船舶混合动力系统的发展与应用研究

李忠杰

（海军装备部装备项目管理中心，北京 100071）

随着我国环境保护措施的不断完善，各行各业对环保的重视和关注度不断提高，船舶排放控制区域正逐步扩大，在一定程度上影响了柴油机等降低传统船舶使用的环境污染程度，高耗能设备的应用。船舶混合动力系统能够借助新型船用清洁燃料，减少船舶动力能耗与污染，既能满足长期航行和作业的续航力需求，又能实现污染零排放，从而促进船舶运输产业的稳健、绿色发展。

1 船舶混合动力系统发展概况

通过对船舶混合动力系统发展过程的研究分析可知，最初始的船舶混动系统主要采用柴电混合系统，是20世纪70年代初期在发电机机组基础上发展而来的，其基本原理架构图,如图1所示。当该类船舶混合动力系统的实际负载参数值较小时，为了维持柴油机的最优工作状态，往往会使用混合系统的闭合轴带动电机和齿轮之间的转动离合器，促使柴油机发出多余的能量，借助其轴带发动机转动转化为电能输出至交流电系统中，使其供其他负荷运行使用。

图1 初始船舶混动系统原理架构图

当在某些工况条件下需要使用电力进行复合推进时，需要借助闭合辅助电机和轴带电机之间的离合器，借助变频设备的电力推进辅助电机快速加速至额定转速参数，带动轴带电动机快速达到额定参数值，以此并入用电网模式，完成整个启动过程。在借助交流电网完成取电目的后，轴带电机快速运转，实现电机电动功能的变化。随着现代信息技术的发展，大功率全控技术以及模块结构的设置，加之数据信息处理器技术和脉冲调制技术等广泛应用，促使船舶混合动力系统得以快速发展，就以目前广泛应用的基于变频轴带的混合动力系统为例，整个系统中的轴带电机不再被限制为相对恒速状态，可以使变频器调节得到恒频和恒压的交流电，转化为变频和变压的参数信号，用以调节轴带电动机快速启动，带电动机能够在变速条件下快速运转。

2 动力方案设计

由于运输航船的实际工况条件复杂多变，且在不同作业工况条件下动力输出参数值通常较大，为了兼顾航船在使用过程中的所有工况特征，需要船舶动力系统更具灵活多样性。因此，为了保证混合动力系统的灵敏性，需要使用柴电混合推进系统，整个动力装配,如图2所示，系统包括柴油机主机、输入输入和单输出的齿轮箱及轴带异步电机、柴油发电机组等设备。在运行过程中，工况设计主要应考虑船舶在常规航行条件下的工况、渔船捕捞使用工况和沿海专项工程工况等。

图2 动力装配图

以常规航行条件下的工况为例，在船只常规航行过程中，船舶动力系统的工作原理,如图3所示，由图可知，主电机在正常运转条件下能够为船舶系统的螺旋桨提供相应动能，从而带动发电机作为其主供电系统，为整个船只提供航行所需要的复合用电，整个用电设备包括风机、信号灯以及船员生活用电等，该条件下，船舶的电动液压泵并不处于工作状态，而仅仅为备用电源，为发电机提供充足的能量。

图3 常规航行工况下动力系统工作原理图

在船舶专项作业工况条件下，由于作业条件受特殊地理环境影响，船舶的动力系统,如图4所示。以渔船为例，当采用托网方式处理海产品时，需要保证产区内所有工作人员的生产安全，也需要对产区内的噪音进行一定限制，因此，在专项工作时，往往采用锂电池为船只提供动力，机组主设备并不工作而仅仅作为应急动力电源备用。在专项作业过程中，锂电池组无须为船舶提供动力，而是在沿海地区捕捞海产品的过程中，由于船只的航行速度降低，所需动力从而降低，锂电池的功率重新调整，其会为轴带发电机的螺旋桨提供动力，会为船舶运行过程中的钢脚电动液压机提供电能。

图4 专项作业工况下动力系统工作原理图

3 典型架构与运行模式

近年来,随着储能系统技术的飞速发展，基于储能系统的船舶混合动力结构得以应用，其架构示意图，如图5所示，包括柴油发电机、配电柜、主机结构、发电机及齿轮箱控制系统、储能结构等。其中，混合动力系统的轴变频器和储能系统与常规船舶的动力结构相比，具有一定的特殊性，其可以为船只提供更好的能量保障。储能系统由电池和超级电容器结构组成，通过双向的DC设备连接到船舶的电网体系中，从而具备智能放电和智能充电的功能，且能够快速响应船舶的电能变化需求。电能管理模块是在综合考虑不同子模块特征下，满足国家现行法律法规和行业标准规范要求的应用模式。在加入储能系统后，混合动力船舶能够在不同的工作模式中，通过对电能管理信息系统的智能化控制，实现电能管理过程和船只变化的高效率匹配，利用储能系统快速调整突发参数变量，以保证船舶在后续负荷较多时为主机和柴发机组的平稳运行节省能量，从而有效降低船舶运行成本。

图5 基于储能系统的船舶混合动力架构示意如图

4 多能源系统的能量管理策略

在船舶混合动力系统应用的过程中，多能源系统的能量管理主要包括基于规则的能量管理策略和基于优化的能量管理策略。一般来说，基于规则的能量管理策略，在混合动力船舶中的应用更加普遍，常见的能量管理模式包括恒温器管理模式和功率跟随管理模式。恒温器管理模式，主要是通过对管理阈值的设置，以蓄电池的状态结构作为其能量管理的依据，当蓄电池的能量充足时，超过蓄电池阈值最高点，则关闭发电机，依靠蓄电池的电能推动船舶继续前行；当蓄电池的能量不足，也就是低于蓄电池的阈值低点时，则启动发电机，控制发电机的工作状态，对输入和输出恒定功率进行合理调整，并借助剩余的功率为储蓄电池充电。功率跟随能量管理策略是在设置蓄电池阈值时，调整主机输出功率上限值和下限值，借助恒温器的能量管理策略，限定主机的实际输出功率，允许主机在输出功率后，使燃油经济性在较高的范围内波动。当蓄电池的能量值高于阈值最高点时，则允许主机调整相应的输出功率，将输出功率调整为较小值，而不是直接关闭主机，以此减少主机在运行过程中的开启和关闭次数，从而提高能量的利用率。

5 结语

本文在研究船舶混合动力系统发展概况的基础上，深入分析了船舶动力方案设计和典型架构、运行模式等，最后针对性地提出了船舶混动系统这一多能源系统的能量管理策略，认为能够从基于规则的能量管理和基于优化的能量管理策略出发，对船舶混合动力系统的用能过程进行优化，以更好地促进我国船舶运输产业的高效率、绿色可持续发展。