一種新型船用混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳勇軍

（先進(jìn)儲(chǔ)能材料國家工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙410205）

隨著石油資源緊缺現(xiàn)象的日漸突出，以及大氣污染和環(huán)境污染的日益加重，國家正投入巨額資金大力推動(dòng)綠色交通，目前已經(jīng)在乘用車領(lǐng)域取得了巨大成效。在航運(yùn)領(lǐng)域，國家依照《環(huán)保法》對(duì)內(nèi)河湖泊、風(fēng)景區(qū)、特別是重要水源地進(jìn)行常態(tài)化嚴(yán)密監(jiān)控，要求對(duì)現(xiàn)有各類污染源進(jìn)行升級(jí)改造甚至強(qiáng)制關(guān)停，綠色航運(yùn)已是大勢(shì)所趨，而油電混合動(dòng)力船作為綠色航運(yùn)的主要發(fā)展方向是行業(yè)近期的研究重點(diǎn)。

1 船用油電混合動(dòng)力系統(tǒng)現(xiàn)狀

油電混合動(dòng)力系統(tǒng)不是把電動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)簡(jiǎn)單組合在一起就可以，而是要利用二個(gè)動(dòng)力源的能耗特點(diǎn)以及工作特性，各展所長(zhǎng)，互補(bǔ)不足，通過控制策略的運(yùn)用來達(dá)成最佳驅(qū)動(dòng)效果。從動(dòng)力組合結(jié)構(gòu)分析，油電混合動(dòng)力系統(tǒng)可分成3類系統(tǒng)架構(gòu)：串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)通過一個(gè)較小功率的柴油機(jī)來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電力，當(dāng)輪船處于啟動(dòng)、加速、高載荷運(yùn)行等大扭矩輸出工況時(shí)，由柴油機(jī)和蓄電池共同向電動(dòng)機(jī)提供電能；當(dāng)輪船處于低速巡航、怠速的工況時(shí)，則由柴油機(jī)向蓄電池充電，蓄電池直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。在串聯(lián)式結(jié)構(gòu)中，柴油機(jī)的機(jī)械能只有轉(zhuǎn)換成電能才能使用，系統(tǒng)整體能量傳遞效率較低。

圖1 串聯(lián)式結(jié)構(gòu)圖

并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)有電動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)兩套動(dòng)力系統(tǒng)，既可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，也可以共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳，電動(dòng)機(jī)同時(shí)還承擔(dān)發(fā)電機(jī)功能向蓄電池充電。柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)三者之間的功率傳遞依靠行星齒輪實(shí)現(xiàn)。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)最大的缺陷就是，由于沒有獨(dú)立的發(fā)電機(jī)，所以在蓄電池電力不足的情況下只能依靠柴油機(jī)一邊給蓄電池充電一邊驅(qū)動(dòng)船舶，船舶的動(dòng)力性能也會(huì)隨之下降。

圖2 并聯(lián)式結(jié)構(gòu)圖

混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，是在并聯(lián)式混動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了一個(gè)發(fā)電機(jī)，柴油機(jī)可通過機(jī)械能和電能兩種途徑同步驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)并且還能同時(shí)給蓄電池充電，這樣就能保證系統(tǒng)在所有工況下都可以高效率地進(jìn)行動(dòng)力輸出，但這套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略復(fù)雜，技術(shù)難度較大，且成本高，目前在國內(nèi)應(yīng)用較少[1]。

圖3 混聯(lián)式結(jié)構(gòu)圖

2 新型船用混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為保護(hù)北江生態(tài)環(huán)境，在2016年，公司開展了豪華游船的油電混合動(dòng)力改裝項(xiàng)目，參考國內(nèi)外混合動(dòng)力船的研究成果和使用狀況，以柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為主機(jī)的并聯(lián)式結(jié)構(gòu)還是首選。分析目前常用并聯(lián)混動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖4，發(fā)現(xiàn)該套系統(tǒng)的部件多，占用空間大，原有船體動(dòng)力倉難以布局，因此，設(shè)計(jì)了一套適用于內(nèi)河小型船舶的油電混合動(dòng)力系統(tǒng)新方案。

圖4 船用并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)

新設(shè)計(jì)方案如圖5所示，系統(tǒng)由柴油機(jī)、自動(dòng)同步離合器、高彈聯(lián)軸器、雙軸電動(dòng)機(jī)、萬向軸、齒輪箱和輸出軸等部件組成。動(dòng)力傳遞路線為，柴油機(jī)的輸出端連接自動(dòng)同步離合器的一端，自動(dòng)同步離合器的另一端通過第一聯(lián)軸器連接電機(jī)的輸入端，電機(jī)的輸出端通過第二聯(lián)軸器和萬向軸連接齒輪箱的輸入端，齒輪箱的輸出端連接螺旋槳。柴油機(jī)、自動(dòng)同步離合器、電機(jī)、萬向軸和齒輪箱依次同軸排列放置。

圖5 新型并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

柴油機(jī)用于提供燃油動(dòng)力，雙軸伸電機(jī)即可作為柴油機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)軸，又可作為混合動(dòng)力系統(tǒng)的電力動(dòng)力源。兩個(gè)高彈聯(lián)軸器分別位于電機(jī)兩端，可以有效避免電機(jī)受到震動(dòng)沖擊。自動(dòng)同步離合器是超越離合器和齒式聯(lián)軸器結(jié)合體，作為柴油機(jī)與電機(jī)之間的連接部件，即可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)與電機(jī)的聯(lián)動(dòng)與脫離，使柴油機(jī)動(dòng)力能夠平滑地傳遞到電機(jī)軸，又能防止電機(jī)“倒拖”柴油機(jī)引起事故。

新混動(dòng)結(jié)構(gòu)具有電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、柴油機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、柴油機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)并充電、柴電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)四種工作模式，可按照實(shí)際工況的變化進(jìn)行智能切換，以達(dá)到良好的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

1）船舶起步階段，柴油機(jī)無法在低速區(qū)輸出較大扭矩，但是電動(dòng)機(jī)在低速區(qū)可以大扭矩輸出，此時(shí)蓄電池提供電力啟動(dòng)，柴油機(jī)不參與動(dòng)力輸出。

2）船舶中低速行駛階段，船舶運(yùn)行阻力小，柴油機(jī)只能在低功效區(qū)間工作，而電動(dòng)機(jī)在中低速時(shí)效率較高，此時(shí)由高效的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳前進(jìn)，但如果此時(shí)蓄電池電量不足，則由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳并同時(shí)帶動(dòng)電機(jī)給蓄電池充電。

3）船舶正常行駛階段，航速穩(wěn)定，柴油機(jī)可在較高轉(zhuǎn)速的經(jīng)濟(jì)工況下工作，此時(shí)由柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳。過程中根據(jù)船舶運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，在負(fù)荷較低時(shí)，柴油機(jī)部分動(dòng)力被分配給發(fā)電機(jī)進(jìn)行充電；在負(fù)荷較高時(shí)，電動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)按比例同步進(jìn)行功率輸出。

混動(dòng)工作模式的切換取決于船舶負(fù)載、航速、蓄電池SOC狀態(tài)等多方面因素，可以人工切換，也可以根據(jù)預(yù)設(shè)的控制邏輯自動(dòng)切換，目前常用基線控制邏輯見圖6[2]。

圖6 基線控制邏輯

相比原有并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)，新開發(fā)的混合動(dòng)力系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）動(dòng)力傳遞部件成直線排列，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，空間占用小。在北江項(xiàng)目中，新混動(dòng)系統(tǒng)比原來的柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)僅在軸向加長(zhǎng)了1.1 m，一般船用動(dòng)力倉空間均能滿足。

2）新并聯(lián)系統(tǒng)減少了一個(gè)齒輪箱和一個(gè)轉(zhuǎn)矩合成器，成本更低，體積更小。

3）系統(tǒng)選用雙軸伸電機(jī)，可以保證柴油機(jī)—電機(jī)—變數(shù)箱在同一中心軸線上，有效減少能量傳遞損失及連接部件的損耗，提高傳動(dòng)效率。

3 新型船用混合動(dòng)力系統(tǒng)控制方案

新混合動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)基本搭建完成，在實(shí)際應(yīng)用還存在3個(gè)問題：（1）要充分發(fā)揮混動(dòng)船節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)，動(dòng)力源要能夠根據(jù)工況智能切換；（2）為便于游船人工操控，要保留原有的操作習(xí)慣，用同一套油門操作系統(tǒng)來操控油電兩個(gè)動(dòng)力源；（3）切換系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能精準(zhǔn)控制油門行程和電機(jī)輸出功率。

按新混動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)完成控制系統(tǒng)原理圖，見圖7.在系統(tǒng)控制中，需要新設(shè)計(jì)一套動(dòng)力自動(dòng)切換系統(tǒng)。具體方案是，把步進(jìn)電機(jī)和PLC等器件組成的自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)融入油門拉索結(jié)構(gòu)，達(dá)到自動(dòng)和手動(dòng)雙向控制的目的，同時(shí)在控制機(jī)構(gòu)中加入電位器，通過電位器機(jī)械行程變化精確控制電機(jī)輸出功率，還在機(jī)構(gòu)中加入了光電傳感器，達(dá)到精準(zhǔn)控制油門行程，自動(dòng)糾正行程累計(jì)偏差的功能。

圖7 混動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

新設(shè)計(jì)的切換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，見圖8.動(dòng)力自動(dòng)切換系統(tǒng)運(yùn)行部件都采用可調(diào)位置設(shè)計(jì)，降低了部件制造精度要求并可適應(yīng)不同船型需要，同時(shí)在空間布置上采用疊加式緊湊設(shè)計(jì)，盡量縮小系統(tǒng)外形體積，還避免了各部件運(yùn)行中的干涉問題。

圖8 動(dòng)力自動(dòng)切換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

切換系統(tǒng)有2種工作模式，在自動(dòng)模式下，切換系統(tǒng)中PLC接收BCU發(fā)出的控制指令，按預(yù)設(shè)程序通過步進(jìn)電機(jī)控制油門拉索動(dòng)作；在手動(dòng)模式下，可以直接通過操控臺(tái)手柄控制油門拉索動(dòng)作。圖9為自動(dòng)運(yùn)行模式下油電切換流程說明。混動(dòng)4種工作模式的相互切換由BCU根據(jù)外部反饋信號(hào)進(jìn)行控制。

圖9 動(dòng)力自動(dòng)切換流程說明

整套切換系統(tǒng)布局簡(jiǎn)潔，采用部件均為成熟的工業(yè)產(chǎn)品，單套樣品材料成本在2000元左右，相比其它混動(dòng)切換機(jī)構(gòu)性價(jià)比高，極大地降低了新混動(dòng)系統(tǒng)的普及門檻。

4 混合動(dòng)力系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)

為驗(yàn)證新型混合動(dòng)力系統(tǒng)的可行性，搭建了專用試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行功能驗(yàn)證試驗(yàn)，圖10為按新混動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)搭建的試驗(yàn)臺(tái)架，圖11為動(dòng)力自動(dòng)切換系統(tǒng)樣品，圖12為功能試驗(yàn)的調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)。

圖10 試驗(yàn)臺(tái)架

圖11 動(dòng)力自動(dòng)切換系統(tǒng)

圖12 調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)

經(jīng)過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，新混動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，動(dòng)力自動(dòng)切換系統(tǒng)的各項(xiàng)功能滿足設(shè)計(jì)要求，各輸出模式能順暢切換。對(duì)切換系統(tǒng)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，連續(xù)切換運(yùn)行6 500次無故障，可滿足實(shí)際運(yùn)行要求。

動(dòng)力切換系統(tǒng)在臺(tái)架上已測(cè)試通過，但裝船后的實(shí)際使用狀況與臺(tái)架還有所區(qū)別，故在實(shí)際使用時(shí)還要注意以下幾點(diǎn)：

1）實(shí)際油門阻力測(cè)定，需根據(jù)實(shí)測(cè)值對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行選型確認(rèn)；

2）油門行程匹配與柴油機(jī)油門拉桿設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)，要根據(jù)實(shí)際值調(diào)整切換系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)和滑塊的初始位置；

3）光電開關(guān)感應(yīng)距離要根據(jù)油門拉索實(shí)際工況下的游隙來確定最佳取值范圍。

5 結(jié)束語

本套混動(dòng)系統(tǒng)是為了滿足舊船改造而全新設(shè)計(jì)開發(fā)，在功能實(shí)現(xiàn)上已得到臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)具有能效高、成本低、占用空間小、不改變船員原有操作習(xí)慣、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，便于普及和推廣。后續(xù)將在船上進(jìn)行實(shí)效測(cè)試，進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，讓新混動(dòng)系統(tǒng)早日走向市場(chǎng)，促進(jìn)綠色航運(yùn)事業(yè)的快速發(fā)展。