船用油電混合動力系統(tǒng)應(yīng)用淺析

柴經(jīng)緯

摘要：隨著環(huán)保需求的不斷擴(kuò)大，船舶EEDI第二、三階段碳排放要求日益嚴(yán)格，混合動力系統(tǒng)憑借其良好的操控性能、較高的動力轉(zhuǎn)化效率、較低的排放費用消耗而備受關(guān)注，成為未來的發(fā)展方向之一。文章從船用混合動力系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀出發(fā)，逐步闡述其運行模式和優(yōu)勢所在。關(guān)鍵詞：混合動力船舶;技術(shù)應(yīng)用;節(jié)能減排

0引言

自2019年1月1日起，船舶在環(huán)渤海灣、華東沿海、華南沿海等排放控制區(qū)內(nèi)所有港口靠岸停泊期間需使用硫含量≤0.5%的燃油。自2020年1月1日起，航行于全球國際海域的船舶不得使用含硫含量超過0.5%的燃油，禁止國際航行船舶運載不符合標(biāo)準(zhǔn)的燃料油。同時，國家提出“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”計劃，環(huán)保政策更趨嚴(yán)格，國內(nèi)沿海ECA將執(zhí)行船舶燃油0.1%的含硫量限定。國內(nèi)外政策形勢使得新能源在船舶上的應(yīng)用迫在眉睫。同時，燃料油在今后相當(dāng)長的時期內(nèi)仍將是船用能源的主流，與此同時電推技術(shù)在工程船、公務(wù)船等特種船和LNG船上的應(yīng)用成熟，已經(jīng)逐步向小型普通商船推廣，尤其在裝機(jī)容量小、用電設(shè)備多的船型上得到顯著發(fā)展，油電混合動力技術(shù)已形成代際發(fā)展，積累了可觀的樣本數(shù)據(jù)。國內(nèi)儲能裝置的行業(yè)發(fā)展已經(jīng)取得國際領(lǐng)先，技術(shù)發(fā)展日趨成熟，實船應(yīng)用得到國家政策支持。上述條件為油電混合動力在遠(yuǎn)洋船上的應(yīng)用發(fā)展和節(jié)能減排帶來更大的想象空間。

1行業(yè)發(fā)展及現(xiàn)狀

最早的船用混合動力系統(tǒng)是在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的軸帶發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，通過閉合軸帶電機(jī)與齒輪箱之間的離合器，將推進(jìn)柴油機(jī)發(fā)出的多余能量通過軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能輸出至交流電網(wǎng)中，供其他設(shè)備使用;當(dāng)在某些工況下需要使用電力推進(jìn)負(fù)載時，閉合輔助電機(jī)與軸帶電機(jī)之間的離合器，通過輔助變頻器帶動輔助電機(jī)加速至額定轉(zhuǎn)速，從而帶動軸帶電機(jī)加速至額定轉(zhuǎn)速，再并入船用電網(wǎng)，完成一個啟動過程，然后再從交流電網(wǎng)取電供軸帶電機(jī)使用，實現(xiàn)軸帶電機(jī)的電動功能。

20世紀(jì)90年代，隨著大功率全控型器件及模塊的出現(xiàn)，數(shù)字信號處理器的廣泛應(yīng)用和脈寬調(diào)制技術(shù)的迅速提高，使混合動力系統(tǒng)也有了很大進(jìn)步，產(chǎn)生了基于變頻軸帶的混合動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的軸帶電機(jī)不再被限制在相對恒速狀態(tài)，而是采用變頻器調(diào)節(jié)將恒頻恒壓的交流電壓轉(zhuǎn)化成變頻變壓信號用于調(diào)節(jié)軸帶電機(jī)轉(zhuǎn)速，使軸帶電機(jī)可以在變速狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。對于裝有定距槳的船只，航速通過螺旋槳轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，無法使用基于常規(guī)軸帶的混合動力系統(tǒng)，但采用基于變頻軸帶的混合動力系統(tǒng)則可以通過軸帶電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制來實現(xiàn)與主機(jī)聯(lián)合推進(jìn)的形式，從而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保的運行模式。同時，對于配定距槳的軸帶發(fā)電工況，由于變頻裝置可實現(xiàn)變速恒頻的控制功能，軸帶電機(jī)也可工作在變速狀態(tài)，從而系統(tǒng)也適用于定距槳軸系。

近幾年來，隨著電池技術(shù)的飛速發(fā)展以及節(jié)能減排政策的需求，船舶的動力系統(tǒng)發(fā)展也產(chǎn)生一些變革，與傳統(tǒng)動力船舶相比，電驅(qū)動模式下的船舶在控制排放污染、噪聲污染等方面擁有得天獨厚的優(yōu)勢。根據(jù)瓦錫蘭相關(guān)資料，同等規(guī)格船舶，混合動力將節(jié)省油耗10%-20%/年，不同類型的替代能源模式，將會有更高的節(jié)省油耗潛力。在多種儲能單元中，鋰離子電池和超級電容器應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的前景被看好。目前，在歐美等地區(qū)，已有采用純電池作為船舶動力源的船舶，如挪威Ample號純電池渡船，在國內(nèi)也有已在運行中的500噸級純電動驅(qū)動內(nèi)河航運貨船。但是由于目前鋰離子電池容量有限，完全采用純電池作為動力源驅(qū)動中大型船舶航行還不現(xiàn)實。同時現(xiàn)有的鋰離子電池使用壽命為8-10年，而超級電容可以不低于船舶的設(shè)計壽命，因此利用超級電容作為儲能單元的船舶混合動力系統(tǒng)成為發(fā)展趨勢。

2油電混合動力運行模式

油電混合動力系統(tǒng)一般包括柴油發(fā)電機(jī)組、配電柜、主機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)、齒輪箱、軸帶變頻器及其控制系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)（電池組或超級電容組及其控制系統(tǒng)）和電池，電容管理系統(tǒng)等。混合動力工作模式主要有3種：

Fro模式（Power take off軸帶發(fā)電模式），軸帶發(fā)電機(jī)自主機(jī)軸獲取能量，向儲能系統(tǒng)輸入能量，如圖1所示。

PTI模式（Powertakein軸帶電動聯(lián)合驅(qū)動模式），軸帶發(fā)電機(jī)由儲能系統(tǒng)獲取能量向主機(jī)軸輸入能量，如圖2所示。

PTH模式（Power take me home軸帶電動單獨驅(qū)動模式），在此模式下，主機(jī)處于故障或失效的狀態(tài)，由儲能系統(tǒng)向軸帶發(fā)電機(jī)輸入能量，軸帶發(fā)電機(jī)代替主機(jī)帶動軸系，推動船舶運行。同時，由于軸帶發(fā)電機(jī)功率較小，無法推動船舶全速前進(jìn)，只能慢慢把船帶離事故地點或靠泊靠港。同時，此模式可以由儲能系統(tǒng)向柴油發(fā)電機(jī)組輸入能量，啟動船用設(shè)備，保證在裝卸貨過程中工作不中斷，如圖3所示。

加入儲能系統(tǒng)的混合動力船舶，除了在上述3種工作模式中，還可以在停泊靠岸時使用岸電充能，如圖4所示。

船用油電混合動力的大容量電池，電容管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System），有效管理和控制萬級以上能量單元及其串并聯(lián)模組，在高電壓、大電流的工況下準(zhǔn)確、安全、可靠地工作，并使能量利用最大化。采用主動均衡技術(shù)，通過測量電池參數(shù)實施主動均衡，使每個單體、模組能量都基本保持一致，在此基礎(chǔ)上實時估算電池狀態(tài)并實施管理。通過電能管理系統(tǒng)的控制，在負(fù)載發(fā)生變化時，利用儲能系統(tǒng)動態(tài)吸收船舶運行過程中突變的能量，以保證主機(jī)和柴發(fā)機(jī)組的平穩(wěn)運行。

3油電混合動力船運行優(yōu)勢

油電混合動力船舶在兼具常規(guī)動力船舶和純電動船舶優(yōu)點的同時，相比于常規(guī)動力船舶，能夠憑借能量管理系統(tǒng)作為“大腦中樞”進(jìn)行整體性能量和功率需求分析，制定系統(tǒng)控制策略和能量管理實施方案。可根據(jù)負(fù)荷和功率的需求選擇不同驅(qū)動模式，增加了自由選擇度，確保所有工況下的船舶航行的動力性，能提高燃油效率、降低排放、優(yōu)化操縱性能。當(dāng)發(fā)動機(jī)最優(yōu)工作功率高于負(fù)載需求功率時，多余功率通過電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能存儲于儲能設(shè)備中;反之，則使用儲能設(shè)備中存儲的電能驅(qū)動電機(jī)，與內(nèi)燃機(jī)共同驅(qū)動螺旋槳。于是，內(nèi)燃機(jī)便可在更多情況下工作在最優(yōu)或接近最優(yōu)的區(qū)間。其次，由于儲能系統(tǒng)中存有能量，可以支持負(fù)載在短時間內(nèi)脫離內(nèi)燃機(jī)獨立工作，在有極端要求時對動力進(jìn)行補(bǔ)充，因此在港口、碼頭或其他有特殊要求的水域，可以只用儲能系統(tǒng)進(jìn)行推進(jìn)，關(guān)掉內(nèi)燃機(jī)、靜音運行、實現(xiàn)零排放，從而為混合動力系統(tǒng)配備提供更多的可能性。

4結(jié)語

油電混合船舶動力系統(tǒng)具有很強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展優(yōu)勢，雖然目前儲能單元價格偏高，但是其可以在船舶運營中明顯減少燃料油的消耗和碳排放。隨著大容量電池和超級電容技術(shù)不斷發(fā)展，制造成本持續(xù)降低，混合動力船舶將成為未來船舶發(fā)展的重要方向之一。