電壓，可以分別控制電機和柴油機的功率大小，實現電機單獨驅動、柴油機單獨驅動以及聯合驅動三種工作模式。

1.2 部件模型

對于上一節所描述的混合動力系統，本節根據模塊化建模的思想，以及特性和機理混合建模的方法，逐一建立各個部件的仿真模型。

1.2.1 電池模型

電池的建模分為兩步。第1步是估算荷電狀態SOC。它是電池重要的狀態量，估算的方法有很多種，如安時法、卡爾曼濾波法等。第2步是建模，即確定負載電壓U與SOC、循環次數N、溫度T、電流I之間的關系，得到形如U=f(I,SOC,T,N)的關系式，其中的f(x)可以是等效電路圖、人工神經網絡或數學表達式，其中前兩種形式經常被采用。無論何種模型結構，都需要通過實物電池的大量實驗來辨識模型參數。

圖2 電池放電特性圖

本文采用端電壓法估算靜態SOC，反映在模型中就是直接賦值初始SOC；同時采用電流積分法估算使用中電池的SOC。SOC估算模型如下：

式中，I為流經電池的電流；N為額定狀態下電池的總電量。

圖2是根據某型磷酸鐵鋰電池單體放電過程測試數據繪制的U=f(I，SOC)關系圖。對該特性圖進行插值查表，并考慮電池組包含的單體電池數目，作為電池模型。本文不考慮溫度和老化程度的影響。

1.2.2 電機模型

常用的驅動電機有直流電機、交流異步電機、交流同步電機三種。隨著技術的發展，又增加了永磁同步電機、開關磁阻電機等新的類型。電機類型雖然繁多，但其穩態動力學模型無外乎一條反映轉矩—轉速關系的機械特性曲線，只是電機類型不同，則曲線形狀不同。通過調整電樞電壓、磁通量或電流頻率，就可以改變特性曲線的形狀，以適應不同的負載要求。這個過程稱為“調速”，與內燃機通過調整油門開度和變速箱檔位來改變輸出特性的原理相似。

本文對他勵直流電機進行機理建模，并通過改變電樞電壓進行調速。他勵直流電機的模型為：

式中，T、U、n分別是轉矩、電壓和轉速；c是與電機結構相關的參數；φ是磁場強度；R是電樞電阻；在模型中均視作常數。

電機在起動和運行時，要對它的工作范圍加以限制，以防扭矩或功率超限。本文選用恒轉矩—恒功率的限制特性，即在實際轉速小于額定轉速時，恒轉矩運行；在實際轉速大于額定轉速時，恒功率運行。電機限制特性如圖3中虛線所示，不同電樞電壓下的機械特性如圖3中實線所示。

圖3 直流電機特性線和工作范圍

1.2.3 柴油機模型

由于柴油機內部復雜的熱力過程和化學反應，機理模型不易建立且精度難以保證。因此特性建模成為一個簡便而可靠的選擇。圖4是根據某型柴油機的萬有特性圖繪制，反映了轉矩T與轉速n、油門開度之間的關系。對該特性圖進行插值查表，作為柴油機模型。

圖4 柴油機特性圖

1.2.4 傳動系統模型

1）由于螺旋槳的額定轉速遠低于柴油機和電機的額定轉速，因此需要減速器使機槳特性相匹配。減速器起到的作用是增大扭矩，并等比例地減小轉速。模型為：

式中，Tout、nout是輸出端的轉矩、轉速；Tin、nin是輸入端的轉矩、轉速；i是減速比。

2）自動同步離合器使柴油機動力能夠平滑地傳遞到軸系，并防止電機“倒拖”柴油機引起事故。其工作原理是：當輸入轉速小于輸出轉速時，離合器內的棘輪棘爪機構處于滑脫狀態，輸入軸和輸出軸斷開；當輸入轉速大于等于輸出轉速時，離合器內的斜齒輪在切向力的作用下嚙合，使輸入軸和輸出軸結合起來。據此，離合器模型為：

式中，Ts是離合器結合處的轉矩；np、ne分別是柴油機和螺旋槳的轉速；ks是反映離合過程快慢的系數。

3）軸系分為兩段：將直流電機軸、減速器 1、轉矩合成器主軸和螺旋槳視為一體，等效轉動慣量為J1；將柴油機軸、減速器2視為一體，等效轉動慣量為J2，通過自動同步離合器與主軸結合。軸系模型為：

式中，Tm、Te、Ts分別是電機轉矩、柴油機轉矩、離合器結合處的轉矩和螺旋槳轉矩。

1.2.5 螺旋槳模型

在精度要求不高的條件下，可以認為螺旋槳負載轉矩與轉速呈二次方關系。本文設船用螺旋槳動力特性為Tload=kT·n2，其中，kT為轉矩系數，常數。將該特性表達式作為螺旋槳模型。

1.3 系統模型

將各部件模型按其進出口參數的傳遞關系連接起來，得到如圖5所示的系統模型，它是以油門開度和電樞電壓為控制量的動態模型。

圖5 船舶混合動力系統模型總圖

2 模型仿真

利用上節建立的船舶混合動力系統模型，本文將對系統的工作過程進行仿真研究，包括從電機單獨驅動到電機、柴油機共同驅動切換，以期為混合動力系統的控制性能研究和控制系統設計提供參考。

2.1 仿真條件

本文根據某小型公務艇的實際功率需求，所選取的電池組、柴油機、直流電機和螺旋槳的參數如下：

1）電池組選用2100串單體容量為180Ah的磷酸鐵鋰電池，額定電壓約320V，能量容量約115kWh。

2）柴油機功率為 200kW，額定轉速 1800r/min，額定轉矩1057Nm（確定電池組和柴油機的參數后，將該型號電池組和柴油機的特性測試數據進行標準化處理，作為模型。見圖2、4）。

3）電機功率為90kW，額定轉速3000r/min，額定轉矩286.47Nm，額定電壓320V，額定電流281.25A。確定電機額定參數后，推算出模型參數R=0.1，cφ=0.0993917，cφ/R=0.993917，c2φ2/R=0.098787，使用時轉速單位為r/min，其他量采用國際單位。

4）螺旋槳轉矩系數kT=0.1，使用時轉矩Tload單位為Nm，轉速n單位為r/min。

5）在原動機和負載參數確定的前提下，減速比按下式進行計算：

式中：n額和P額分別是原動機的額定轉速和額定功率；kT是螺旋槳的轉矩系數。計算得柴油機減速比ie=6.734，電動機減速比im=14.646.

2.2 電機起動過程仿真

起動前狀態量初值為：

起動過程中柴油機保持關閉。電機在0時刻接通電源，電樞電壓逐漸增大，在5s時刻時達到額定電壓值，這是為了防止電流過大進行的降壓起動。具體變化過程見下式：

圖6 電樞電壓變化曲線

在上述條件下，得到如圖7所示的仿真結果。從 0時刻開始，主軸轉速平穩增大；到約6s時刻，電機轉矩和轉速均達到穩定，電池SOC持續穩定消耗，系統進入單電機驅動狀態。

圖7 起動過程仿真結果

2.3 柴油機并車過程仿真

并車前狀態量初值為：

并車過程中，電機保持恒功率輸出，電樞電壓由控制器自動調整，以適應柴油機并入后主軸轉速的增大。

柴油機從0時刻到10s時刻保持關閉，系統處于單電機驅動狀態；10s時刻柴油機起動，從10s到30s，油門逐漸增大至全開；從30s開始，油門保持全開。具體變化過程見下式：

圖8 油門開度變化曲線

在上述條件下，得到如圖9所示的仿真結果。從10s到 13.4s，柴油機轉速逐漸增大，但小于主軸轉速，SSS離合器尚未嚙合；在13.4s時刻，柴油機轉速開始超越主軸轉速，SSS離合器開始嚙合，柴油機轉矩開始施加到主軸上，主軸轉速開始增大；從13.4s到50s，系統進入由電機和柴油機聯合驅動的模式，電樞電壓在控制器的調整下逐漸增大，電機轉矩相應地減小，確保在高轉速下電機功率不至于超限。經過13.4s到30s的動態過程后，系統開始平穩運行。

3 結論

1）本文提出了一種用于內河船舶的油電混合動力系統。針某型內河公務艇，進行了混合動力系統的設計選型。

2）建立了混合動力系統的動態性能仿真模型，實現了模型在單電機驅動模式和柴電聯合驅動模式下的仿真運行。結果顯示，該模型能夠反映船舶混合動力系統的工作過程，可用于動態過程的仿真分析

圖9 并車過程仿真結果

3）所建立的混合動力仿真模型可以實現控制系統性能研究和控制策略分析，對控制系統設計和控制策略的制定具有參考意義。

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Research on Modeling and Simulation of Hybrid System for Small-power Marin

XI Long-fei,ZHANG Hui-sheng
(School of Mechanical Power Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

A hybrid system of the boat used for river is presented.According to the modular modeling method,the mathematical models of the typical components in hybrid system are built,and the simulation model of the dynamic system is established in Simulink platform.Aiming at the operational characteristics of the hybrid power system,the dynamic performance is analyzed by the simulation of established model.And the working process of the single motor start and the combined diesel-electric drive was realized.This can provide a solution for the new energy reform for small vessels and a practical modeling method for theoretical research and the design of control strategy of hybrid ship..

vessel;hybrid system;modeling;simulation

U664.16

A

席龍飛（1988-）， ，碩士研究生。主要研究方向為混合動力系統建模與仿真。