船用混合动力推进系统能量管理系统关键技术研究现状

孙晓军 宋恩哲 姚 崇

哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨，150001

0 引言

与其他行业一样，能源危机和日益严格的排放法规成为航运业不得不面临的严峻考验[1-2]。英国劳氏船级社发布的《通向2050年的低碳之路》研究报告中指出：当前船舶行业每年向大气中排放大约1250万吨NOX和SOX，同时船舶行业的CO2排放量占全球CO2排放总量的2.33%[3]。根据欧盟文件(2019)，中国温室气体排放量占全球的29.71%[4]。为提高船舶能效水平，减少船舶有害废气排放，IMO在2011年通过了对船舶EEDI的强制规定[5]，大多数船舶只需要通过常规改进技术或降低船速即可满足该规定中的第一阶段折减系数要求，但随着第二、三阶段的逼近，各船企面临着巨大的技术挑战[6]。

船舶传统推进方式中间环节较少，能量在传递过程中的损耗较少，且在额定工况下具有功率密度大、能量损失小等多项优点[7]。当工作在部分负荷以及低负荷时，效率较低、排放恶化、噪声较大，严重影响了船舶的经济性和排放性[8]，对于拖船[9]、渡船[10]、游船[11]和工程船[12]等功率变化频繁的船舶，低负荷运行的弊端更加明显，尤其对于拖船，虽然柴油机的平均运行负载较小，但拖船的装机功率仍应按照发动机额定功率来进行匹配选型，多数情况下会出现大马拉小车的现象，严重影响其经济性和排放性。Foss Maritime公司对其传统拖轮进行了混合动力系统改造，重新进行功率匹配并加入能量管理策略，相比传统拖船，排放显著下降，燃油效率显著提高，操控能力明显提升，每年可减少3.785万升的柴油消耗量[13]。

混合动力推进系统的能量管理策略能完成各动力源的功率最优分配，根据不同性能指标要求，满足船舶动力性、经济性和排放性要求[14]；在节能减排的大背景下，混合动力船舶凭借多动力源特性互补的优势正逐渐成为应对当今近海、内河船舶面临减排挑战的有效解决方案之一。混合动力系统属于多动力源系统，多动力源的耦合增加了船舶混合动力系统的复杂性，如何实现各种动力源稳定、可靠、高效运行成为混合动力能量管理系统迫切解决的关键问题。本文首先回顾混合动力系统国内外应用情况，以此为落脚点提出能量管理系统的拓扑结构与实现手段，进一步针对能量管理系统的关键技术进行分析，最后对混合动力系统面临的挑战和未来的发展趋势进行阐述。

1 国内外混合动力船舶发展现状

船舶混合动力系统不是各主要动力源简单的叠加，而是原动机与电机、蓄电池等关键设备的有效集成。船舶混合动力推进系统通过优化算法实现各关键动力源的能源优化匹配，完成系统的集成设计，使系统整体性能最优，其相关技术比较复杂[15]。目前，如瓦锡兰、ABB等国外公司针对混合动力系统已经有相当成熟的解决方案，已有性能稳定可靠的产品推入市场[16-17]；国内船舶混合动力技术发展较晚，但近年来各大高校和科研院所正进行积极研究，取得了一定成果。

1.1 国外混合动力船舶

世界上第一艘混合动力拖船整合方案“Carolyn Dorothy”号于2019年11月交船，采用柴电混合推进方式，服务于美国长滩和洛杉矶港。JAYARAM等[18]著的《Evaluating Emission Benefits of a Hybrid Tug Boat》报告中评估了混合动力拖船在排放方面的优势，图1所示为不同型式的拖船的排放对比，计算可知：PM2.5减少了73%，NOx减少了51%，CO2减少了27%，Carolyn Dorothy拖船是混合动力推进技术的良好应用。

CHOI等[19]开发的一种新型燃料电池动力船是韩国第一艘燃料电池动力船，如图2所示。该系统由质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)燃料电池模块、氢储罐、DC-DC转换器、锂离子电池组和电池充电器组成，实机验证表明燃料电池-混合动力系统能可靠运行。

图1 多型拖船排放对比[18]Fig.1 Comparison of emissions from multiple types of tugboats[18]

图2 用于推动旅游船的燃料电池混合动力系统[19]Fig.2 Fuel-cell hybrid power system for propulsion of tourist boats[19]

“Prinsesse Benedikte”号渡轮是2013年时最大的混合动力渡船，总功率可达17 440 kW，同时配置了2.6 MW·h的三元锂电池，该船长142 m、宽25.4 m，船速为18.5节[20]。

芬兰WE Tech Solutions 公司是提出船舶混合动力解决方案领域的先驱之一，包含经济运行、混合推进、高效配电以及混合直流驱动的驱动解决方案，具体方案详解见http：∥wetech.fi/solutions/。该公司自2010年成立以来一直致力于为船舶量身定制混合动力解决方案，以提高船舶能源效率，减少环境污染。WE Tech Solutions Oy将动力输出(power take off，PTO)低耗运行模式应用于油轮Ternsund及其姊妹船上，该方案使发动机在所有航速下皆处于最佳运行工况点，大大提高了系统的能量效率，大幅度降低了燃油消耗，被海事报道及工程新闻授予“2016年度化学品油轮船舶”称号。同时，WE Tech Solutions公司也提供了瑞典船东Ektank两艘化学品船的永磁轴带发电机解决方案及高效配电模式，使该混合动力船舶在航运业中更具竞争性[21-22]。此外，WE Tech Solutions公司还为4艘滚装船提供了相同的混合动力系统方案。WE Tech的高能效方案从运营、燃料排放以及成本控制等多方面为航运业设立了新的标准。

2018年10月瓦锡兰在意大利的里雅斯特成立了第一个致力于进一步开发和配置Wärtsilä HY混合动力模块的中心。该中心拥有一整套发动机、电池、电力传动装置和一个利用电机的螺旋桨负荷模拟装置以及一台电动/发电机动力输出/输入装置，同时配套综合能源管理系统，可以模拟现场实际运行数据，为推进混合动力系统进一步开发提供了有力的支撑[23]。瓦锡兰提供了海上风电运维母船“Acta Centaurus”号混合动力推进解决方案，详见https：∥www.actamarine.com/vessels/63/Acta-Centaurus。该方案包括混合动力驱动和能源管理系统，实现了依靠较少发动机达到更优化的载荷，提升了燃料消耗和环境方面的效益。2019年3月，瓦锡兰设计了采用LNG/生物气体燃料发动机的混合动力推进系统。同时，瓦锡兰还为意大利Grimaldi集团旗下Finnlines公司的新滚装渡轮提供混合动力转换系统。此外，2020年1月，瓦锡兰设计了全球首艘柴电混合动力自卸式散货船的混合动力系统，该系统使用电池驱动甲板挖掘机，无需在港口运行柴油辅助设备。同时在关闭主机的情况下可以在港口进行正常运行，实现港口的无排放作业，该系统每年可减少约400 t的燃料消耗。为满足拖船市场的特定需求，瓦锡兰还推出了专门的拖船混合动力系统，并在“Vilja”号护航拖船上投入运营，实现了零污染排放、无噪声、动力强劲、系柱拉力大、无烟运营的目标。

ABB提供了一种AHTS(anchor handling tug supply)船舶混合动力并联式推进解决方案，如图3所示。解决方案中包含发电机组、发动机、电动机三种动力源，通过合理的控制策略调控得到更高的能源效率，且其安装成本比纯电动解决方案更低[24]。

图3 AHTS混合动力系统解决方案[24]Fig.3 The hybrid power system solution of AHTS[24]

2020年6月2日，发动机制造商Scania公司为其船用发动机推出了混合动力系统。该系统具有模块化和可扩展性的特点，可根据客户的特定需求将电动机械与内燃机结合在一起，既可作为集成动力源，又可作为待命动力源，CO2排放可减少92%。国外混合动力技术发展较早，技术较为成熟，随着排放法规的日益严格，欧洲与美洲的船运公司正积极广泛地对传统动力船舶进行混合动力系统改造。

国外大型船舶公司主要集中在船舶混合动力电力系统供给的改进和更新或是对传统动力进行改装，如图4所示[14]。图4描述了实践过程中常采用的推进系统，动力源主要包括储能系统、发电机组以及柴油发动机。

图4 推进系统[14]Fig.4 Propulsion system[14]

1.2 国内混合动力船舶

在国内，中船711所率先针对混合动力系统进行探索性研究，将研发的PTO/PTI驱动系统成熟地应用到粤海火车轮渡，系统采用双机双桨配置[25]。2018年8月该所参与研制的“海港711”号下水，成为国内第一艘全国产油电混合动力拖轮[26]，同一PTO/PTI驱动系统的5000 t级公务船应运而生[27]。2020年6月，由该所提供核心控制系统的国内第一艘油气电混合动力“新长江26007”的内河船舶成功下水[28-29]。

随着环境问题的日益严峻，为推进储能系统的进一步发展，储能式混合动力游船寰岛云帆号于2018年7月在太湖顺利通过CCS试航验证，该船可以实现纯电池、油电及电池/油电混合动力三种工作模式[30]。

2010年上海世博会期间，国内首艘将清洁能源太阳能加入柴电混合动系统中的游船“尚德国盛”在黄浦江起航，它包含的动力源有柴油发电机组、蓄电池和太阳能，可以实现多种工作模式的转换[31]。

中国船舶集团所属汾西重工赛思亿拥有国际先进的技术和自主知识产权，且在船舶混合动力推进系统领域已有成熟的应用方案。该公司设计的Crystal Bach柴电动力推进系统、沈括号科学调查作业船柴电动力推进系统等均已完成交付[32]，同时还对深海装备综合实验船柴电混合动力推进系统、3000 t散货船纯电池动力推进系统[33]、美维凯悦号豪华游轮柴电混合动力推进系统等进行了设计和调试。

船舶新能源混合动力作为船舶动力发展的方向，正在受到越来越广泛的关注和应用。国内科研院所虽然已取得相应的成果，但与国外先进技术相比仍有一定的差距，需要与国外企业合作交流，进一步提升我国在该领域的核心竞争力。2019年12月3日，第20届中国国际海事展(Marintec China)上无锡挪瑞(NuoRui)与加拿大Aspin Kemp & Associates(AKA)联合设展，深入洽谈了对接项目与合作，同时，中船黄埔文冲船舶有限公司与瓦锡兰达成了共同开发混合动力挖泥船的协议。

2021年8月14日，由长航集团所属上海公司精心打造的7500 t级绿色智能船“长航货运001”轮在江苏大津重工有限公司顺利下水，该轮是“绿色智能内河船舶创新专项”示范船舶，采用具备油、气、电混合动力的混合动力系统，配置3台LNG发电机组、2台可逆轴带电机，兼具安全可靠、绿色、智能、高效等特点，是助力长江航运高质量发展和“碳达峰碳中和”的又一项重大创新举措。

总体来说，国内的混合动力系统以柴电混合动力系统串联形式为主，如图5所示，天然气-蓄电池混合动力系统[34]、燃料电池-蓄电池混合动力系统[35]、光伏电池混合动力系统[36]以及风能助力混合动力系统[37]等发展较慢。2021年6月24日，国务院新闻办公室举行的新闻发布会明确提出将推动电池、清洁燃料、可再生能源等在船舶上的应用，积极打造绿色航运海事治理示范区，引导船舶使用清洁、绿色、低碳能源，推进制度性、技术性减排，这些政策将进一步推动清洁能源和新型能源在船舶上的应用，也成为混合动力系统进一步发展的研究方向[38]。

图5 柴电混合动力系统的串联框架Fig.5 The Series framework of diesel-electric hybrid power system

2 能量管理系统的拓扑结构与实现架构

2.1 能量管理系统拓扑架构

能量管理系统(power management system，PMS)是集能量分配、监测安保和智能管理于一体的综合性控制系统[39]，PMS实时提取航行状态，通过智能算法对多种能量源进行最优分配，使混合动力系统的整体经济性和动力性达到最优。图6为通用能量管理系统的输入输出通用框架图，它包含若干动力源，如发动机、燃料电池、柴油发电机组，涉及多种能量形式的转化，能量管理系统通过综合考虑动力源和负载特性，从能耗优化和功率分配等两个方面提高系统的效率和减少燃料的消耗。

图6 能量管理系统通用框架Fig.6 General framework of the energy management system

2.2 能量管理系统实现框架

船舶驾驶员通过操纵车钟，将加减速信号输入船舶系统，输入信号同实际的船速以及被调用的控制动作进行对比。同时，能量管理策略通过各种传感器对混合动力系统状态和外界环境进行分析，然后将这些因素全部考虑进去，做出相应的控制动作，完成能量最优管理分配，具体过程如图7所示。能量管理模块主要是能量管理策略，主要对成本函数进行优化，计算公式如下[40]：

(1)

图7 能量管理控制的实施接口原理Fig.7 The schematic of the implementation interface for energy management control

由图7可知，车钟信号是混合动力船舶的重要输入参数，此外船舶驾驶员的动作或不同控制器的动作也会导致不同的电气负载或者机械负载被加入进来，所有输入包含外界环境决定着实际的燃料输入或电池目标状态，这些参数可以通过传感器直接传递，或在某些条件下通过计算得到蓄电池荷电状态(state of charge，SOC)并输入能量管理策略中。能量管理策略首先由上述信息建立成本函数，然后对成本函数进行优化，最终决定对离合器状态、燃料喷射量或电池电流进行更新。这些更新值告诉控制器根据各自的数值更新到一个新的状态。最终结果取决于外界环境变化的参数，如转速、转矩等信号也被更新了。能量管理控制的最终结果取决于能量管理算法模块中成本函数的优化，对成本函数的优化过程就是能量管理策略的研究过程，它是整个能量管理系统中最重要的环节之一。

3 能量管理系统的关键技术

能量管理系统的核心就是针对不同形式的船舶混合动力，以经济性、动力性、排放性为目标开展能量管理控制策略的开发与研究。

3.1 多能源管理的关键难题

船舶混合动力推进系统较传统推进系统引入了较多的额外系统，如电机、储能系统、柴油发电机组，增加了系统限制和控制自由度，提高了对能源管理系统的复杂控制需求。能量管理系统富含较多关键难题，总结如下：

(1)系统集成。能量管理系统位于动力源控制器的上层，以协调各个设备的控制参数，系统集成是增加彼此设备信息交互和控制传输速率的良好手段。不同设备的控制器可能是由不同厂家提供的，信号的传输速率以及通信协议的不同会增加系统集成的难度，所以在推进混合动力船舶应用市场时，需要相关规范确定主要控制参数与监控参数的传输速率以及使用的通信协议，出台相关规范。

(2)设备选型与匹配。由于船舶运行工况复杂、不同种类的船舶对动力源的种类、安装、维护等方面提出很高的需求，故迫切需要关于混合动力推进系统动力源确定的规范和规定。机桨匹配是传统船舶进行主机匹配的重要理论，但是对于多动力源系统的推进系统，它显然不能完美地将其潜藏的动力发挥出来；多能源混合动力系统的参数匹配涉及多目标与多变量之间的优化问题。针对不同类型船舶的实际运行工况来确定船舶经常工作的载荷区域，设计相应的成本函数，通过最优控制方法进行求解，结合工程经验进行相应修正。

(3)多目标协同控制。新型能源的加入为船舶混合动力系统提供了灵活的拓扑结构，能源多尺度响应时间和动态协调成为能量管理系统的关键难题之一。多目标控制的目标选取已经将动力性、经济性、排放性完全融合，缺一不可，设备和相关参数增加，需要跟踪的目标衍生了成本函数的复杂度，导致求解时间延长，这也从侧面反映出对智能控制算法实时性的追求和嵌入式代码生成的迫切性。

3.2 能量管理策略应用现状

能量管理是混合动力系统的核心，通过保证各动力源的输出功率之和与船舶需求功率相一致，对动力的产生、传递和消耗等进行优化，完成船舶在不同区域、不同工况航行时各动力源的最佳功率分配以及工作模式的自由切换，实现动力系统的动力性、经济性和排放性目标[41]。能量管理策略需要充分考虑船舶运行工况、各动力源的高效率区域以及储能系统的荷电状态、循环寿命等关键因素。通过解决多目标、非线性和多种约束条件的优化问题，完成各动力源之间的能量协调分配[42-43]。混合动力汽车的能量管理策略研发相当成熟，但在国内船舶领域，能量管理策略的研究尚处于起步阶段，下面针对船舶系统常用于能量管理策略的算法进行总结归纳。根据文献[44]，船舶能量管理策略划分为基于工程或者实际经验的规则型和基于不同优化目标的优化型。

基于规则的能量管理策略是目前应用最为广泛的一种方式[45]。在该方法中，设计者通过对发动机、电机、蓄电池等特性进行分析，并根据要实现的目标对各设备切换状态的门限值进行确定，再根据系统需求功率及各设备运行情况确定当前动力系统的运行模式并同步完成功率分配，如图8所示。根据对发动机的控制，能量管理策略分为开关式及功率跟随式控制策略[46]。开关式控制策略主要应用于串联式混合动力系统，发动机随着航行工况的变化只有两种状态，即开启或停机；当发动机处于停机状态时，系统需求功率由蓄电池供给；当发动机开启时，发动机始终处于高效率区域运行，提供系统需求负荷或为蓄电池充电，这种方式只能达到次优目标。功率跟随式控制策略指发动机跟随系统需求功率，需要复杂的能量管理策略来达到动力源的最佳功率分配，它通过设定混合动力系统中关键参数(如需求功率、电池SOC、发动机/电动机高效工作区等)的逻辑门限值来进行推进模式的切换和多种动力源之间的功率分配，具有设计简单、计算量小、实用性强等优点，但门限值的设定大多依靠工程师或设计者的实际经验，因此该混合动力系统的优劣取决于设计者的经验是否丰富。

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

基于优化型的能量管理策略包括基于全局优化和瞬时优化的能量管理策略。基于全局优化的能量管理策略是指在船舶的整个航行工况内，利用最优控制理论，以全局燃油经济性或全局排放性为目标完成各个动力源的功率分配[47]。但是大多数船舶的航行工况无法提前预知，以经济性为目标，利用等效燃料消耗率，基于模型预测控制(model predictive control，MPC)或庞特里亚金极小值原理(Pontryagin minimum principle，PMP)等方法来实现动力源之间的最优分配，如图8所示。该方法可以实现实时的最优控制，但不能达到全局最优，同时该算法需要进行大量的浮点运算，目前还没有广泛应用到实际混合动力系统中[48]。

3.3 多能源耦合的能量管理系统关键技术

船舶能量管理系统的研究主要集中在以柴油机与储能混合、多储能混合等为动力源的混合动力系统。由于动力源的工作特性不同，故可依据混合动力系统工作环境目标和响应要求来进行选型与匹配[49]。以柴油机与储能混合为主动力源的混合动力系统主要通过能量管理策略完成降油耗、减排放的目标。以多储能混合为主动力源的混合动力系统主要通过蓄电池的辅助作用实现燃料电池的高效率运行以及提高系统动态响应能力。

3.3.1以柴油机与储能混合为主动力源

柴油机作为传统的动力推进装置，具有能量密度大、效率高等优点，但在拖船[50]、客船[51]和工程船[52]等工况下功率变化频繁，如图9所示，柴油机经常工作在低负荷区域，燃油效率低、排放差。

(a)拖船

(b)客船

(c)工程船图9 实际工况Fig.9 Actual operating conditions

船舶柴电混合动力系统是当前混合动力船舶应用最为广泛的一种方式，如图5所示，该混合动力形式主要通过以下几个方面来提升船舶的整体性能：通过对动力装置布局的设计与改进来减少船舶主发动机的功率，使其工作在高效区和排放最佳区；通过算法来预测船舶将来的工况，从而及时调整分配策略；以经济性、动力性、排放性在不同环境所提要求为优化目标来提升整体能效。

(1)动力装置布局的设计与改造。DEROLLEPOT等[53]从动力装置布局的角度出发，以内河船为目标，对比柴电混合动力串联式、并联式和混联式对整船经济性的影响，结果表明混联式布置的混合动力系统可以减少10%的油耗，原来只有发动机的内河船舶通过增加瞬态响应快的电机以及优化布置型式可减小10%油耗；SOLEYMANI等[52]对一艘中型传统船舶进行混合动力系统升级改造，通过粒子群算法进行匹配选型，降低了发动机的额定功率，使其工作在设定的最佳工作区间，研究结果表明改造后的混合动力系统比传统动力系统节油33.3%。

(2)船舶负载预测。船舶在恶劣航行环境中负载变化较大，频繁的负载变化使柴油机工作状况很不稳定。HASELTALAB等[54]针对船舶运行过程中遇到的不可预见性扰动，提出了多级预测控制的方法，该方法包含两级控制器，第一级控制器为基于管状(tube-based)非线性鲁棒性模型的预测控制器，确定船舶在存在环境扰动和系统不确定性的情况下需要的推进功率，为第二级的动力分配提供更充足的时间从而进行最优分配计算；高迪驹等[55]提出了一种基于多分辨率小波神经网络(multi-resolution analysis-wavelet neural network，MRA-WNN)的混沌时间序列短期预测模型，结果表明确定误差为2.27%，可为目前求解时间较长的优化算法提供足够的时间进行最优求解。

(3)多目标优化提升船舶性能。船舶混合动力系统需要考虑动力性、经济性和排放性等多目标协调优化，如船舶在巡航工况下对动力性要求较低的情况，以发动机的耗油率最低(即经济性最佳)为优化目标；船舶在排放控制区航行，以原动机满足排放规范要求为优化目标；船舶在高速航行时对动力性要求较高，以原动机动力性为优化目标。肖能奇等[56]以船舶经济性和动力性为优化目标，通过设定柴油机转速、转矩和电机转速、转矩等门限参数的方法完成进一步优化，该策略通过识别船舶运行工况从而确定了在该种运行工况下的经济性、动力性和排放性要求，实现一定程度的多目标优化。GAO等[57]以经济性、排放性和续航能力的综合性能为目标设计了一种基于预测负载功率的能量优化策略，该策略以需求功率预测为基础，分别建立了混合动力系统的经济性模型、排放性模型和续航能力模型，并设立了相应的边界条件，通过改进的遗传算法得到多目标的最优功率分配；仿真结果表明：与基于模糊逻辑规则的策略相比，该策略的燃油经济性提高了9.6%，船舶的续航能力提高了24%。潘海邦等[58]采用切换控制系统理论，以降低燃油消耗和跟踪转速为研究目标，发现在特定的运行工况下，柴电混合动力系统较原动力系统燃油经济性提高了30%，结合电池电量消耗，燃油经济性提高9%。

在能量管理策略方面，柴电混合动力系统目前主要包括神经网络[59]、粒子群遗传算法[60]、模糊控制[61]和小波分析[62]、ECMS[63]等控制算法，智能算法在解决高度非线性和不确定的控制系统时具有不可比拟的优势。同时智能算法与其他方法相结合能进一步提高混合动力系统的优势，如模糊控制与基于规则的策略相结合、利用粒子群遗传算法对制定的门限值进行优化、小波分析与基于规则的策略相结合都受到了广泛关注。柴电混合动力系统针对不同的优化目标，涉及的算法如图10所示。

图10 柴电混合动力系统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，传统船舶可以从匹配选型、布局改造来小型化发动机，优化发动机工作区间，通过船舶负载预测可以预知工况，为优化算法提供充足的求解时间。多目标优化成为目前最热的关注点，根据人为和环境因素来偏好决策不同要求的权重达到多目标协调优化目的。总结可知，能量管理系统不仅要拥有最优分配能量的功能，还应该适应各种布局型式，拥有船舶负载预测和多目标优化的能力。

3.3.2以多储能混合为主动力源

储能系统中因燃料电池高效率、低排放和低噪声等优势受到越来越广泛的关注[64]，但燃料电池单独使用到船舶动力系统时面临动态响应差、低负荷时效率低下的问题。通过加入蓄电池和超级电容的船舶混合动力系统能较好地解决这一问题，图11所示为针对该问题的典型算法。

图11 多储能混合为主动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]以燃料电池和蓄电池在高效率区运行为原则，根据需求功率与蓄电池SOC将运行工况划分为11个模式，并制定功率分配规则。仿真结果表明：在目标工况下，燃料电池始终运行在高效率区，且工作效率高于基于功率跟踪的能量管理策略。彭东恺等[65]设计了燃料消耗优化能量管理策略，通过构建汉密尔顿函数来控制SOC保持在一定范围，同时又考虑了DC/DC变换器效率和燃料电池效率及其边界条件，将该能量管理策略与功率跟踪策略进行仿真对比分析，在两种策略都满足船舶行驶的要求下，发现燃料消耗优化能量管理策略在客船的整体性能和经济性方面都有明显的优势。秦锋等[66]通过建立燃料电池氢气消耗函数和蓄电池等效消耗函数设计了等效燃料消耗最小的能量管理策略，并将其与基于规则的能量管理策略进行对比，结果表明：两种能量管理策略均使燃料电池和蓄电池工作在较稳定状态，蓄电池和超级电容都能实现系统动态补偿，但等效燃料消耗最小策略可以减少6.3%，具有更好的经济性。唐道贵[67]利用小波变换将船舶需求功率分解为高频功率和低频功率，高频功率由功率型储能系统承担，低频功率按一定比例分配给燃料电池和蓄电池，并设计了基于模糊规则的控制器对燃料电池、蓄电池和超级电容的分配功率进行优化，减缓切换动力源的波动。张泽辉等[62]采取滑动窗口的实现小波变换的实时能量管理策略，优化储能系统充电与放电过程，抑制直流母线的电压频繁波动。ZHU等[68]利用模糊控制算法使蓄电池和超级电容维持在一个自身最佳工作的范围，提高电能质量和船舶整体能效。韩北川[69]以需求功率和蓄电池、超级电容SOC需求状态为参考，采用模糊控制算法来限值燃料电池功率的波动情况。

3.3.3以太阳能电池为主动力源

太阳能作为一种清洁、高效、“取之不尽”的绿色能源，是新能源领域的研究热点，将太阳能光伏电池用于船舶动力系统也是“绿色船舶”发展的一个重要方向。但太阳能光伏电池用于船舶动力系统受环境影响较大，转换效率较低，能量供应不足，利用储能系统可以较好地弥补这一缺陷，图12所示为该系统的主要典型应用算法。李丹[70]根据船舶运行的实际工况建立了基于直流母线的分布式太阳能系统网络拓扑结构，采用功率跟随的方法完成能量管理系统规则的建立，通过蓄电池完成对太阳能光伏电池的能量补偿和协调。俞万能等[71]根据太阳能游览船的主要设备和运行工况建立了基于规则的蓄电池充放电控制流程，该策略提高了太阳能利用效率，延长了蓄电池使用寿命，基于该策略已经完成了太阳能游览船能量管理控制系统的设计开发，并完成了实船验证。RUOLI等[72]以海上船舶光伏/电池/柴油/冷熨混合动力系统的安全性和经济性为目标，提出了自适应多目标协同进化粒子群优化算法，实现了多种动力源的最佳能量流调度，充分利用太阳能并最大程度地降低船舶的电力成本。PARK等[73]以储能系统容量最小、发动机工作效率最高为目标，设计了基于蓄电池、发动机和光伏电池的混合动力系统，采取基于规则的能量管理策略解决了伏电池输出功率不稳定的问题；同时，该策略也为根据成本、环境影响和船舶局限性来确定最佳光伏阵列尺寸和电池容量的方法提供了依据。

图12 以太阳能为主动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

船舶混合动力系统主要适用于近海及内河功率需求变化较大的船型，其能量管理的设计应充分考虑目标船型的特点及运行工况的特殊性，从混合动力系统的系统匹配到各动力源的能量分配，合适的能量管理策略均能使船舶的燃油经济性、排放性、动力性等得到明显提升。

4 发展趋势与挑战

4.1 发展趋势

航运业受到各种类似MARPOL法规的约束以及“碳达峰”和“碳中和”的要求，提高能源效率并减少对环境的污染势在必行，动力系统更新是符合船舶清洁化、智能化的解决方案。船舶混合动力系统经过优化匹配可以提高效率，减少燃料消耗，同时也可以降低排放，满足排放法规的严格要求。由国内船舶混合动力系统发展可知，现阶段已运营的船舶混合动力船舶以柴电串联式混合动力为主，通过柴油发电机组发电推动船舶推进系统，虽然柴油机可以始终保持运行在高效率区，但中间过程存在能量的二次转换，对能量效率的提升不足。并联式和混联式的结构虽然复杂，但是可以有效避免能量转换过程中的损失，经过优化匹配可以极大地提高混合动力系统的能量效率，是混合动力系统结构优化方向发展的一种趋势。

从混合动力系统的动力源角度来看，天然气、氨气、甲醇、燃料电池、太阳能和风能等清洁能源在绿色船舶动力方面具有无可替代的优势。随着天然气发动机和燃料电池等相关技术的进步，同时匹配相应的电力系统弥补发动机动态响应的缺陷，会有越来越多的以气体机和燃料电池作为原动机的混合动力系统广泛地应用在市场上，同时太阳能和风能作为辅助推进动力将在减少燃料消耗方面发挥重大作用，多重清洁能源的共同使用成为了混合动力发展趋势。

从能量管理策略的角度来看，现阶段船舶混合动力基于规则的能量管理策略应用最为广泛。在国家“双碳”政策以及内河第二阶段政策的指引下，能量管理策略需要具备转速跟踪、能耗和排放显著降低等多重功能。尤其在整个系统运行过程中能量管理系统具备“域控制器”的能力，能及时将控制决策及时发送给相应设备控制器，体现出能量管理系统需要具备系统集成所包含的重要内容。

4.2 面临的挑战

船舶混合动力系统是多动力源和多辅助设备耦合的系统，在制造之前需要通过机桨匹配来确定动力源的相关参数，但混合动力系统的拓扑结构较多，如何有效进行选型与参数匹配是一项重大挑战。

清洁能源在燃烧和提供动力方面其排放性显示出相关优异的特性，氢基绿色燃料或合成燃料(比如氨气和甲醇)需要提供电力等二次能源进行生产，如何快速与经济地生产成为一项需要攻克的难题；储能系统是混合动力系统发展过程中的短板之一，混合动力系统由于储能系统的加入而增加了船舶的建造成本，同时由于蓄电池的深度放电和使用频率，使得蓄电池的使用寿命和安全性成为一个限制条件。但是国家目前正在对此重点扶持，此技术在未来会迎刃而解。

目前大部分优化算法和智能算法还在停留在软件仿真和半物理仿真阶段，应用到实船上还需要进行更深层次的研究。基于规则的能量管理策略虽然可以提高混合动力系统动力性和经济性，但提升效果有限，并没有达到多目标能量优化管理。随着船舶混合动力系统能量管理策略的深入研究和ECU运算速度的提升，会有越来越多的优化算法和智能算法应用到实船中。如何有效平衡能量管理系统优化性能和实时应用性能是嵌入式系统开发的重中之重，也是将来智能算法应用到船舶领域不可缺失的一部分。

5 结语

本文从多能源混合动力推进系统的发展为落脚点，以能量管理系统的关键技术为侧重点进行了综述。深入讨论船舶混合动力能量管理系统的背景和关键技术，通过分析船舶领域目前的研究成果，得出以下结论：

由混合动力船舶的应用可知，船舶行业进一步燃料清洁能源化是未来趋势；通过系统集成和有效的设备匹配与选型可以在设计初期发挥节约能源的作用；混合动力系统是一个集成度高且设备特性差异较大的庞大系统，总结关键技术可知，能量分配追求的目标是满足排放法规的要求且提升动力和经济性能，成本函数的复杂度增加使最优分配功率的智能算法求解时间延长；完善和提高算法求解能力以及嵌入式系统开发将使混合动力推进系统的优势更加明显。