船用混合動力推進系統能量管理系統關鍵技術研究現狀

孫曉軍 宋恩哲 姚 崇

哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱，150001

0 引言

與其他行業一樣，能源危機和日益嚴格的排放法規成為航運業不得不面臨的嚴峻考驗[1-2]。英國勞氏船級社發布的《通向2050年的低碳之路》研究報告中指出：當前船舶行業每年向大氣中排放大約1250萬噸NOX和SOX，同時船舶行業的CO2排放量占全球CO2排放總量的2.33%[3]。根據歐盟文件(2019)，中國溫室氣體排放量占全球的29.71%[4]。為提高船舶能效水平，減少船舶有害廢氣排放，IMO在2011年通過了對船舶EEDI的強制規定[5]，大多數船舶只需要通過常規改進技術或降低船速即可滿足該規定中的第一階段折減系數要求，但隨著第二、三階段的逼近，各船企面臨著巨大的技術挑戰[6]。

船舶傳統推進方式中間環節較少，能量在傳遞過程中的損耗較少，且在額定工況下具有功率密度大、能量損失小等多項優點[7]。當工作在部分負荷以及低負荷時，效率較低、排放惡化、噪聲較大，嚴重影響了船舶的經濟性和排放性[8]，對于拖船[9]、渡船[10]、游船[11]和工程船[12]等功率變化頻繁的船舶，低負荷運行的弊端更加明顯，尤其對于拖船，雖然柴油機的平均運行負載較小，但拖船的裝機功率仍應按照發動機額定功率來進行匹配選型，多數情況下會出現大馬拉小車的現象，嚴重影響其經濟性和排放性。Foss Maritime公司對其傳統拖輪進行了混合動力系統改造，重新進行功率匹配并加入能量管理策略，相比傳統拖船，排放顯著下降，燃油效率顯著提高，操控能力明顯提升，每年可減少3.785萬升的柴油消耗量[13]。

混合動力推進系統的能量管理策略能完成各動力源的功率最優分配，根據不同性能指標要求，滿足船舶動力性、經濟性和排放性要求[14]；在節能減排的大背景下，混合動力船舶憑借多動力源特性互補的優勢正逐漸成為應對當今近海、內河船舶面臨減排挑戰的有效解決方案之一。混合動力系統屬于多動力源系統，多動力源的耦合增加了船舶混合動力系統的復雜性，如何實現各種動力源穩定、可靠、高效運行成為混合動力能量管理系統迫切解決的關鍵問題。本文首先回顧混合動力系統國內外應用情況，以此為落腳點提出能量管理系統的拓撲結構與實現手段，進一步針對能量管理系統的關鍵技術進行分析，最后對混合動力系統面臨的挑戰和未來的發展趨勢進行闡述。

1 國內外混合動力船舶發展現狀

船舶混合動力系統不是各主要動力源簡單的疊加，而是原動機與電機、蓄電池等關鍵設備的有效集成。船舶混合動力推進系統通過優化算法實現各關鍵動力源的能源優化匹配，完成系統的集成設計，使系統整體性能最優，其相關技術比較復雜[15]。目前，如瓦錫蘭、ABB等國外公司針對混合動力系統已經有相當成熟的解決方案，已有性能穩定可靠的產品推入市場[16-17]；國內船舶混合動力技術發展較晚，但近年來各大高校和科研院所正進行積極研究，取得了一定成果。

1.1 國外混合動力船舶

世界上第一艘混合動力拖船整合方案“Carolyn Dorothy”號于2019年11月交船，采用柴電混合推進方式，服務于美國長灘和洛杉磯港。JAYARAM等[18]著的《Evaluating Emission Benefits of a Hybrid Tug Boat》報告中評估了混合動力拖船在排放方面的優勢，圖1所示為不同型式的拖船的排放對比，計算可知：PM2.5減少了73%，NOx減少了51%，CO2減少了27%，Carolyn Dorothy拖船是混合動力推進技術的良好應用。

CHOI等[19]開發的一種新型燃料電池動力船是韓國第一艘燃料電池動力船，如圖2所示。該系統由質子交換膜(proton exchange membrane，PEM)燃料電池模塊、氫儲罐、DC-DC轉換器、鋰離子電池組和電池充電器組成，實機驗證表明燃料電池-混合動力系統能可靠運行。

圖1 多型拖船排放對比[18]Fig.1 Comparison of emissions from multiple types of tugboats[18]

圖2 用于推動旅游船的燃料電池混合動力系統[19]Fig.2 Fuel-cell hybrid power system for propulsion of tourist boats[19]

“Prinsesse Benedikte”號渡輪是2013年時最大的混合動力渡船，總功率可達17 440 kW，同時配置了2.6 MW·h的三元鋰電池，該船長142 m、寬25.4 m，船速為18.5節[20]。

芬蘭WE Tech Solutions 公司是提出船舶混合動力解決方案領域的先驅之一，包含經濟運行、混合推進、高效配電以及混合直流驅動的驅動解決方案，具體方案詳解見http：∥wetech.fi/solutions/。該公司自2010年成立以來一直致力于為船舶量身定制混合動力解決方案，以提高船舶能源效率，減少環境污染。WE Tech Solutions Oy將動力輸出(power take off，PTO)低耗運行模式應用于油輪Ternsund及其姊妹船上，該方案使發動機在所有航速下皆處于最佳運行工況點，大大提高了系統的能量效率，大幅度降低了燃油消耗，被海事報道及工程新聞授予“2016年度化學品油輪船舶”稱號。同時，WE Tech Solutions公司也提供了瑞典船東Ektank兩艘化學品船的永磁軸帶發電機解決方案及高效配電模式，使該混合動力船舶在航運業中更具競爭性[21-22]。此外，WE Tech Solutions公司還為4艘滾裝船提供了相同的混合動力系統方案。WE Tech的高能效方案從運營、燃料排放以及成本控制等多方面為航運業設立了新的標準。

2018年10月瓦錫蘭在意大利的里雅斯特成立了第一個致力于進一步開發和配置W?rtsil? HY混合動力模塊的中心。該中心擁有一整套發動機、電池、電力傳動裝置和一個利用電機的螺旋槳負荷模擬裝置以及一臺電動/發電機動力輸出/輸入裝置，同時配套綜合能源管理系統，可以模擬現場實際運行數據，為推進混合動力系統進一步開發提供了有力的支撐[23]。瓦錫蘭提供了海上風電運維母船“Acta Centaurus”號混合動力推進解決方案，詳見https：∥www.actamarine.com/vessels/63/Acta-Centaurus。該方案包括混合動力驅動和能源管理系統，實現了依靠較少發動機達到更優化的載荷，提升了燃料消耗和環境方面的效益。2019年3月，瓦錫蘭設計了采用LNG/生物氣體燃料發動機的混合動力推進系統。同時，瓦錫蘭還為意大利Grimaldi集團旗下Finnlines公司的新滾裝渡輪提供混合動力轉換系統。此外，2020年1月，瓦錫蘭設計了全球首艘柴電混合動力自卸式散貨船的混合動力系統，該系統使用電池驅動甲板挖掘機，無需在港口運行柴油輔助設備。同時在關閉主機的情況下可以在港口進行正常運行，實現港口的無排放作業，該系統每年可減少約400 t的燃料消耗。為滿足拖船市場的特定需求，瓦錫蘭還推出了專門的拖船混合動力系統，并在“Vilja”號護航拖船上投入運營，實現了零污染排放、無噪聲、動力強勁、系柱拉力大、無煙運營的目標。

ABB提供了一種AHTS(anchor handling tug supply)船舶混合動力并聯式推進解決方案，如圖3所示。解決方案中包含發電機組、發動機、電動機三種動力源，通過合理的控制策略調控得到更高的能源效率，且其安裝成本比純電動解決方案更低[24]。

圖3 AHTS混合動力系統解決方案[24]Fig.3 The hybrid power system solution of AHTS[24]

2020年6月2日，發動機制造商Scania公司為其船用發動機推出了混合動力系統。該系統具有模塊化和可擴展性的特點，可根據客戶的特定需求將電動機械與內燃機結合在一起，既可作為集成動力源，又可作為待命動力源，CO2排放可減少92%。國外混合動力技術發展較早，技術較為成熟，隨著排放法規的日益嚴格，歐洲與美洲的船運公司正積極廣泛地對傳統動力船舶進行混合動力系統改造。

國外大型船舶公司主要集中在船舶混合動力電力系統供給的改進和更新或是對傳統動力進行改裝，如圖4所示[14]。圖4描述了實踐過程中常采用的推進系統，動力源主要包括儲能系統、發電機組以及柴油發動機。

圖4 推進系統[14]Fig.4 Propulsion system[14]

1.2 國內混合動力船舶

在國內，中船711所率先針對混合動力系統進行探索性研究，將研發的PTO/PTI驅動系統成熟地應用到粵海火車輪渡，系統采用雙機雙槳配置[25]。2018年8月該所參與研制的“海港711”號下水，成為國內第一艘全國產油電混合動力拖輪[26]，同一PTO/PTI驅動系統的5000 t級公務船應運而生[27]。2020年6月，由該所提供核心控制系統的國內第一艘油氣電混合動力“新長江26007”的內河船舶成功下水[28-29]。

隨著環境問題的日益嚴峻，為推進儲能系統的進一步發展，儲能式混合動力游船寰島云帆號于2018年7月在太湖順利通過CCS試航驗證，該船可以實現純電池、油電及電池/油電混合動力三種工作模式[30]。

2010年上海世博會期間，國內首艘將清潔能源太陽能加入柴電混合動系統中的游船“尚德國盛”在黃浦江起航，它包含的動力源有柴油發電機組、蓄電池和太陽能，可以實現多種工作模式的轉換[31]。

中國船舶集團所屬汾西重工賽思億擁有國際先進的技術和自主知識產權，且在船舶混合動力推進系統領域已有成熟的應用方案。該公司設計的Crystal Bach柴電動力推進系統、沈括號科學調查作業船柴電動力推進系統等均已完成交付[32]，同時還對深海裝備綜合實驗船柴電混合動力推進系統、3000 t散貨船純電池動力推進系統[33]、美維凱悅號豪華游輪柴電混合動力推進系統等進行了設計和調試。

船舶新能源混合動力作為船舶動力發展的方向，正在受到越來越廣泛的關注和應用。國內科研院所雖然已取得相應的成果，但與國外先進技術相比仍有一定的差距，需要與國外企業合作交流，進一步提升我國在該領域的核心競爭力。2019年12月3日，第20屆中國國際海事展(Marintec China)上無錫挪瑞(NuoRui)與加拿大Aspin Kemp & Associates(AKA)聯合設展，深入洽談了對接項目與合作，同時，中船黃埔文沖船舶有限公司與瓦錫蘭達成了共同開發混合動力挖泥船的協議。

2021年8月14日，由長航集團所屬上海公司精心打造的7500 t級綠色智能船“長航貨運001”輪在江蘇大津重工有限公司順利下水，該輪是“綠色智能內河船舶創新專項”示范船舶，采用具備油、氣、電混合動力的混合動力系統，配置3臺LNG發電機組、2臺可逆軸帶電機，兼具安全可靠、綠色、智能、高效等特點，是助力長江航運高質量發展和“碳達峰碳中和”的又一項重大創新舉措。

總體來說，國內的混合動力系統以柴電混合動力系統串聯形式為主，如圖5所示，天然氣-蓄電池混合動力系統[34]、燃料電池-蓄電池混合動力系統[35]、光伏電池混合動力系統[36]以及風能助力混合動力系統[37]等發展較慢。2021年6月24日，國務院新聞辦公室舉行的新聞發布會明確提出將推動電池、清潔燃料、可再生能源等在船舶上的應用，積極打造綠色航運海事治理示范區，引導船舶使用清潔、綠色、低碳能源，推進制度性、技術性減排，這些政策將進一步推動清潔能源和新型能源在船舶上的應用，也成為混合動力系統進一步發展的研究方向[38]。

圖5 柴電混合動力系統的串聯框架Fig.5 The Series framework of diesel-electric hybrid power system

2 能量管理系統的拓撲結構與實現架構

2.1 能量管理系統拓撲架構

能量管理系統(power management system，PMS)是集能量分配、監測安保和智能管理于一體的綜合性控制系統[39]，PMS實時提取航行狀態，通過智能算法對多種能量源進行最優分配，使混合動力系統的整體經濟性和動力性達到最優。圖6為通用能量管理系統的輸入輸出通用框架圖，它包含若干動力源，如發動機、燃料電池、柴油發電機組，涉及多種能量形式的轉化，能量管理系統通過綜合考慮動力源和負載特性，從能耗優化和功率分配等兩個方面提高系統的效率和減少燃料的消耗。

圖6 能量管理系統通用框架Fig.6 General framework of the energy management system

2.2 能量管理系統實現框架

船舶駕駛員通過操縱車鐘，將加減速信號輸入船舶系統，輸入信號同實際的船速以及被調用的控制動作進行對比。同時，能量管理策略通過各種傳感器對混合動力系統狀態和外界環境進行分析，然后將這些因素全部考慮進去，做出相應的控制動作，完成能量最優管理分配，具體過程如圖7所示。能量管理模塊主要是能量管理策略，主要對成本函數進行優化，計算公式如下[40]：

(1)

圖7 能量管理控制的實施接口原理Fig.7 The schematic of the implementation interface for energy management control

由圖7可知，車鐘信號是混合動力船舶的重要輸入參數，此外船舶駕駛員的動作或不同控制器的動作也會導致不同的電氣負載或者機械負載被加入進來，所有輸入包含外界環境決定著實際的燃料輸入或電池目標狀態，這些參數可以通過傳感器直接傳遞，或在某些條件下通過計算得到蓄電池荷電狀態(state of charge，SOC)并輸入能量管理策略中。能量管理策略首先由上述信息建立成本函數，然后對成本函數進行優化，最終決定對離合器狀態、燃料噴射量或電池電流進行更新。這些更新值告訴控制器根據各自的數值更新到一個新的狀態。最終結果取決于外界環境變化的參數，如轉速、轉矩等信號也被更新了。能量管理控制的最終結果取決于能量管理算法模塊中成本函數的優化，對成本函數的優化過程就是能量管理策略的研究過程，它是整個能量管理系統中最重要的環節之一。

3 能量管理系統的關鍵技術

能量管理系統的核心就是針對不同形式的船舶混合動力，以經濟性、動力性、排放性為目標開展能量管理控制策略的開發與研究。

3.1 多能源管理的關鍵難題

船舶混合動力推進系統較傳統推進系統引入了較多的額外系統，如電機、儲能系統、柴油發電機組，增加了系統限制和控制自由度，提高了對能源管理系統的復雜控制需求。能量管理系統富含較多關鍵難題，總結如下：

(1)系統集成。能量管理系統位于動力源控制器的上層，以協調各個設備的控制參數，系統集成是增加彼此設備信息交互和控制傳輸速率的良好手段。不同設備的控制器可能是由不同廠家提供的，信號的傳輸速率以及通信協議的不同會增加系統集成的難度，所以在推進混合動力船舶應用市場時，需要相關規范確定主要控制參數與監控參數的傳輸速率以及使用的通信協議，出臺相關規范。

(2)設備選型與匹配。由于船舶運行工況復雜、不同種類的船舶對動力源的種類、安裝、維護等方面提出很高的需求，故迫切需要關于混合動力推進系統動力源確定的規范和規定。機槳匹配是傳統船舶進行主機匹配的重要理論，但是對于多動力源系統的推進系統，它顯然不能完美地將其潛藏的動力發揮出來；多能源混合動力系統的參數匹配涉及多目標與多變量之間的優化問題。針對不同類型船舶的實際運行工況來確定船舶經常工作的載荷區域，設計相應的成本函數，通過最優控制方法進行求解，結合工程經驗進行相應修正。

(3)多目標協同控制。新型能源的加入為船舶混合動力系統提供了靈活的拓撲結構，能源多尺度響應時間和動態協調成為能量管理系統的關鍵難題之一。多目標控制的目標選取已經將動力性、經濟性、排放性完全融合，缺一不可，設備和相關參數增加，需要跟蹤的目標衍生了成本函數的復雜度，導致求解時間延長，這也從側面反映出對智能控制算法實時性的追求和嵌入式代碼生成的迫切性。

3.2 能量管理策略應用現狀

能量管理是混合動力系統的核心，通過保證各動力源的輸出功率之和與船舶需求功率相一致，對動力的產生、傳遞和消耗等進行優化，完成船舶在不同區域、不同工況航行時各動力源的最佳功率分配以及工作模式的自由切換，實現動力系統的動力性、經濟性和排放性目標[41]。能量管理策略需要充分考慮船舶運行工況、各動力源的高效率區域以及儲能系統的荷電狀態、循環壽命等關鍵因素。通過解決多目標、非線性和多種約束條件的優化問題，完成各動力源之間的能量協調分配[42-43]。混合動力汽車的能量管理策略研發相當成熟，但在國內船舶領域，能量管理策略的研究尚處于起步階段，下面針對船舶系統常用于能量管理策略的算法進行總結歸納。根據文獻[44]，船舶能量管理策略劃分為基于工程或者實際經驗的規則型和基于不同優化目標的優化型。

基于規則的能量管理策略是目前應用最為廣泛的一種方式[45]。在該方法中，設計者通過對發動機、電機、蓄電池等特性進行分析，并根據要實現的目標對各設備切換狀態的門限值進行確定，再根據系統需求功率及各設備運行情況確定當前動力系統的運行模式并同步完成功率分配，如圖8所示。根據對發動機的控制，能量管理策略分為開關式及功率跟隨式控制策略[46]。開關式控制策略主要應用于串聯式混合動力系統，發動機隨著航行工況的變化只有兩種狀態，即開啟或停機；當發動機處于停機狀態時，系統需求功率由蓄電池供給；當發動機開啟時，發動機始終處于高效率區域運行，提供系統需求負荷或為蓄電池充電，這種方式只能達到次優目標。功率跟隨式控制策略指發動機跟隨系統需求功率，需要復雜的能量管理策略來達到動力源的最佳功率分配，它通過設定混合動力系統中關鍵參數(如需求功率、電池SOC、發動機/電動機高效工作區等)的邏輯門限值來進行推進模式的切換和多種動力源之間的功率分配，具有設計簡單、計算量小、實用性強等優點，但門限值的設定大多依靠工程師或設計者的實際經驗，因此該混合動力系統的優劣取決于設計者的經驗是否豐富。

圖8 能量管理策略原理示意圖Fig.8 The schematic diagram based on the energy management strategy

基于優化型的能量管理策略包括基于全局優化和瞬時優化的能量管理策略。基于全局優化的能量管理策略是指在船舶的整個航行工況內，利用最優控制理論，以全局燃油經濟性或全局排放性為目標完成各個動力源的功率分配[47]。但是大多數船舶的航行工況無法提前預知，以經濟性為目標，利用等效燃料消耗率，基于模型預測控制(model predictive control，MPC)或龐特里亞金極小值原理(Pontryagin minimum principle，PMP)等方法來實現動力源之間的最優分配，如圖8所示。該方法可以實現實時的最優控制，但不能達到全局最優，同時該算法需要進行大量的浮點運算，目前還沒有廣泛應用到實際混合動力系統中[48]。

3.3 多能源耦合的能量管理系統關鍵技術

船舶能量管理系統的研究主要集中在以柴油機與儲能混合、多儲能混合等為動力源的混合動力系統。由于動力源的工作特性不同，故可依據混合動力系統工作環境目標和響應要求來進行選型與匹配[49]。以柴油機與儲能混合為主動力源的混合動力系統主要通過能量管理策略完成降油耗、減排放的目標。以多儲能混合為主動力源的混合動力系統主要通過蓄電池的輔助作用實現燃料電池的高效率運行以及提高系統動態響應能力。

3.3.1以柴油機與儲能混合為主動力源

柴油機作為傳統的動力推進裝置，具有能量密度大、效率高等優點，但在拖船[50]、客船[51]和工程船[52]等工況下功率變化頻繁，如圖9所示，柴油機經常工作在低負荷區域，燃油效率低、排放差。

(a)拖船

(b)客船

(c)工程船圖9 實際工況Fig.9 Actual operating conditions

船舶柴電混合動力系統是當前混合動力船舶應用最為廣泛的一種方式，如圖5所示，該混合動力形式主要通過以下幾個方面來提升船舶的整體性能：通過對動力裝置布局的設計與改進來減少船舶主發動機的功率，使其工作在高效區和排放最佳區；通過算法來預測船舶將來的工況，從而及時調整分配策略；以經濟性、動力性、排放性在不同環境所提要求為優化目標來提升整體能效。

(1)動力裝置布局的設計與改造。DEROLLEPOT等[53]從動力裝置布局的角度出發，以內河船為目標，對比柴電混合動力串聯式、并聯式和混聯式對整船經濟性的影響，結果表明混聯式布置的混合動力系統可以減少10%的油耗，原來只有發動機的內河船舶通過增加瞬態響應快的電機以及優化布置型式可減小10%油耗；SOLEYMANI等[52]對一艘中型傳統船舶進行混合動力系統升級改造，通過粒子群算法進行匹配選型，降低了發動機的額定功率，使其工作在設定的最佳工作區間，研究結果表明改造后的混合動力系統比傳統動力系統節油33.3%。

(2)船舶負載預測。船舶在惡劣航行環境中負載變化較大，頻繁的負載變化使柴油機工作狀況很不穩定。HASELTALAB等[54]針對船舶運行過程中遇到的不可預見性擾動，提出了多級預測控制的方法，該方法包含兩級控制器，第一級控制器為基于管狀(tube-based)非線性魯棒性模型的預測控制器，確定船舶在存在環境擾動和系統不確定性的情況下需要的推進功率，為第二級的動力分配提供更充足的時間從而進行最優分配計算；高迪駒等[55]提出了一種基于多分辨率小波神經網絡(multi-resolution analysis-wavelet neural network，MRA-WNN)的混沌時間序列短期預測模型，結果表明確定誤差為2.27%，可為目前求解時間較長的優化算法提供足夠的時間進行最優求解。

(3)多目標優化提升船舶性能。船舶混合動力系統需要考慮動力性、經濟性和排放性等多目標協調優化，如船舶在巡航工況下對動力性要求較低的情況，以發動機的耗油率最低(即經濟性最佳)為優化目標；船舶在排放控制區航行，以原動機滿足排放規范要求為優化目標；船舶在高速航行時對動力性要求較高，以原動機動力性為優化目標。肖能奇等[56]以船舶經濟性和動力性為優化目標，通過設定柴油機轉速、轉矩和電機轉速、轉矩等門限參數的方法完成進一步優化，該策略通過識別船舶運行工況從而確定了在該種運行工況下的經濟性、動力性和排放性要求，實現一定程度的多目標優化。GAO等[57]以經濟性、排放性和續航能力的綜合性能為目標設計了一種基于預測負載功率的能量優化策略，該策略以需求功率預測為基礎，分別建立了混合動力系統的經濟性模型、排放性模型和續航能力模型，并設立了相應的邊界條件，通過改進的遺傳算法得到多目標的最優功率分配；仿真結果表明：與基于模糊邏輯規則的策略相比，該策略的燃油經濟性提高了9.6%，船舶的續航能力提高了24%。潘海邦等[58]采用切換控制系統理論，以降低燃油消耗和跟蹤轉速為研究目標，發現在特定的運行工況下，柴電混合動力系統較原動力系統燃油經濟性提高了30%，結合電池電量消耗，燃油經濟性提高9%。

在能量管理策略方面，柴電混合動力系統目前主要包括神經網絡[59]、粒子群遺傳算法[60]、模糊控制[61]和小波分析[62]、ECMS[63]等控制算法，智能算法在解決高度非線性和不確定的控制系統時具有不可比擬的優勢。同時智能算法與其他方法相結合能進一步提高混合動力系統的優勢，如模糊控制與基于規則的策略相結合、利用粒子群遺傳算法對制定的門限值進行優化、小波分析與基于規則的策略相結合都受到了廣泛關注。柴電混合動力系統針對不同的優化目標，涉及的算法如圖10所示。

圖10 柴電混合動力系統能量管理策略典型算法Fig.10 Typical algorithm for energy management strategy of diesel-electric hybrid power system

由上文分析可知，傳統船舶可以從匹配選型、布局改造來小型化發動機，優化發動機工作區間，通過船舶負載預測可以預知工況，為優化算法提供充足的求解時間。多目標優化成為目前最熱的關注點，根據人為和環境因素來偏好決策不同要求的權重達到多目標協調優化目的。總結可知，能量管理系統不僅要擁有最優分配能量的功能，還應該適應各種布局型式，擁有船舶負載預測和多目標優化的能力。

3.3.2以多儲能混合為主動力源

儲能系統中因燃料電池高效率、低排放和低噪聲等優勢受到越來越廣泛的關注[64]，但燃料電池單獨使用到船舶動力系統時面臨動態響應差、低負荷時效率低下的問題。通過加入蓄電池和超級電容的船舶混合動力系統能較好地解決這一問題，圖11所示為針對該問題的典型算法。

圖11 多儲能混合為主動力源的能量管理策略典型算法Fig.11 Typical algorithm of energy management strategy with multi-energy storage as active power source

HAN等[45]以燃料電池和蓄電池在高效率區運行為原則，根據需求功率與蓄電池SOC將運行工況劃分為11個模式，并制定功率分配規則。仿真結果表明：在目標工況下，燃料電池始終運行在高效率區，且工作效率高于基于功率跟蹤的能量管理策略。彭東愷等[65]設計了燃料消耗優化能量管理策略，通過構建漢密爾頓函數來控制SOC保持在一定范圍，同時又考慮了DC/DC變換器效率和燃料電池效率及其邊界條件，將該能量管理策略與功率跟蹤策略進行仿真對比分析，在兩種策略都滿足船舶行駛的要求下，發現燃料消耗優化能量管理策略在客船的整體性能和經濟性方面都有明顯的優勢。秦鋒等[66]通過建立燃料電池氫氣消耗函數和蓄電池等效消耗函數設計了等效燃料消耗最小的能量管理策略，并將其與基于規則的能量管理策略進行對比，結果表明：兩種能量管理策略均使燃料電池和蓄電池工作在較穩定狀態，蓄電池和超級電容都能實現系統動態補償，但等效燃料消耗最小策略可以減少6.3%，具有更好的經濟性。唐道貴[67]利用小波變換將船舶需求功率分解為高頻功率和低頻功率，高頻功率由功率型儲能系統承擔，低頻功率按一定比例分配給燃料電池和蓄電池，并設計了基于模糊規則的控制器對燃料電池、蓄電池和超級電容的分配功率進行優化，減緩切換動力源的波動。張澤輝等[62]采取滑動窗口的實現小波變換的實時能量管理策略，優化儲能系統充電與放電過程，抑制直流母線的電壓頻繁波動。ZHU等[68]利用模糊控制算法使蓄電池和超級電容維持在一個自身最佳工作的范圍，提高電能質量和船舶整體能效。韓北川[69]以需求功率和蓄電池、超級電容SOC需求狀態為參考，采用模糊控制算法來限值燃料電池功率的波動情況。

3.3.3以太陽能電池為主動力源

太陽能作為一種清潔、高效、“取之不盡”的綠色能源，是新能源領域的研究熱點，將太陽能光伏電池用于船舶動力系統也是“綠色船舶”發展的一個重要方向。但太陽能光伏電池用于船舶動力系統受環境影響較大，轉換效率較低，能量供應不足，利用儲能系統可以較好地彌補這一缺陷，圖12所示為該系統的主要典型應用算法。李丹[70]根據船舶運行的實際工況建立了基于直流母線的分布式太陽能系統網絡拓撲結構，采用功率跟隨的方法完成能量管理系統規則的建立，通過蓄電池完成對太陽能光伏電池的能量補償和協調。俞萬能等[71]根據太陽能游覽船的主要設備和運行工況建立了基于規則的蓄電池充放電控制流程，該策略提高了太陽能利用效率，延長了蓄電池使用壽命，基于該策略已經完成了太陽能游覽船能量管理控制系統的設計開發，并完成了實船驗證。RUOLI等[72]以海上船舶光伏/電池/柴油/冷熨混合動力系統的安全性和經濟性為目標，提出了自適應多目標協同進化粒子群優化算法，實現了多種動力源的最佳能量流調度，充分利用太陽能并最大程度地降低船舶的電力成本。PARK等[73]以儲能系統容量最小、發動機工作效率最高為目標，設計了基于蓄電池、發動機和光伏電池的混合動力系統，采取基于規則的能量管理策略解決了伏電池輸出功率不穩定的問題；同時，該策略也為根據成本、環境影響和船舶局限性來確定最佳光伏陣列尺寸和電池容量的方法提供了依據。

圖12 以太陽能為主動力源的能量管理策略典型算法Fig.12 Typical algorithms for energy management strategies with solar as the main power source

船舶混合動力系統主要適用于近海及內河功率需求變化較大的船型，其能量管理的設計應充分考慮目標船型的特點及運行工況的特殊性，從混合動力系統的系統匹配到各動力源的能量分配，合適的能量管理策略均能使船舶的燃油經濟性、排放性、動力性等得到明顯提升。

4 發展趨勢與挑戰

4.1 發展趨勢

航運業受到各種類似MARPOL法規的約束以及“碳達峰”和“碳中和”的要求，提高能源效率并減少對環境的污染勢在必行，動力系統更新是符合船舶清潔化、智能化的解決方案。船舶混合動力系統經過優化匹配可以提高效率，減少燃料消耗，同時也可以降低排放，滿足排放法規的嚴格要求。由國內船舶混合動力系統發展可知，現階段已運營的船舶混合動力船舶以柴電串聯式混合動力為主，通過柴油發電機組發電推動船舶推進系統，雖然柴油機可以始終保持運行在高效率區，但中間過程存在能量的二次轉換，對能量效率的提升不足。并聯式和混聯式的結構雖然復雜，但是可以有效避免能量轉換過程中的損失，經過優化匹配可以極大地提高混合動力系統的能量效率，是混合動力系統結構優化方向發展的一種趨勢。

從混合動力系統的動力源角度來看，天然氣、氨氣、甲醇、燃料電池、太陽能和風能等清潔能源在綠色船舶動力方面具有無可替代的優勢。隨著天然氣發動機和燃料電池等相關技術的進步，同時匹配相應的電力系統彌補發動機動態響應的缺陷，會有越來越多的以氣體機和燃料電池作為原動機的混合動力系統廣泛地應用在市場上，同時太陽能和風能作為輔助推進動力將在減少燃料消耗方面發揮重大作用，多重清潔能源的共同使用成為了混合動力發展趨勢。

從能量管理策略的角度來看，現階段船舶混合動力基于規則的能量管理策略應用最為廣泛。在國家“雙碳”政策以及內河第二階段政策的指引下，能量管理策略需要具備轉速跟蹤、能耗和排放顯著降低等多重功能。尤其在整個系統運行過程中能量管理系統具備“域控制器”的能力，能及時將控制決策及時發送給相應設備控制器，體現出能量管理系統需要具備系統集成所包含的重要內容。

4.2 面臨的挑戰

船舶混合動力系統是多動力源和多輔助設備耦合的系統，在制造之前需要通過機槳匹配來確定動力源的相關參數，但混合動力系統的拓撲結構較多，如何有效進行選型與參數匹配是一項重大挑戰。

清潔能源在燃燒和提供動力方面其排放性顯示出相關優異的特性，氫基綠色燃料或合成燃料(比如氨氣和甲醇)需要提供電力等二次能源進行生產，如何快速與經濟地生產成為一項需要攻克的難題；儲能系統是混合動力系統發展過程中的短板之一，混合動力系統由于儲能系統的加入而增加了船舶的建造成本，同時由于蓄電池的深度放電和使用頻率，使得蓄電池的使用壽命和安全性成為一個限制條件。但是國家目前正在對此重點扶持，此技術在未來會迎刃而解。

目前大部分優化算法和智能算法還在停留在軟件仿真和半物理仿真階段，應用到實船上還需要進行更深層次的研究。基于規則的能量管理策略雖然可以提高混合動力系統動力性和經濟性，但提升效果有限，并沒有達到多目標能量優化管理。隨著船舶混合動力系統能量管理策略的深入研究和ECU運算速度的提升，會有越來越多的優化算法和智能算法應用到實船中。如何有效平衡能量管理系統優化性能和實時應用性能是嵌入式系統開發的重中之重，也是將來智能算法應用到船舶領域不可缺失的一部分。

5 結語

本文從多能源混合動力推進系統的發展為落腳點，以能量管理系統的關鍵技術為側重點進行了綜述。深入討論船舶混合動力能量管理系統的背景和關鍵技術，通過分析船舶領域目前的研究成果，得出以下結論：

由混合動力船舶的應用可知，船舶行業進一步燃料清潔能源化是未來趨勢；通過系統集成和有效的設備匹配與選型可以在設計初期發揮節約能源的作用；混合動力系統是一個集成度高且設備特性差異較大的龐大系統，總結關鍵技術可知，能量分配追求的目標是滿足排放法規的要求且提升動力和經濟性能，成本函數的復雜度增加使最優分配功率的智能算法求解時間延長；完善和提高算法求解能力以及嵌入式系統開發將使混合動力推進系統的優勢更加明顯。