混合動力游艇建模與仿真

鄭 笑

（上海海事大學 商船學院，上海 201306）

0 引 言

隨著科技不斷發展，船舶上運用的新型技術越來越多。船舶混合動力技術作為一種新型船舶技術，是船舶未來發展的方向，能有效緩解當今社會的能源、環境問題。據統計，全球航運業的CO2排放量大概占全球溫室氣體排放量的 4%[1]。近幾年，隨著全球變暖，溫室氣體排放等問題越發嚴峻，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）逐步加強對船舶尾氣排放的限制。未來純電動船舶（即以電力推進系統為主的船舶）將得到大力發展，但對功率需求較大的船舶來說，現階段大部分純電動船舶的電力推進系統不能提供期望的速度和加速度，續航能力得不到保障，且電力推進會受到船舶質量和空間的限制及能源存儲技術的影響[2]。在該情況下，研究混合動力電動船舶可為船舶從柴油發電機組單獨供電過渡到純電動供電提供可行性方案[3]。

目前，將混合動力技術成功運用到船舶上的案例[4]并不多。一些科研人員已將其有關混合動力技術的設想應用到艦船上。例如：2003年，世界上第一艘燃料電池和柴-電混合動力系統潛艇在德國基爾港實現首航[5]；2012年，日本商船三井與三菱重工發布配備光伏發電裝置的混合動力運輸船[6]。該混合動力運輸船配備的光伏發電裝置最大輸出功率達到160kW，航行工況下所發的電力會儲存在超大容量的鋰離子電池中，能提供船舶靠港期間的部分電力需求；與以往相比，其發電時的CO2排放量可減少4%左右[7]。 該運輸船同時配備有柴油發電機和電力供應系統，當船舶處于停泊狀態時，可通過光伏發電來減少尾氣排放。

在以上研究的基礎上，針對小型混合動力游艇設計一種基于蓄電池、柴油發電機組的并聯混合動力能源系統，并對整個系統進行仿真分析。

1 系統建模

混合動力系統通常有串聯、并聯和混聯等3種傳動系統模型。圖1為并聯混合動力船舶的傳動系統，包含柴油機、轉矩耦合器、蓄電池組和電機。

圖1 并聯混合動力船舶的傳動系統

與串聯結構相比，并聯結構中的發動機和電動機可同時驅動船舶，動力性能更加優越；同時，采用并聯結構的混合動力船舶工作模式較多，可適應多種工況，發動機無須進行能源的二次轉換，綜合油耗更低、尾氣排放更少；此外，通過逆變器，電機也可反過來作為發電機發電，并給蓄電池充電[8]。圖2為并聯混合動力系統模型結構圖。

圖2 并聯混合動力系統模型結構圖

從圖2中可看出，并聯混合動力系統由14個模塊組成，分別代表動力系統不同的部件。大部分模塊都有2個輸入接口和2個輸出接口。

1) 模型中自左向右的箭頭傳遞的信號代表功率需求或目標轉矩和轉速，該計算路徑被稱為后向計算路徑。船舶運行循環工況為：根據目標工況計算出目標船速，將其輸出到船體模塊；目標船速經過螺旋槳模塊、變速器模塊、離合器模塊和附件模塊的傳遞輸出到發動機模塊。傳遞過程中，在考慮自身損失、傳動比換算及輸出限制的情況下，各模塊根據輸入數據計算出輸出數據并將其輸出。

2) 模型中自右向左的箭頭傳遞的信號代表各模塊實際的轉矩和轉速，該計算路徑被稱為前向計算路徑。根據目標船速，發動機模塊通過查表計算得到其實際輸出轉矩、最高轉速和排放數據；將排放數據輸出到排放處理模塊之后，排放處理模塊根據該數據計算出實際排放量并輸出結果；同時，發動機模塊通過箭頭將實際轉矩和轉速自右向左傳給各模塊。這些模塊在考慮自身損失、傳動比及輸出限制的情況下根據實際輸入量計算其實際輸出量。船體模塊根據牽引力和實際船速計算下一步長的數據。在整個運行循環工況的周期內，動力傳遞過程持續循環進行。

1.1 船體

在開闊的水面上，船體的阻力總成見圖3。

圖3 船舶的阻力總成

為計算船體的阻力，必須對船體進行流體動力學分析。文獻[9]給出一種用來評估船體表面的流體動力性能、計算表面阻力的方法，計算式為

式(1)中：Rf為摩擦阻力，N；(1+K1)為船體摩擦因數，K1的大小取決于流體的雷諾數，對于小型船舶，一般取1.22～1.45；Rapp為附體阻力，N；Rw為興波阻力，N。

1.2 螺旋槳

螺旋槳可分為定距槳和變距槳。螺旋槳的轉矩和轉速的計算式為

式(2)～式(6)中：VS為船舶的航速，m/s；VA為螺旋槳進速，m/s；ω為興波系數；n為螺旋槳轉速，r/s；D為螺旋槳直徑，m；J為螺旋槳進速比；KT為螺旋槳推力系數；KQ為螺旋槳轉矩系數；ρ為海水的密度，kg/m3；Q為螺旋槳的轉矩，N.m；T為螺旋槳的推力，N。在計算出進速比之后，通過螺旋槳的敞水特征曲線可查得KT和KQ，進而得出螺旋槳的轉矩和推力。

1.3 柴油機

建立發動機模型需考慮最大轉矩的限制、發動機溫度的影響、燃油消耗及排放后的處理等因素。這里采用數值分析法建立發動機的模型[10]。

式(7)～(10)中：P為柴油機功率，kW；T為發動機轉矩，N.m；ω為發動機轉速，rad/s；Tcor為發動機修正轉矩，N.m；J為發動機轉動慣量；C為發動機的燃油消耗率。

1.4 電池

蓄電池的工作過程可用一個非線性函數來表示，且與多個實時變化的參數有關。作為混合動力推進系統的能量源之一，其能迅速響應負載變化，使需求功率與輸出功率保持平衡。電池的荷電狀態SOC表示電池剩余容量與電池完全充電狀態下容量的比值，取值范圍為0～1。SOC=0表示電池放電完全，SOC=1表示電池完全充滿。蓄電池可存儲的電荷量是固定的，且在放電時需考慮最小電壓的限制；在要放電時需首先充電。其充電過程受庫倫效率的影響及最大電壓的限制，在整個循環工況內需保證蓄電池組的SOC平衡?？蓪⑿铍姵乜醋魇且粋€可存儲電荷量的、各參數與其SOC值有關的等效電路，用一個理想的開路電壓源串聯一個內電阻來表示。蓄電池荷電狀態SOC的計算式為

式(11)～式(14)中：SC0為SOC的初始值；ΔSC為SOC的改變量；Ib為電池的端電流；E為電池的額定容量；Pess為電機有效充放電功率；VOC為電池等效電路理想電壓源；Rb為電池內阻[10]。在電池充電或放電過程中，其等效電阻Rb的值是不同的，當電池荷電狀態SOC保持在0.3～0.7時，可近似認為Rb=Rdis=Rchg。

2 仿真結果

為驗證設計的并聯混合動力系統的實用性及準確性，用 MATLAB/Simulink軟件對該方法進行仿真分析。選用太陽鳥公司生產的長26.5m，寬6.2m，最大航速32kn的“鳳鳥88 inch”游艇進行仿真；仿真中選用最大功率為260kW的四沖程發動機，其額定轉速為1800r/min；蓄電池組共包含60個電池，單個電池的電壓為12V，電流為26A，設定電池組初始SOC值為0.7。通過對并聯混合動力下游艇的典型加減速工況的數據進行仿真并與單一傳統的柴油機驅動相比較，得到油耗、電池SOC變化及污染物排放情況對比（見圖4～圖8）。

圖4 油耗對比

圖5 電池SOC變化圖

圖6 HC排放對比

圖7 CO排放對比

由圖4～圖8可知，在同種循環工況下，相對于以單一柴油機作為動力源的游艇，混合動力游艇的油耗更低，污染物排放量也能得到明顯減少，并能使電池的SOC保持在合理的范圍內。這里按游艇每天工作 8h計，一年作業 365d，柴油價格取5.5元/L。結合電池的投入成本，使用混合動力系統的游艇相比使用純柴油機的游艇，一年可節省燃油25%，節省成本10萬多元，減少污染物排放約10%，可起到很好的節能減排的作用。

圖8 NOx排放對比

3 結 語

本文對采用并聯混合動力系統的游艇的模型結構及其各主要部件進行了建模分析，并在MATLAB/Simulink中對游艇的典型工況進行了仿真計算，通過計算機仿真有效驗證了該并聯混合動力系統的可行性及正確性。根據仿真結果，設計的并聯混合動力系統可滿足游艇大部分工況的要求，能增強船舶的續航力、達到節能減排的目的，并能使電池的SOC保持在一定的范圍內。此外，還可對并聯混合動力系統的控制策略進行優化，使其油耗更少、排放更優。

【 參 考 文 獻 】

[1] 高迪駒，沈愛弟，褚建新，等. 混合動力船舶的能量管理與控制策略[J]. 上海海事大學學報，2015, 36 (1)： 70-74.

[2] 孫彥琰，高迪駒，褚建新. 混合動力電動船舶功率分配控制方法[J]. 計算機測量與控制，2014, 22 (12)： 3938-3939.

[3] 張敏敏，康偉. 一種混合動力電動船舶能源管理系統的設計[J]. 中國水運，2011, 11 (12)： 67-69.

[4] 袁裕鵬，王凱，嚴新平. 混合動力船舶能量管理控制策略設計與仿真[J]. 船海工程，2015 (2)： 95-98.

[5] 嚴新平. 新能源在船舶上的應用進展及展望[J]. 船海工程，2011, 39 (6)： 111-115．

[6] 孫彥琰，高迪駒，褚建新. 混合動力電動船舶模糊邏輯控制策略[J]. 船舶工程，2014, 36 (3)： 67-70.

[7] 李洪躍，朱瑾. 串聯型混合動力船舶能量控制策略研究[J]. 機電設備，2015 (1)： 21-25.

[8] 趙紅，郭晨，吳志良. 船舶電力推進系統的建模與仿真[J]. 中國造船，2006, 47 (4)： 51-56.

[9] 王磊. 船體多分段綜合日程計劃模型的研究及其系統實現[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008： 1-88

[10] 席龍飛，張會生. 小功率內河船舶油電混合動力系統的建模及仿真研究[J]. 機電設備，2014, 31 (2)： 23-27.