小功率内河船舶油电混合动力系统的建模及仿真研究

席龙飞，张会生

● （上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240）

小功率内河船舶油电混合动力系统的建模及仿真研究

席龙飞，张会生

● （上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240）

本文提出了一种可用于内河小艇的混合动力系统。按照模块化建模思想，建立了混合动力系统中各典型部件的数学模型，并在Simulink平台上建立了该系统的动态仿真模型。针对该混合动力系统的运行特点，利用所建的模型进行系统动态性能仿真分析，实现了电机起动和柴电联合驱动的工作过程，验证了模型的可行性。这能为小型内河船艇的新能源改造提供一种解决方案，也为混合动力船的理论研究和控制策略设计提供一种实用的建模方法。

船舶；混合动力；建模；仿真

0 引言

随着国内智能电网和港口岸电设施的不断发展，内河船舶的电动化有望成为未来的发展趋势。于是，在近年来国内光伏产业大规模发展的背景下，一大批以太阳能电动系统为主体的油电混合动力船面世了。但是这些“混合动力船”通常只能实现电动机和柴油机的交替驱动，而优化机桨匹配、实现双机并联等多模式工作的特性并未得到体现。因此，本文针对某型内河公务艇的工作特点和功率需求，结合舰船联合推进技术、汽车混合动力技术的思想，提出一种新的船舶油电混合动力系统。内河公务艇一般功率较小，多数时间航行在拥挤、多桥的航道内，需要频繁加减速，特别适合混合动力系统多模式工作的特性。

本文的主要内容是建立该系统的动态性能仿真模型，并进行仿真分析，为油电混合动力船在动力系统设计和控制策略设计方面进一步优化研究提供基础。本文引入动态贝叶斯网络理论，提出基于动态性和可修复性的可靠性建模分析技术。在模型方面，用贝叶斯网络能有效地刻画系统的动态行为、修复行为。在此基础上建立系统任务可靠性数学模型，运用MATLAB软件中贝叶斯网络工具箱并编写MATLAB计算语句，输入有关元件致命性故障的故障率与修复率进行求解，实现推进装置的任务可靠性数值仿真。

1 系统建模

1.1 系统结构

混合动力的概念来源于汽车行业，通常指以内燃机和电动机为主体构成的动力装置。其工作方式是：当负荷较大时，电动机和内燃机共同驱动；当负荷较小时，内燃机单独驱动，或单独驱动同时向电池充电；负荷更小时，仅依靠电动机驱动；制动时，电动机反向运行向电池充电，回收制动能量。

这种多样化的工作模式，使得系统在面临不断变化的外部条件时，有了更丰富的选择。通过良好的控制策略，系统不仅动力性能提升，还可以实现较好的节能减排效果。

混合动力系统的类型多样。本文选用并联式、电量消耗型、重度混合的混合动力系统，这种类型更容易体现出混合动力系统的优势。图1为该系统的组成和结构。

图1 船舶混合动力系统结构图

系统由柴油机和直流电机共同驱动。柴油机和直流电机各带一个减速器。直流电机前设置控制器，用于按控制要求将电池端电压转换为直流电机的电枢电压。柴油机后面接自动同步离合器，保护柴油机不被电机“反拖”。转矩合成器是一对啮合齿轮，用于实现柴油机和电机转矩叠加。螺旋桨转矩合成器输出端直接驱动。

柴油机的控制量是油门开度，直流电机的控制量是电枢电压。通过改变油门开度和电枢电压，可以分别控制电机和柴油机的功率大小，实现电机单独驱动、柴油机单独驱动以及联合驱动三种工作模式。

1.2 部件模型

对于上一节所描述的混合动力系统，本节根据模块化建模的思想，以及特性和机理混合建模的方法，逐一建立各个部件的仿真模型。

1.2.1 电池模型

电池的建模分为两步。第1步是估算荷电状态SOC。它是电池重要的状态量，估算的方法有很多种，如安时法、卡尔曼滤波法等。第2步是建模，即确定负载电压U与SOC、循环次数N、温度T、电流I之间的关系，得到形如U=f(I,SOC,T,N)的关系式，其中的f(x)可以是等效电路图、人工神经网络或数学表达式，其中前两种形式经常被采用。无论何种模型结构，都需要通过实物电池的大量实验来辨识模型参数。

图2 电池放电特性图

本文采用端电压法估算静态SOC，反映在模型中就是直接赋值初始SOC；同时采用电流积分法估算使用中电池的SOC。SOC估算模型如下：

式中，I为流经电池的电流；N为额定状态下电池的总电量。

图2是根据某型磷酸铁锂电池单体放电过程测试数据绘制的U=f(I，SOC)关系图。对该特性图进行插值查表，并考虑电池组包含的单体电池数目，作为电池模型。本文不考虑温度和老化程度的影响。

1.2.2 电机模型

常用的驱动电机有直流电机、交流异步电机、交流同步电机三种。随着技术的发展，又增加了永磁同步电机、开关磁阻电机等新的类型。电机类型虽然繁多，但其稳态动力学模型无外乎一条反映转矩—转速关系的机械特性曲线，只是电机类型不同，则曲线形状不同。通过调整电枢电压、磁通量或电流频率，就可以改变特性曲线的形状，以适应不同的负载要求。这个过程称为“调速”，与内燃机通过调整油门开度和变速箱档位来改变输出特性的原理相似。

本文对他励直流电机进行机理建模，并通过改变电枢电压进行调速。他励直流电机的模型为：

式中，T、U、n分别是转矩、电压和转速；c是与电机结构相关的参数；φ是磁场强度；R是电枢电阻；在模型中均视作常数。

电机在起动和运行时，要对它的工作范围加以限制，以防扭矩或功率超限。本文选用恒转矩—恒功率的限制特性，即在实际转速小于额定转速时，恒转矩运行；在实际转速大于额定转速时，恒功率运行。电机限制特性如图3中虚线所示，不同电枢电压下的机械特性如图3中实线所示。

图3 直流电机特性线和工作范围

1.2.3 柴油机模型

由于柴油机内部复杂的热力过程和化学反应，机理模型不易建立且精度难以保证。因此特性建模成为一个简便而可靠的选择。图4是根据某型柴油机的万有特性图绘制，反映了转矩T与转速n、油门开度之间的关系。对该特性图进行插值查表，作为柴油机模型。

图4 柴油机特性图

1.2.4 传动系统模型

1）由于螺旋桨的额定转速远低于柴油机和电机的额定转速，因此需要减速器使机桨特性相匹配。减速器起到的作用是增大扭矩，并等比例地减小转速。模型为：

式中，Tout、nout是输出端的转矩、转速；Tin、nin是输入端的转矩、转速；i是减速比。

2）自动同步离合器使柴油机动力能够平滑地传递到轴系，并防止电机“倒拖”柴油机引起事故。其工作原理是：当输入转速小于输出转速时，离合器内的棘轮棘爪机构处于滑脱状态，输入轴和输出轴断开；当输入转速大于等于输出转速时，离合器内的斜齿轮在切向力的作用下啮合，使输入轴和输出轴结合起来。据此，离合器模型为：

式中，Ts是离合器结合处的转矩；np、ne分别是柴油机和螺旋桨的转速；ks是反映离合过程快慢的系数。

3）轴系分为两段：将直流电机轴、减速器 1、转矩合成器主轴和螺旋桨视为一体，等效转动惯量为J1；将柴油机轴、减速器2视为一体，等效转动惯量为J2，通过自动同步离合器与主轴结合。轴系模型为：

式中，Tm、Te、Ts分别是电机转矩、柴油机转矩、离合器结合处的转矩和螺旋桨转矩。

1.2.5 螺旋桨模型

在精度要求不高的条件下，可以认为螺旋桨负载转矩与转速呈二次方关系。本文设船用螺旋桨动力特性为Tload=kT·n2，其中，kT为转矩系数，常数。将该特性表达式作为螺旋桨模型。

1.3 系统模型

将各部件模型按其进出口参数的传递关系连接起来，得到如图5所示的系统模型，它是以油门开度和电枢电压为控制量的动态模型。

图5 船舶混合动力系统模型总图

2 模型仿真

利用上节建立的船舶混合动力系统模型，本文将对系统的工作过程进行仿真研究，包括从电机单独驱动到电机、柴油机共同驱动切换，以期为混合动力系统的控制性能研究和控制系统设计提供参考。

2.1 仿真条件

本文根据某小型公务艇的实际功率需求，所选取的电池组、柴油机、直流电机和螺旋桨的参数如下：

1）电池组选用2100串单体容量为180Ah的磷酸铁锂电池，额定电压约320V，能量容量约115kWh。

2）柴油机功率为 200kW，额定转速 1800r/min，额定转矩1057Nm（确定电池组和柴油机的参数后，将该型号电池组和柴油机的特性测试数据进行标准化处理，作为模型。见图2、4）。

3）电机功率为90kW，额定转速3000r/min，额定转矩286.47Nm，额定电压320V，额定电流281.25A。确定电机额定参数后，推算出模型参数R=0.1，cφ=0.0993917，cφ/R=0.993917，c2φ2/R=0.098787，使用时转速单位为r/min，其他量采用国际单位。

4）螺旋桨转矩系数kT=0.1，使用时转矩Tload单位为Nm，转速n单位为r/min。

5）在原动机和负载参数确定的前提下，减速比按下式进行计算：

式中：n额和P额分别是原动机的额定转速和额定功率；kT是螺旋桨的转矩系数。计算得柴油机减速比ie=6.734，电动机减速比im=14.646.

2.2 电机起动过程仿真

起动前状态量初值为：

起动过程中柴油机保持关闭。电机在0时刻接通电源，电枢电压逐渐增大，在5s时刻时达到额定电压值，这是为了防止电流过大进行的降压起动。具体变化过程见下式：

图6 电枢电压变化曲线

在上述条件下，得到如图7所示的仿真结果。从 0时刻开始，主轴转速平稳增大；到约6s时刻，电机转矩和转速均达到稳定，电池SOC持续稳定消耗，系统进入单电机驱动状态。

图7 起动过程仿真结果

2.3 柴油机并车过程仿真

并车前状态量初值为：

并车过程中，电机保持恒功率输出，电枢电压由控制器自动调整，以适应柴油机并入后主轴转速的增大。

柴油机从0时刻到10s时刻保持关闭，系统处于单电机驱动状态；10s时刻柴油机起动，从10s到30s，油门逐渐增大至全开；从30s开始，油门保持全开。具体变化过程见下式：

图8 油门开度变化曲线

在上述条件下，得到如图9所示的仿真结果。从10s到 13.4s，柴油机转速逐渐增大，但小于主轴转速，SSS离合器尚未啮合；在13.4s时刻，柴油机转速开始超越主轴转速，SSS离合器开始啮合，柴油机转矩开始施加到主轴上，主轴转速开始增大；从13.4s到50s，系统进入由电机和柴油机联合驱动的模式，电枢电压在控制器的调整下逐渐增大，电机转矩相应地减小，确保在高转速下电机功率不至于超限。经过13.4s到30s的动态过程后，系统开始平稳运行。

3 结论

1）本文提出了一种用于内河船舶的油电混合动力系统。针某型内河公务艇，进行了混合动力系统的设计选型。

2）建立了混合动力系统的动态性能仿真模型，实现了模型在单电机驱动模式和柴电联合驱动模式下的仿真运行。结果显示，该模型能够反映船舶混合动力系统的工作过程，可用于动态过程的仿真分析

图9 并车过程仿真结果

3）所建立的混合动力仿真模型可以实现控制系统性能研究和控制策略分析，对控制系统设计和控制策略的制定具有参考意义。

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Research on Modeling and Simulation of Hybrid System for Small-power Marin

XI Long-fei,ZHANG Hui-sheng
(School of Mechanical Power Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

A hybrid system of the boat used for river is presented.According to the modular modeling method,the mathematical models of the typical components in hybrid system are built,and the simulation model of the dynamic system is established in Simulink platform.Aiming at the operational characteristics of the hybrid power system,the dynamic performance is analyzed by the simulation of established model.And the working process of the single motor start and the combined diesel-electric drive was realized.This can provide a solution for the new energy reform for small vessels and a practical modeling method for theoretical research and the design of control strategy of hybrid ship..

vessel;hybrid system;modeling;simulation

U664.16

A

席龙飞（1988-）， ，硕士研究生。主要研究方向为混合动力系统建模与仿真。