混合動(dòng)力游艇建模與仿真

鄭 笑

（上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306）

0 引 言

隨著科技不斷發(fā)展，船舶上運(yùn)用的新型技術(shù)越來越多。船舶混合動(dòng)力技術(shù)作為一種新型船舶技術(shù)，是船舶未來發(fā)展的方向，能有效緩解當(dāng)今社會(huì)的能源、環(huán)境問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球航運(yùn)業(yè)的CO2排放量大概占全球溫室氣體排放量的 4%[1]。近幾年，隨著全球變暖，溫室氣體排放等問題越發(fā)嚴(yán)峻，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）逐步加強(qiáng)對(duì)船舶尾氣排放的限制。未來純電動(dòng)船舶（即以電力推進(jìn)系統(tǒng)為主的船舶）將得到大力發(fā)展，但對(duì)功率需求較大的船舶來說，現(xiàn)階段大部分純電動(dòng)船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)不能提供期望的速度和加速度，續(xù)航能力得不到保障，且電力推進(jìn)會(huì)受到船舶質(zhì)量和空間的限制及能源存儲(chǔ)技術(shù)的影響[2]。在該情況下，研究混合動(dòng)力電動(dòng)船舶可為船舶從柴油發(fā)電機(jī)組單獨(dú)供電過渡到純電動(dòng)供電提供可行性方案[3]。

目前，將混合動(dòng)力技術(shù)成功運(yùn)用到船舶上的案例[4]并不多。一些科研人員已將其有關(guān)混合動(dòng)力技術(shù)的設(shè)想應(yīng)用到艦船上。例如：2003年，世界上第一艘燃料電池和柴-電混合動(dòng)力系統(tǒng)潛艇在德國基爾港實(shí)現(xiàn)首航[5]；2012年，日本商船三井與三菱重工發(fā)布配備光伏發(fā)電裝置的混合動(dòng)力運(yùn)輸船[6]。該混合動(dòng)力運(yùn)輸船配備的光伏發(fā)電裝置最大輸出功率達(dá)到160kW，航行工況下所發(fā)的電力會(huì)儲(chǔ)存在超大容量的鋰離子電池中，能提供船舶靠港期間的部分電力需求；與以往相比，其發(fā)電時(shí)的CO2排放量可減少4%左右[7]。 該運(yùn)輸船同時(shí)配備有柴油發(fā)電機(jī)和電力供應(yīng)系統(tǒng)，當(dāng)船舶處于停泊狀態(tài)時(shí)，可通過光伏發(fā)電來減少尾氣排放。

在以上研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)小型混合動(dòng)力游艇設(shè)計(jì)一種基于蓄電池、柴油發(fā)電機(jī)組的并聯(lián)混合動(dòng)力能源系統(tǒng)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

1 系統(tǒng)建模

混合動(dòng)力系統(tǒng)通常有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)等3種傳動(dòng)系統(tǒng)模型。圖1為并聯(lián)混合動(dòng)力船舶的傳動(dòng)系統(tǒng)，包含柴油機(jī)、轉(zhuǎn)矩耦合器、蓄電池組和電機(jī)。

圖1 并聯(lián)混合動(dòng)力船舶的傳動(dòng)系統(tǒng)

與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可同時(shí)驅(qū)動(dòng)船舶，動(dòng)力性能更加優(yōu)越；同時(shí)，采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合動(dòng)力船舶工作模式較多，可適應(yīng)多種工況，發(fā)動(dòng)機(jī)無須進(jìn)行能源的二次轉(zhuǎn)換，綜合油耗更低、尾氣排放更少；此外，通過逆變器，電機(jī)也可反過來作為發(fā)電機(jī)發(fā)電，并給蓄電池充電[8]。圖2為并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖。

圖2 并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

從圖2中可看出，并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)由14個(gè)模塊組成，分別代表動(dòng)力系統(tǒng)不同的部件。大部分模塊都有2個(gè)輸入接口和2個(gè)輸出接口。

1) 模型中自左向右的箭頭傳遞的信號(hào)代表功率需求或目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，該計(jì)算路徑被稱為后向計(jì)算路徑。船舶運(yùn)行循環(huán)工況為：根據(jù)目標(biāo)工況計(jì)算出目標(biāo)船速，將其輸出到船體模塊；目標(biāo)船速經(jīng)過螺旋槳模塊、變速器模塊、離合器模塊和附件模塊的傳遞輸出到發(fā)動(dòng)機(jī)模塊。傳遞過程中，在考慮自身損失、傳動(dòng)比換算及輸出限制的情況下，各模塊根據(jù)輸入數(shù)據(jù)計(jì)算出輸出數(shù)據(jù)并將其輸出。

2) 模型中自右向左的箭頭傳遞的信號(hào)代表各模塊實(shí)際的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，該計(jì)算路徑被稱為前向計(jì)算路徑。根據(jù)目標(biāo)船速，發(fā)動(dòng)機(jī)模塊通過查表計(jì)算得到其實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速和排放數(shù)據(jù)；將排放數(shù)據(jù)輸出到排放處理模塊之后，排放處理模塊根據(jù)該數(shù)據(jù)計(jì)算出實(shí)際排放量并輸出結(jié)果；同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)模塊通過箭頭將實(shí)際轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速自右向左傳給各模塊。這些模塊在考慮自身損失、傳動(dòng)比及輸出限制的情況下根據(jù)實(shí)際輸入量計(jì)算其實(shí)際輸出量。船體模塊根據(jù)牽引力和實(shí)際船速計(jì)算下一步長的數(shù)據(jù)。在整個(gè)運(yùn)行循環(huán)工況的周期內(nèi)，動(dòng)力傳遞過程持續(xù)循環(huán)進(jìn)行。

1.1 船體

在開闊的水面上，船體的阻力總成見圖3。

圖3 船舶的阻力總成

為計(jì)算船體的阻力，必須對(duì)船體進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析。文獻(xiàn)[9]給出一種用來評(píng)估船體表面的流體動(dòng)力性能、計(jì)算表面阻力的方法，計(jì)算式為

式(1)中：Rf為摩擦阻力，N；(1+K1)為船體摩擦因數(shù)，K1的大小取決于流體的雷諾數(shù)，對(duì)于小型船舶，一般取1.22～1.45；Rapp為附體阻力，N；Rw為興波阻力，N。

1.2 螺旋槳

螺旋槳可分為定距槳和變距槳。螺旋槳的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的計(jì)算式為

式(2)～式(6)中：VS為船舶的航速，m/s；VA為螺旋槳進(jìn)速，m/s；ω為興波系數(shù)；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/s；D為螺旋槳直徑，m；J為螺旋槳進(jìn)速比；KT為螺旋槳推力系數(shù)；KQ為螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)；ρ為海水的密度，kg/m3；Q為螺旋槳的轉(zhuǎn)矩，N.m；T為螺旋槳的推力，N。在計(jì)算出進(jìn)速比之后，通過螺旋槳的敞水特征曲線可查得KT和KQ，進(jìn)而得出螺旋槳的轉(zhuǎn)矩和推力。

1.3 柴油機(jī)

建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型需考慮最大轉(zhuǎn)矩的限制、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的影響、燃油消耗及排放后的處理等因素。這里采用數(shù)值分析法建立發(fā)動(dòng)機(jī)的模型[10]。

式(7)～(10)中：P為柴油機(jī)功率，kW；T為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N.m；ω為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/s；Tcor為發(fā)動(dòng)機(jī)修正轉(zhuǎn)矩，N.m；J為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；C為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率。

1.4 電池

蓄電池的工作過程可用一個(gè)非線性函數(shù)來表示，且與多個(gè)實(shí)時(shí)變化的參數(shù)有關(guān)。作為混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的能量源之一，其能迅速響應(yīng)負(fù)載變化，使需求功率與輸出功率保持平衡。電池的荷電狀態(tài)SOC表示電池剩余容量與電池完全充電狀態(tài)下容量的比值，取值范圍為0～1。SOC=0表示電池放電完全，SOC=1表示電池完全充滿。蓄電池可存儲(chǔ)的電荷量是固定的，且在放電時(shí)需考慮最小電壓的限制；在要放電時(shí)需首先充電。其充電過程受庫倫效率的影響及最大電壓的限制，在整個(gè)循環(huán)工況內(nèi)需保證蓄電池組的SOC平衡。可將蓄電池看作是一個(gè)可存儲(chǔ)電荷量的、各參數(shù)與其SOC值有關(guān)的等效電路，用一個(gè)理想的開路電壓源串聯(lián)一個(gè)內(nèi)電阻來表示。蓄電池荷電狀態(tài)SOC的計(jì)算式為

式(11)～式(14)中：SC0為SOC的初始值；ΔSC為SOC的改變量；Ib為電池的端電流；E為電池的額定容量；Pess為電機(jī)有效充放電功率；VOC為電池等效電路理想電壓源；Rb為電池內(nèi)阻[10]。在電池充電或放電過程中，其等效電阻Rb的值是不同的，當(dāng)電池荷電狀態(tài)SOC保持在0.3～0.7時(shí)，可近似認(rèn)為Rb=Rdis=Rchg。

2 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)用性及準(zhǔn)確性，用 MATLAB/Simulink軟件對(duì)該方法進(jìn)行仿真分析。選用太陽鳥公司生產(chǎn)的長26.5m，寬6.2m，最大航速32kn的“鳳鳥88 inch”游艇進(jìn)行仿真；仿真中選用最大功率為260kW的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為1800r/min；蓄電池組共包含60個(gè)電池，單個(gè)電池的電壓為12V，電流為26A，設(shè)定電池組初始SOC值為0.7。通過對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力下游艇的典型加減速工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真并與單一傳統(tǒng)的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)相比較，得到油耗、電池SOC變化及污染物排放情況對(duì)比（見圖4～圖8）。

圖4 油耗對(duì)比

圖5 電池SOC變化圖

圖6 HC排放對(duì)比

圖7 CO排放對(duì)比

由圖4～圖8可知，在同種循環(huán)工況下，相對(duì)于以單一柴油機(jī)作為動(dòng)力源的游艇，混合動(dòng)力游艇的油耗更低，污染物排放量也能得到明顯減少，并能使電池的SOC保持在合理的范圍內(nèi)。這里按游艇每天工作 8h計(jì)，一年作業(yè) 365d，柴油價(jià)格取5.5元/L。結(jié)合電池的投入成本，使用混合動(dòng)力系統(tǒng)的游艇相比使用純柴油機(jī)的游艇，一年可節(jié)省燃油25%，節(jié)省成本10萬多元，減少污染物排放約10%，可起到很好的節(jié)能減排的作用。

圖8 NOx排放對(duì)比

3 結(jié) 語

本文對(duì)采用并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的游艇的模型結(jié)構(gòu)及其各主要部件進(jìn)行了建模分析，并在MATLAB/Simulink中對(duì)游艇的典型工況進(jìn)行了仿真計(jì)算，通過計(jì)算機(jī)仿真有效驗(yàn)證了該并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的可行性及正確性。根據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)的并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)可滿足游艇大部分工況的要求，能增強(qiáng)船舶的續(xù)航力、達(dá)到節(jié)能減排的目的，并能使電池的SOC保持在一定的范圍內(nèi)。此外，還可對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，使其油耗更少、排放更優(yōu)。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

[1] 高迪駒，沈愛弟，褚建新，等. 混合動(dòng)力船舶的能量管理與控制策略[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2015, 36 (1)： 70-74.

[2] 孫彥琰，高迪駒，褚建新. 混合動(dòng)力電動(dòng)船舶功率分配控制方法[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制，2014, 22 (12)： 3938-3939.

[3] 張敏敏，康偉. 一種混合動(dòng)力電動(dòng)船舶能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 中國水運(yùn)，2011, 11 (12)： 67-69.

[4] 袁裕鵬，王凱，嚴(yán)新平. 混合動(dòng)力船舶能量管理控制策略設(shè)計(jì)與仿真[J]. 船海工程，2015 (2)： 95-98.

[5] 嚴(yán)新平. 新能源在船舶上的應(yīng)用進(jìn)展及展望[J]. 船海工程，2011, 39 (6)： 111-115．

[6] 孫彥琰，高迪駒，褚建新. 混合動(dòng)力電動(dòng)船舶模糊邏輯控制策略[J]. 船舶工程，2014, 36 (3)： 67-70.

[7] 李洪躍，朱瑾. 串聯(lián)型混合動(dòng)力船舶能量控制策略研究[J]. 機(jī)電設(shè)備，2015 (1)： 21-25.

[8] 趙紅，郭晨，吳志良. 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的建模與仿真[J]. 中國造船，2006, 47 (4)： 51-56.

[9] 王磊. 船體多分段綜合日程計(jì)劃模型的研究及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008： 1-88

[10] 席龍飛，張會(huì)生. 小功率內(nèi)河船舶油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的建模及仿真研究[J]. 機(jī)電設(shè)備，2014, 31 (2)： 23-27.