電力推進船舶柴電混合動力系統的研究與分析

徐達

摘要：隨著現代電子電力技術的發展以及電力推進型式船舶的廣泛應用，純電動成為未來船舶的發展方向;電力推進混合動力船舶為電力推進向純電動發展的過渡方案;文章對船舶混合動力系統的結構組成與特點進行介紹;針對系統的關鍵技術與研究現狀進行分析，如發電源接入技術，能量控制策略以及新型電池等;并對柴電混合動力系統有待發掘的內容與應用前景進行分析。

Abstract： With the development of modern electronic power technology and the wide application of electric propulsion type ships， pure electric becomes the development direction of ships in the future; electric propulsion hybrid ships are the transition scheme from electric propulsion to pure electric development; this paper introduces the structure and characteristics of the ship hybrid system， analyzes the key technologies and research status of the system， such as power supply access technology， energy control strategy and new battery， etc.， and analyzes the content and application prospect of diesel electric hybrid system to be explored.

關鍵詞：船舶動力系統;混合動力;電力推進

Key words： ship power system;hybrid power;electric propulsion

0 ?引言

船舶電力推進技術的迅速發展，是當今能源與環境嚴峻形勢下的必要趨勢，也是電力電子技術發展的必然成果[1]。“電力推進船舶柴電混合動力系統”可以定義為柴油機發電機組和動力電池作為動力源，其中至少一種可以提供電能的混合動力電力推進形式。該形式對于滿足節約能耗、降低污染物排放的需求，提高船舶的續航性和動力系統的冗余性、可靠性，解決柴油機低速性能差，多變工況下效率低的問題具有重要意義[2]。目前正處于不斷研究和探索的階段。

1 ?系統組成與工作模式

混合動力系統的概念，在汽車上早有應用并日漸成熟。從能源角度來看，船舶混合動力系統有柴油機/動力電池混合、LNG/柴油混合、風翼/柴油機混合等幾種形式。目前研究較多的是柴油機/電池混合。對于柴電混合動力系統，從結構上看，又分為串聯式、并聯式和混聯式三種形式。

串聯式混合動力系統是由柴油機發電機組、動力電池、變壓器、變頻器、電動機等幾部分構成。基本原理是當小負荷時通過電池輸出電力給電動機，驅動螺旋槳轉動;而大負荷時通過柴油機先給發電機發電，再將發出的電驅動電動機。當船舶處于啟動、加速或帶載荷運行的工況時，可以通過柴油機和電池共同驅動;當處于低速、怠速的工況時，可由電池組直接驅動電動機，而內燃機和發電機組向電池組充電。該形式柴油機與螺旋槳并沒有直接機械連接，而是采用電力推進的形式驅動螺旋槳及其它負載，因此稱其為電力推進柴電混合系統。

并聯式混合動力系統由柴油機、動力電池、電機、齒輪箱等組成。基本原理是電機和柴油機通過減速齒輪箱并聯連接。用電負荷不大時可通過主柴油機驅動齒輪箱、螺旋槳和其它負載，此時電機可處于發電機狀態為電池供電;當船舶輸出推力小或柴油機處于故障狀態時，可采用電力推進模式，即電機處于電動機狀態驅動齒輪箱;而當船舶需要較大推力時可采用混合動力推進模式。

混聯式混合動力系統由柴油機、動力電池、電動機、發電機和動力分離裝置等組成，原理是混合了串聯式和并聯式系統的運行特點，即柴油機和電動機共同驅動螺旋槳的同時，柴油機也可以通過動力分離裝置和發電機給電池充電。“混聯”在船舶動力系統方面的研究還處于起步階段。

對于柴電混合動力動力系統的幾種形式，要根據不同的使用目的和具體的使用環境去評判其優越性。從燃料的經濟性看，并聯式系統更優;但在減少污染物排放方面，它不如串聯式。并聯式系統的工作效率較高，而且機型選擇可相對減小，增大機艙空間。但其結構較串聯式相比更為復雜，可靠性也不如串聯式系統。

本文主要對串聯式，即電力推進船舶柴電混合系統進行研究分析。

1.1 系統結構組成

電力推進船舶柴電混合動力系統的結構如圖1所示。系統的發電源有兩個：柴油機發電機組和動力電池。柴油機發電機組經AC/DC變換器接入直流母線。另一端，動力電池經過雙向DC/DC變換器接入直流母線。直流母線上經過DC/AC逆變器將直流電逆變成交流電供給到電動機，以拖動螺旋槳。值得注意的是，由于雙向DC/DC變換器的特性，不僅動力電池可以通過雙向DC/DC變換器向系統輸出電力，而且柴油機發電機組的多余電能可以通過雙向DC/DC變換器給動力電池充電。該系統結構不存在發電機與螺旋槳的直接連接，使整個布局比較靈活。

1.2 系統工作模式

1.2.1 柴油機發電機組供電模式

在這種模式下，由柴油機發電機組單獨供電。柴油機發電機組輸出的電力經過AC/DC變換器、直流母線和逆變器供給電動機拖動螺旋槳。除此之外，多余的電能可以通過雙向DC/DC變換器給動力電池充電，從而提高船舶的續航性能。

1.2.2 電池供電模式

在這種模式下，動力電池單獨運行供電，經過雙向DC/DC變換器、直流母線、逆變器供給電動機拖動螺旋槳。這種模式適用于船舶經濟航速運行或柴油機故障狀態下，是一種低噪、節能的運行模式。

1.2.3 混合供電模式

當需求負載較大，柴油機發電機組或電池單獨供電不能滿足要求時，選擇混合供電模式運行。在這種模式下，柴油機發電機組和電池同時供電，既滿足了船舶的動力性能需求，同時也起到了降低排放的效果。

2 ?系統關鍵技術研究

2.1 動力電池

動力電池對于船舶續航能力和動力系統冗余性的提高有著重要意義。不僅如此，作為柴電混合系統的發電源之一，電池承擔著動力輸出的關鍵角色。如何根據具體船型、發動機型號以及船舶用途來選擇動力電池的類型，如何使用和保護動力電池以保持其性能，延長其壽命，都是系統的關鍵技術所在。不僅如此，動力電池技術也是船舶小型化、安靜化、低耗化趨勢的關鍵。

目前應用最廣泛的是鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池使用方便，價格低廉，具有容量大、充電快、壽命長的特點，符合混合動力系統的技術要求。

高比能的鋰離子電池是未來船用動力電池的重要趨勢，其比功率高、成本低等特性在手機和電動汽車行業顯現無疑。保證大容量鋰電池的安全性，完善其管理系統是目前研究的關鍵所在。

除此之外，質子交換膜燃料電池等動力電池，均可作為系統發電源的優良選擇。

2.2 變頻器

變頻器的作用調節輸出電壓和頻率的大小，并維持電壓和頻率的穩定性，從而實現發電源的軟啟動和軟關閉，減小對直流電網的沖擊。選用變頻器應注意轉換效率、功率、控制方式等因素。

在該柴電混合動力系統中，雙向DC/DC變換器是系統的關鍵。它的作用是完成直流能量的雙向流動，具有多種拓撲，可分為隔離型和非隔離型兩種形式。雙向DC/DC的性能直接關系到系統性能的好壞。其設計的難點在于磁性元件的設計，比如變壓器和電感等。另外，在設計過程中還要考慮濾波的要求、電壓升降等因素。

2.3 能量管理及控制策略

電力推進船舶柴電混合動力系統的核心技術是能量管理及控制策略。其目的是：在滿足船舶運行的功率需求條件下，根據實時工況和系統狀態，分配和協調發電源的能量，以滿足船舶動力需求并減少能源消耗與污染物排放。控制策略的是否合理直接關系到系統能否高效而可靠地運行。

混合動力系統的控制策略在汽車方面研究較早，文獻[3]將模糊控制策略應用到燃料電池、蓄電池和超級電容組成的混合動力系統。在船舶領域，能量管理與控制策略的研究也有一定進展。文獻[4]提出了軍事艦船不同工況下的能量系統數學模型，并通過實驗驗證其可靠性;文獻[5]針對小型船舶設計一種基于邏輯門獻能量管理控制策略;文獻[6]針對內河電力推進船舶，提出一種模糊綜合評判運行切換策略。

3 ?國內外研究與應用現狀

查閱國際國內關于混合動力船舶的資料可知，關于柴電混合動力系統的研究在國外起步較早，已有不少研究機構提出先進的理論方法，并且已有一些應用成功的例子，主要集中在潛艇、游艇、挖泥船或小型內河船舶等。而在國內，由于起步較晚，成功應用的案例不多。

2003年4月，德國基爾港，第一艘擁有柴電混合動力系統的潛艇試航。該潛艇通過燃料電池和柴油機實現推進，最高航速可達8kn。

2009年，美國Foss公司研發的柴電混合動力拖船Carolyn Dorothy建造成功。該船舶由蓄電池和柴油機提供動力。兩年后的數據表明，PM和NOX的排放明顯降低。

2012年，中船重工711研究所研制出一套混合動力船舶的結構系統，實現國內船舶柴電混合動力系統的突破[7];近幾年，上海海事大學研究并搭建了電力推進柴電混合系統的實驗平臺，為國內電力推進船舶柴電混合動力系統的研究提供重要參考與幫助。

4 ?結語

本文對電力推進船舶柴電混合動力系統的結構原理、關鍵技術以及應用現狀進行研究與分析。面對能源的危機、環境的污染、氣候的變化和全球變暖的事實，船舶運輸行業面臨著巨大的壓力和挑戰，研發新的系統結構，改善現有能源結構迫在眉睫。柴電混合動力技術可以實現柴油機動力與電池動力的分配與組合，不僅能優化船舶動力系統適應多變工況的能力，而且能在保持動力輸出的前提下實現節能減排。該系統符合“綠色船舶”新興概念，擁有光明而廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]高海波，陳輝，林治國.民用船舶電力推進系統的發展[J]. 中國水運報社，2005（1）：43，44.

[2]丁晨雷，康偉.褚建新小型船舶綠色動力電池推進系統研究設計[J].上海造船，2011，02：38-41，46.

[3]KISACIKOGLUMC， UZUNOGLU， MALAMMS.Load sharing using fuzzy logic control in a fuel cell/ultra capacitor hybrid vehicle[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2009，34（3）：1497-1507.

[4]SEENUMANIG， SUN J， PENG H， Real-time power management of integrated power systems in all electric ships leveraging multi time scale property[J].IEEE Trans Control Systems Technol，2011，20（1）：232-240.

[5]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].中國水運下半月，2011（12）.

[6]魏偉，褚建新，王帆，串聯式混合動力船舶能源系統運行模式切換策略[J].船舶工程，2016（4）.

[7]李明，黎菁，段征.船舶混合動力系統的研究[J].柴油機， 2012（3）：26-28，32.