船舶混合動力系統的發展與應用研究

李忠杰

（海軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100071）

隨著我國環境保護措施的不斷完善，各行各業對環保的重視和關注度不斷提高，船舶排放控制區域正逐步擴大，在一定程度上影響了柴油機等降低傳統船舶使用的環境污染程度，高耗能設備的應用。船舶混合動力系統能夠借助新型船用清潔燃料，減少船舶動力能耗與污染，既能滿足長期航行和作業的續航力需求，又能實現污染零排放，從而促進船舶運輸產業的穩健、綠色發展。

1 船舶混合動力系統發展概況

通過對船舶混合動力系統發展過程的研究分析可知，最初始的船舶混動系統主要采用柴電混合系統，是20世紀70年代初期在發電機機組基礎上發展而來的，其基本原理架構圖,如圖1所示。當該類船舶混合動力系統的實際負載參數值較小時，為了維持柴油機的最優工作狀態，往往會使用混合系統的閉合軸帶動電機和齒輪之間的轉動離合器，促使柴油機發出多余的能量，借助其軸帶發動機轉動轉化為電能輸出至交流電系統中，使其供其他負荷運行使用。

圖1 初始船舶混動系統原理架構圖

當在某些工況條件下需要使用電力進行復合推進時，需要借助閉合輔助電機和軸帶電機之間的離合器，借助變頻設備的電力推進輔助電機快速加速至額定轉速參數，帶動軸帶電動機快速達到額定參數值，以此并入用電網模式，完成整個啟動過程。在借助交流電網完成取電目的后，軸帶電機快速運轉，實現電機電動功能的變化。隨著現代信息技術的發展，大功率全控技術以及模塊結構的設置，加之數據信息處理器技術和脈沖調制技術等廣泛應用，促使船舶混合動力系統得以快速發展，就以目前廣泛應用的基于變頻軸帶的混合動力系統為例，整個系統中的軸帶電機不再被限制為相對恒速狀態，可以使變頻器調節得到恒頻和恒壓的交流電，轉化為變頻和變壓的參數信號，用以調節軸帶電動機快速啟動，帶電動機能夠在變速條件下快速運轉。

2 動力方案設計

由于運輸航船的實際工況條件復雜多變，且在不同作業工況條件下動力輸出參數值通常較大，為了兼顧航船在使用過程中的所有工況特征，需要船舶動力系統更具靈活多樣性。因此，為了保證混合動力系統的靈敏性，需要使用柴電混合推進系統，整個動力裝配,如圖2所示，系統包括柴油機主機、輸入輸入和單輸出的齒輪箱及軸帶異步電機、柴油發電機組等設備。在運行過程中，工況設計主要應考慮船舶在常規航行條件下的工況、漁船捕撈使用工況和沿海專項工程工況等。

圖2 動力裝配圖

以常規航行條件下的工況為例，在船只常規航行過程中，船舶動力系統的工作原理,如圖3所示，由圖可知，主電機在正常運轉條件下能夠為船舶系統的螺旋槳提供相應動能，從而帶動發電機作為其主供電系統，為整個船只提供航行所需要的復合用電，整個用電設備包括風機、信號燈以及船員生活用電等，該條件下，船舶的電動液壓泵并不處于工作狀態，而僅僅為備用電源，為發電機提供充足的能量。

圖3 常規航行工況下動力系統工作原理圖

在船舶專項作業工況條件下，由于作業條件受特殊地理環境影響，船舶的動力系統,如圖4所示。以漁船為例，當采用托網方式處理海產品時，需要保證產區內所有工作人員的生產安全，也需要對產區內的噪音進行一定限制，因此，在專項工作時，往往采用鋰電池為船只提供動力，機組主設備并不工作而僅僅作為應急動力電源備用。在專項作業過程中，鋰電池組無須為船舶提供動力，而是在沿海地區捕撈海產品的過程中，由于船只的航行速度降低，所需動力從而降低，鋰電池的功率重新調整，其會為軸帶發電機的螺旋槳提供動力，會為船舶運行過程中的鋼腳電動液壓機提供電能。

圖4 專項作業工況下動力系統工作原理圖

3 典型架構與運行模式

近年來,隨著儲能系統技術的飛速發展，基于儲能系統的船舶混合動力結構得以應用，其架構示意圖，如圖5所示，包括柴油發電機、配電柜、主機結構、發電機及齒輪箱控制系統、儲能結構等。其中，混合動力系統的軸變頻器和儲能系統與常規船舶的動力結構相比，具有一定的特殊性，其可以為船只提供更好的能量保障。儲能系統由電池和超級電容器結構組成，通過雙向的DC設備連接到船舶的電網體系中，從而具備智能放電和智能充電的功能，且能夠快速響應船舶的電能變化需求。電能管理模塊是在綜合考慮不同子模塊特征下，滿足國家現行法律法規和行業標準規范要求的應用模式。在加入儲能系統后，混合動力船舶能夠在不同的工作模式中，通過對電能管理信息系統的智能化控制，實現電能管理過程和船只變化的高效率匹配，利用儲能系統快速調整突發參數變量，以保證船舶在后續負荷較多時為主機和柴發機組的平穩運行節省能量，從而有效降低船舶運行成本。

圖5 基于儲能系統的船舶混合動力架構示意如圖

4 多能源系統的能量管理策略

在船舶混合動力系統應用的過程中，多能源系統的能量管理主要包括基于規則的能量管理策略和基于優化的能量管理策略。一般來說，基于規則的能量管理策略，在混合動力船舶中的應用更加普遍，常見的能量管理模式包括恒溫器管理模式和功率跟隨管理模式。恒溫器管理模式，主要是通過對管理閾值的設置，以蓄電池的狀態結構作為其能量管理的依據，當蓄電池的能量充足時，超過蓄電池閾值最高點，則關閉發電機，依靠蓄電池的電能推動船舶繼續前行；當蓄電池的能量不足，也就是低于蓄電池的閾值低點時，則啟動發電機，控制發電機的工作狀態，對輸入和輸出恒定功率進行合理調整，并借助剩余的功率為儲蓄電池充電。功率跟隨能量管理策略是在設置蓄電池閾值時，調整主機輸出功率上限值和下限值，借助恒溫器的能量管理策略，限定主機的實際輸出功率，允許主機在輸出功率后，使燃油經濟性在較高的范圍內波動。當蓄電池的能量值高于閾值最高點時，則允許主機調整相應的輸出功率，將輸出功率調整為較小值，而不是直接關閉主機，以此減少主機在運行過程中的開啟和關閉次數，從而提高能量的利用率。

5 結語

本文在研究船舶混合動力系統發展概況的基礎上，深入分析了船舶動力方案設計和典型架構、運行模式等，最后針對性地提出了船舶混動系統這一多能源系統的能量管理策略，認為能夠從基于規則的能量管理和基于優化的能量管理策略出發，對船舶混合動力系統的用能過程進行優化，以更好地促進我國船舶運輸產業的高效率、綠色可持續發展。