电力推进船舶柴电混合动力系统的研究与分析

徐达

摘要：随着现代电子电力技术的发展以及电力推进型式船舶的广泛应用，纯电动成为未来船舶的发展方向;电力推进混合动力船舶为电力推进向纯电动发展的过渡方案;文章对船舶混合动力系统的结构组成与特点进行介绍;针对系统的关键技术与研究现状进行分析，如发电源接入技术，能量控制策略以及新型电池等;并对柴电混合动力系统有待发掘的内容与应用前景进行分析。

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.

关键词：船舶动力系统;混合动力;电力推进

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

0  引言

船舶电力推进技术的迅速发展，是当今能源与环境严峻形势下的必要趋势，也是电力电子技术发展的必然成果[1]。“电力推进船舶柴电混合动力系统”可以定义为柴油机发电机组和动力电池作为动力源，其中至少一种可以提供电能的混合动力电力推进形式。该形式对于满足节约能耗、降低污染物排放的需求，提高船舶的续航性和动力系统的冗余性、可靠性，解决柴油机低速性能差，多变工况下效率低的问题具有重要意义[2]。目前正处于不断研究和探索的阶段。

1  系统组成与工作模式

混合动力系统的概念，在汽车上早有应用并日渐成熟。从能源角度来看，船舶混合动力系统有柴油机/动力电池混合、LNG/柴油混合、风翼/柴油机混合等几种形式。目前研究较多的是柴油机/电池混合。对于柴电混合动力系统，从结构上看，又分为串联式、并联式和混联式三种形式。

串联式混合动力系统是由柴油机发电机组、动力电池、变压器、变频器、电动机等几部分构成。基本原理是当小负荷时通过电池输出电力给电动机，驱动螺旋桨转动;而大负荷时通过柴油机先给发电机发电，再将发出的电驱动电动机。当船舶处于启动、加速或带载荷运行的工况时，可以通过柴油机和电池共同驱动;当处于低速、怠速的工况时，可由电池组直接驱动电动机，而内燃机和发电机组向电池组充电。该形式柴油机与螺旋桨并没有直接机械连接，而是采用电力推进的形式驱动螺旋桨及其它负载，因此称其为电力推进柴电混合系统。

并联式混合动力系统由柴油机、动力电池、电机、齿轮箱等组成。基本原理是电机和柴油机通过减速齿轮箱并联连接。用电负荷不大时可通过主柴油机驱动齿轮箱、螺旋桨和其它负载，此时电机可处于发电机状态为电池供电;当船舶输出推力小或柴油机处于故障状態时，可采用电力推进模式，即电机处于电动机状态驱动齿轮箱;而当船舶需要较大推力时可采用混合动力推进模式。

混联式混合动力系统由柴油机、动力电池、电动机、发电机和动力分离装置等组成，原理是混合了串联式和并联式系统的运行特点，即柴油机和电动机共同驱动螺旋桨的同时，柴油机也可以通过动力分离装置和发电机给电池充电。“混联”在船舶动力系统方面的研究还处于起步阶段。

对于柴电混合动力动力系统的几种形式，要根据不同的使用目的和具体的使用环境去评判其优越性。从燃料的经济性看，并联式系统更优;但在减少污染物排放方面，它不如串联式。并联式系统的工作效率较高，而且机型选择可相对减小，增大机舱空间。但其结构较串联式相比更为复杂，可靠性也不如串联式系统。

本文主要对串联式，即电力推进船舶柴电混合系统进行研究分析。

1.1 系统结构组成

电力推进船舶柴电混合动力系统的结构如图1所示。系统的发电源有两个：柴油机发电机组和动力电池。柴油机发电机组经AC/DC变换器接入直流母线。另一端，动力电池经过双向DC/DC变换器接入直流母线。直流母线上经过DC/AC逆变器将直流电逆变成交流电供给到电动机，以拖动螺旋桨。值得注意的是，由于双向DC/DC变换器的特性，不仅动力电池可以通过双向DC/DC变换器向系统输出电力，而且柴油机发电机组的多余电能可以通过双向DC/DC变换器给动力电池充电。该系统结构不存在发电机与螺旋桨的直接连接，使整个布局比较灵活。

1.2 系统工作模式

1.2.1 柴油机发电机组供电模式

在这种模式下，由柴油机发电机组单独供电。柴油机发电机组输出的电力经过AC/DC变换器、直流母线和逆变器供给电动机拖动螺旋桨。除此之外，多余的电能可以通过双向DC/DC变换器给动力电池充电，从而提高船舶的续航性能。

1.2.2 电池供电模式

在这种模式下，动力电池单独运行供电，经过双向DC/DC变换器、直流母线、逆变器供给电动机拖动螺旋桨。这种模式适用于船舶经济航速运行或柴油机故障状态下，是一种低噪、节能的运行模式。

1.2.3 混合供电模式

当需求负载较大，柴油机发电机组或电池单独供电不能满足要求时，选择混合供电模式运行。在这种模式下，柴油机发电机组和电池同时供电，既满足了船舶的动力性能需求，同时也起到了降低排放的效果。

2  系统关键技术研究

2.1 动力电池

动力电池对于船舶续航能力和动力系统冗余性的提高有着重要意义。不仅如此，作为柴电混合系统的发电源之一，电池承担着动力输出的关键角色。如何根据具体船型、发动机型号以及船舶用途来选择动力电池的类型，如何使用和保护动力电池以保持其性能，延长其寿命，都是系统的关键技术所在。不仅如此，动力电池技术也是船舶小型化、安静化、低耗化趋势的关键。

目前应用最广泛的是铅酸蓄电池。铅酸蓄电池使用方便，价格低廉，具有容量大、充电快、寿命长的特点，符合混合动力系统的技术要求。

高比能的锂离子电池是未来船用动力电池的重要趋势，其比功率高、成本低等特性在手机和电动汽车行业显现无疑。保证大容量锂电池的安全性，完善其管理系统是目前研究的关键所在。

除此之外，质子交换膜燃料电池等动力电池，均可作为系统发电源的优良选择。

2.2 变频器

变频器的作用调节输出电压和频率的大小，并维持电压和频率的稳定性，从而实现发电源的软启动和软关闭，减小对直流电网的冲击。选用变频器应注意转换效率、功率、控制方式等因素。

在该柴电混合动力系统中，双向DC/DC变换器是系统的关键。它的作用是完成直流能量的双向流动，具有多种拓扑，可分为隔离型和非隔离型两种形式。双向DC/DC的性能直接关系到系统性能的好坏。其设计的难点在于磁性元件的设计，比如变压器和电感等。另外，在设计过程中还要考虑滤波的要求、电压升降等因素。

2.3 能量管理及控制策略

电力推进船舶柴电混合动力系统的核心技术是能量管理及控制策略。其目的是：在满足船舶运行的功率需求条件下，根据实时工况和系统状态，分配和协调发电源的能量，以满足船舶动力需求并减少能源消耗与污染物排放。控制策略的是否合理直接关系到系统能否高效而可靠地运行。

混合动力系统的控制策略在汽车方面研究较早，文献[3]将模糊控制策略应用到燃料电池、蓄电池和超级电容组成的混合动力系统。在船舶领域，能量管理与控制策略的研究也有一定进展。文献[4]提出了军事舰船不同工况下的能量系统数学模型，并通过实验验证其可靠性;文献[5]针对小型船舶设计一种基于逻辑门献能量管理控制策略;文献[6]针对内河电力推进船舶，提出一种模糊综合评判运行切换策略。

3  国内外研究与应用现状

查阅国际国内关于混合动力船舶的资料可知，关于柴电混合动力系统的研究在国外起步较早，已有不少研究机构提出先进的理论方法，并且已有一些应用成功的例子，主要集中在潜艇、游艇、挖泥船或小型内河船舶等。而在国内，由于起步较晚，成功应用的案例不多。

2003年4月，德国基尔港，第一艘拥有柴电混合动力系统的潜艇试航。该潜艇通过燃料电池和柴油机实现推进，最高航速可达8kn。

2009年，美国Foss公司研发的柴电混合动力拖船Carolyn Dorothy建造成功。该船舶由蓄电池和柴油机提供动力。两年后的数据表明，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动力船舶的结构系统，实现国内船舶柴电混合动力系统的突破[7];近几年，上海海事大学研究并搭建了电力推进柴电混合系统的实验平台，为国内电力推进船舶柴电混合动力系统的研究提供重要参考与帮助。

4  结语

本文对电力推进船舶柴电混合动力系统的结构原理、关键技术以及应用现状进行研究与分析。面对能源的危机、环境的污染、气候的变化和全球变暖的事实，船舶运输行业面临着巨大的压力和挑战，研发新的系统结构，改善现有能源结构迫在眉睫。柴电混合动力技术可以实现柴油机动力与电池动力的分配与组合，不仅能优化船舶动力系统适应多变工况的能力，而且能在保持动力输出的前提下实现节能减排。该系统符合“绿色船舶”新兴概念，拥有光明而广泛的应用前景。

参考文献：

[1]高海波，陈辉，林治国.民用船舶电力推进系统的发展[J]. 中国水运报社，2005（1）：43，44.

[2]丁晨雷，康伟.褚建新小型船舶绿色动力电池推进系统研究设计[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]张敏敏，康伟.一种混合动力电动船舶能源管理系统的设计[J].中国水运下半月，2011（12）.

[6]魏伟，褚建新，王帆，串联式混合动力船舶能源系统运行模式切换策略[J].船舶工程，2016（4）.

[7]李明，黎菁，段征.船舶混合动力系统的研究[J].柴油机， 2012（3）：26-28，32.