電力推進(jìn)船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究與分析

徐達(dá)

摘要：隨著現(xiàn)代電子電力技術(shù)的發(fā)展以及電力推進(jìn)型式船舶的廣泛應(yīng)用，純電動(dòng)成為未來船舶的發(fā)展方向;電力推進(jìn)混合動(dòng)力船舶為電力推進(jìn)向純電動(dòng)發(fā)展的過渡方案;文章對船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與特點(diǎn)進(jìn)行介紹;針對系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，如發(fā)電源接入技術(shù)，能量控制策略以及新型電池等;并對柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)有待發(fā)掘的內(nèi)容與應(yīng)用前景進(jìn)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.

關(guān)鍵詞：船舶動(dòng)力系統(tǒng);混合動(dòng)力;電力推進(jìn)

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

0 ?引言

船舶電力推進(jìn)技術(shù)的迅速發(fā)展，是當(dāng)今能源與環(huán)境嚴(yán)峻形勢下的必要趨勢，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的必然成果[1]?！半娏ν七M(jìn)船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)”可以定義為柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組和動(dòng)力電池作為動(dòng)力源，其中至少一種可以提供電能的混合動(dòng)力電力推進(jìn)形式。該形式對于滿足節(jié)約能耗、降低污染物排放的需求，提高船舶的續(xù)航性和動(dòng)力系統(tǒng)的冗余性、可靠性，解決柴油機(jī)低速性能差，多變工況下效率低的問題具有重要意義[2]。目前正處于不斷研究和探索的階段。

1 ?系統(tǒng)組成與工作模式

混合動(dòng)力系統(tǒng)的概念，在汽車上早有應(yīng)用并日漸成熟。從能源角度來看，船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)有柴油機(jī)/動(dòng)力電池混合、LNG/柴油混合、風(fēng)翼/柴油機(jī)混合等幾種形式。目前研究較多的是柴油機(jī)/電池混合。對于柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上看，又分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種形式。

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)是由柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組、動(dòng)力電池、變壓器、變頻器、電動(dòng)機(jī)等幾部分構(gòu)成?；驹硎钱?dāng)小負(fù)荷時(shí)通過電池輸出電力給電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng);而大負(fù)荷時(shí)通過柴油機(jī)先給發(fā)電機(jī)發(fā)電，再將發(fā)出的電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)船舶處于啟動(dòng)、加速或帶載荷運(yùn)行的工況時(shí)，可以通過柴油機(jī)和電池共同驅(qū)動(dòng);當(dāng)處于低速、怠速的工況時(shí)，可由電池組直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，而內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)組向電池組充電。該形式柴油機(jī)與螺旋槳并沒有直接機(jī)械連接，而是采用電力推進(jìn)的形式驅(qū)動(dòng)螺旋槳及其它負(fù)載，因此稱其為電力推進(jìn)柴電混合系統(tǒng)。

并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)由柴油機(jī)、動(dòng)力電池、電機(jī)、齒輪箱等組成?；驹硎请姍C(jī)和柴油機(jī)通過減速齒輪箱并聯(lián)連接。用電負(fù)荷不大時(shí)可通過主柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪箱、螺旋槳和其它負(fù)載，此時(shí)電機(jī)可處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)為電池供電;當(dāng)船舶輸出推力小或柴油機(jī)處于故障狀態(tài)時(shí)，可采用電力推進(jìn)模式，即電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)齒輪箱;而當(dāng)船舶需要較大推力時(shí)可采用混合動(dòng)力推進(jìn)模式。

混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)由柴油機(jī)、動(dòng)力電池、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和動(dòng)力分離裝置等組成，原理是混合了串聯(lián)式和并聯(lián)式系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，即柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳的同時(shí)，柴油機(jī)也可以通過動(dòng)力分離裝置和發(fā)電機(jī)給電池充電?！盎炻?lián)”在船舶動(dòng)力系統(tǒng)方面的研究還處于起步階段。

對于柴電混合動(dòng)力動(dòng)力系統(tǒng)的幾種形式，要根據(jù)不同的使用目的和具體的使用環(huán)境去評判其優(yōu)越性。從燃料的經(jīng)濟(jì)性看，并聯(lián)式系統(tǒng)更優(yōu);但在減少污染物排放方面，它不如串聯(lián)式。并聯(lián)式系統(tǒng)的工作效率較高，而且機(jī)型選擇可相對減小，增大機(jī)艙空間。但其結(jié)構(gòu)較串聯(lián)式相比更為復(fù)雜，可靠性也不如串聯(lián)式系統(tǒng)。

本文主要對串聯(lián)式，即電力推進(jìn)船舶柴電混合系統(tǒng)進(jìn)行研究分析。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

電力推進(jìn)船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的發(fā)電源有兩個(gè)：柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組和動(dòng)力電池。柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組經(jīng)AC/DC變換器接入直流母線。另一端，動(dòng)力電池經(jīng)過雙向DC/DC變換器接入直流母線。直流母線上經(jīng)過DC/AC逆變器將直流電逆變成交流電供給到電動(dòng)機(jī)，以拖動(dòng)螺旋槳。值得注意的是，由于雙向DC/DC變換器的特性，不僅動(dòng)力電池可以通過雙向DC/DC變換器向系統(tǒng)輸出電力，而且柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的多余電能可以通過雙向DC/DC變換器給動(dòng)力電池充電。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不存在發(fā)電機(jī)與螺旋槳的直接連接，使整個(gè)布局比較靈活。

1.2 系統(tǒng)工作模式

1.2.1 柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組供電模式

在這種模式下，由柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組單獨(dú)供電。柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組輸出的電力經(jīng)過AC/DC變換器、直流母線和逆變器供給電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)螺旋槳。除此之外，多余的電能可以通過雙向DC/DC變換器給動(dòng)力電池充電，從而提高船舶的續(xù)航性能。

1.2.2 電池供電模式

在這種模式下，動(dòng)力電池單獨(dú)運(yùn)行供電，經(jīng)過雙向DC/DC變換器、直流母線、逆變器供給電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)螺旋槳。這種模式適用于船舶經(jīng)濟(jì)航速運(yùn)行或柴油機(jī)故障狀態(tài)下，是一種低噪、節(jié)能的運(yùn)行模式。

1.2.3 混合供電模式

當(dāng)需求負(fù)載較大，柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組或電池單獨(dú)供電不能滿足要求時(shí)，選擇混合供電模式運(yùn)行。在這種模式下，柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組和電池同時(shí)供電，既滿足了船舶的動(dòng)力性能需求，同時(shí)也起到了降低排放的效果。

2 ?系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 動(dòng)力電池

動(dòng)力電池對于船舶續(xù)航能力和動(dòng)力系統(tǒng)冗余性的提高有著重要意義。不僅如此，作為柴電混合系統(tǒng)的發(fā)電源之一，電池承擔(dān)著動(dòng)力輸出的關(guān)鍵角色。如何根據(jù)具體船型、發(fā)動(dòng)機(jī)型號以及船舶用途來選擇動(dòng)力電池的類型，如何使用和保護(hù)動(dòng)力電池以保持其性能，延長其壽命，都是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)所在。不僅如此，動(dòng)力電池技術(shù)也是船舶小型化、安靜化、低耗化趨勢的關(guān)鍵。

目前應(yīng)用最廣泛的是鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池使用方便，價(jià)格低廉，具有容量大、充電快、壽命長的特點(diǎn)，符合混合動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)要求。

高比能的鋰離子電池是未來船用動(dòng)力電池的重要趨勢，其比功率高、成本低等特性在手機(jī)和電動(dòng)汽車行業(yè)顯現(xiàn)無疑。保證大容量鋰電池的安全性，完善其管理系統(tǒng)是目前研究的關(guān)鍵所在。

除此之外，質(zhì)子交換膜燃料電池等動(dòng)力電池，均可作為系統(tǒng)發(fā)電源的優(yōu)良選擇。

2.2 變頻器

變頻器的作用調(diào)節(jié)輸出電壓和頻率的大小，并維持電壓和頻率的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電源的軟啟動(dòng)和軟關(guān)閉，減小對直流電網(wǎng)的沖擊。選用變頻器應(yīng)注意轉(zhuǎn)換效率、功率、控制方式等因素。

在該柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)中，雙向DC/DC變換器是系統(tǒng)的關(guān)鍵。它的作用是完成直流能量的雙向流動(dòng)，具有多種拓?fù)洌煞譃楦綦x型和非隔離型兩種形式。雙向DC/DC的性能直接關(guān)系到系統(tǒng)性能的好壞。其設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于磁性元件的設(shè)計(jì)，比如變壓器和電感等。另外，在設(shè)計(jì)過程中還要考慮濾波的要求、電壓升降等因素。

2.3 能量管理及控制策略

電力推進(jìn)船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的核心技術(shù)是能量管理及控制策略。其目的是：在滿足船舶運(yùn)行的功率需求條件下，根據(jù)實(shí)時(shí)工況和系統(tǒng)狀態(tài)，分配和協(xié)調(diào)發(fā)電源的能量，以滿足船舶動(dòng)力需求并減少能源消耗與污染物排放。控制策略的是否合理直接關(guān)系到系統(tǒng)能否高效而可靠地運(yùn)行。

混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略在汽車方面研究較早，文獻(xiàn)[3]將模糊控制策略應(yīng)用到燃料電池、蓄電池和超級電容組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)。在船舶領(lǐng)域，能量管理與控制策略的研究也有一定進(jìn)展。文獻(xiàn)[4]提出了軍事艦船不同工況下的能量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性;文獻(xiàn)[5]針對小型船舶設(shè)計(jì)一種基于邏輯門獻(xiàn)能量管理控制策略;文獻(xiàn)[6]針對內(nèi)河電力推進(jìn)船舶，提出一種模糊綜合評判運(yùn)行切換策略。

3 ?國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

查閱國際國內(nèi)關(guān)于混合動(dòng)力船舶的資料可知，關(guān)于柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究在國外起步較早，已有不少研究機(jī)構(gòu)提出先進(jìn)的理論方法，并且已有一些應(yīng)用成功的例子，主要集中在潛艇、游艇、挖泥船或小型內(nèi)河船舶等。而在國內(nèi)，由于起步較晚，成功應(yīng)用的案例不多。

2003年4月，德國基爾港，第一艘擁有柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的潛艇試航。該潛艇通過燃料電池和柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)，最高航速可達(dá)8kn。

2009年，美國Foss公司研發(fā)的柴電混合動(dòng)力拖船Carolyn Dorothy建造成功。該船舶由蓄電池和柴油機(jī)提供動(dòng)力。兩年后的數(shù)據(jù)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動(dòng)力船舶的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的突破[7];近幾年，上海海事大學(xué)研究并搭建了電力推進(jìn)柴電混合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為國內(nèi)電力推進(jìn)船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究提供重要參考與幫助。

4 ?結(jié)語

本文對電力推進(jìn)船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理、關(guān)鍵技術(shù)以及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行研究與分析。面對能源的危機(jī)、環(huán)境的污染、氣候的變化和全球變暖的事實(shí)，船舶運(yùn)輸行業(yè)面臨著巨大的壓力和挑戰(zhàn)，研發(fā)新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改善現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)迫在眉睫。柴電混合動(dòng)力技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)動(dòng)力與電池動(dòng)力的分配與組合，不僅能優(yōu)化船舶動(dòng)力系統(tǒng)適應(yīng)多變工況的能力，而且能在保持動(dòng)力輸出的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。該系統(tǒng)符合“綠色船舶”新興概念，擁有光明而廣泛的應(yīng)用前景。

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