船用混合動(dòng)力技術(shù)研究

杜一民

[摘 ? ?要]隨著航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)也在穩(wěn)步開(kāi)展，但是隨之而來(lái)的是環(huán)境污染問(wèn)題。在用船方面依靠柴油機(jī)的發(fā)電技術(shù)來(lái)促進(jìn)航運(yùn)業(yè)的發(fā)展是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，該技術(shù)不僅會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，而且對(duì)排放有更嚴(yán)格的限制。而越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注，使用電池驅(qū)動(dòng)和柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)雙結(jié)合的混合動(dòng)力技術(shù)，作為更切實(shí)可行的混合動(dòng)力技術(shù)支持。除此之外，隨著石油資源越來(lái)越稀缺的情況，大氣污染和環(huán)境污染更加嚴(yán)重，國(guó)家不僅將大量的資金投入綠色發(fā)展建設(shè)中，而且還要求航運(yùn)業(yè)采用更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)?；诖?，文章主要介紹目前國(guó)內(nèi)航運(yùn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析油電混合動(dòng)力的主要配置和并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，最后說(shuō)明混合動(dòng)力傳播的工作模式，為我國(guó)航運(yùn)業(yè)使用油電混合動(dòng)力技術(shù)提供更有價(jià)值的參考意見(jiàn)。

[關(guān)鍵詞]航運(yùn)船只;混合動(dòng)力;技術(shù)發(fā)展;運(yùn)行系統(tǒng);配置形式

[中圖分類號(hào)]U664.1 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）03–00–03

Analysis of Marine Hybrid Technology

Du Yi-min

[Abstract]With the continuous development of the shipping industry， China's economic construction is also growing steadily， but the attendant problem is environmental pollution. In terms of ship use， it is far from enough to rely on the power generation technology of diesel engine to improve the development of the shipping industry， and this technology will not only seriously pollute the environment， but also have stricter restrictions on emissions. More and more people begin to focus on the use of battery driven and diesel driven hybrid technology as a more practical support for the use of hybrid technology. In addition， with the increasing scarcity of oil resources， air pollution and environmental pollution become more serious. The state not only invests a lot of funds in green development and construction， but also requires stricter emission standards in the adoption of shipping industry. Based on this， this paper mainly introduces the current development status of domestic shipping industry， analyzes the main configuration of oil electric hybrid and parallel hybrid system， and finally explains the working mode of hybrid transmission， so as to provide more valuable reference for the use of oil electric hybrid technology in China's shipping industry in the future.

[Keywords]shipping vessel; hybrid; technological development; operation system; configuration form

為了應(yīng)對(duì)綠色發(fā)展所提出的節(jié)能減排要求，國(guó)內(nèi)航運(yùn)使用的柴油發(fā)電機(jī)要受到嚴(yán)格的排放管理，不僅如此，各地區(qū)之間能源匱乏的情況也不相同，要想保證本地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，就需要尋找清潔能源來(lái)代替柴油發(fā)電機(jī)，才能夠保證地區(qū)的發(fā)展健康穩(wěn)定。與此同時(shí)，也在尋找新型的動(dòng)力技術(shù)來(lái)緩解航運(yùn)的壓力，提高對(duì)船只的利用率。目前僅僅依靠柴油發(fā)電來(lái)提高我國(guó)航運(yùn)業(yè)的發(fā)展是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，并且隨著排放要求不斷嚴(yán)格，我國(guó)航運(yùn)業(yè)的發(fā)展也會(huì)越來(lái)越困難，電池驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種混合動(dòng)力技術(shù)，已然成為一種新型的動(dòng)力技術(shù)，不僅可以緩解航運(yùn)業(yè)發(fā)展的壓力，還能夠整合不同的資源，對(duì)于我國(guó)航運(yùn)業(yè)發(fā)展以及保護(hù)環(huán)境都有極大的益處。我國(guó)對(duì)于動(dòng)力方面提出的要求不僅僅是在航運(yùn)用船方面，更是要對(duì)自然環(huán)境起到保護(hù)和防治作用，特別是對(duì)重要水源地進(jìn)行常態(tài)化的嚴(yán)密監(jiān)控，同時(shí)還需要船用進(jìn)行升級(jí)改造。綠色發(fā)展已經(jīng)成為我國(guó)目前的重要趨勢(shì)，因此綠色航運(yùn)同樣也成為我國(guó)在航運(yùn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，油電混合動(dòng)力就是能夠完成綠色航運(yùn)的重要技術(shù)保障。

1 船用混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展情況

混合動(dòng)力系統(tǒng)在20個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)，并且在隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，混合動(dòng)力系統(tǒng)也會(huì)有所進(jìn)步，在發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上確保閉合軸帶電機(jī)與齒輪箱之間的離合器有更好的結(jié)合，這樣的系統(tǒng)構(gòu)造能夠?qū)⒍嘤嗟哪芰總鬏數(shù)浇涣麟娋W(wǎng)中，保證有充足的電能供其他設(shè)備使用。采用使用混合電力計(jì)數(shù)時(shí)，閉合輔助電機(jī)與電機(jī)之間的離合器進(jìn)行變頻帶動(dòng)輔助電能傳輸，從而帶動(dòng)軸帶電機(jī)加速至額定轉(zhuǎn)速，在并入船用電網(wǎng)中完成一整個(gè)電力傳輸過(guò)程，實(shí)現(xiàn)軸帶電機(jī)的電動(dòng)動(dòng)能，這也是目前混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展的主要技術(shù)結(jié)構(gòu)。隨著近幾年對(duì)于混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究加深，混聯(lián)式混合電力系統(tǒng)是在并聯(lián)式混動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)發(fā)電機(jī)，確保能夠?yàn)檎麄€(gè)機(jī)體提供更充足的機(jī)械能和電能，并且同時(shí)還能夠不斷蓄電，這樣就可以保證系統(tǒng)在工作的情況下達(dá)到高效率的動(dòng)力輸出效果。然而這樣的混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)操作難度較大，技術(shù)要求高且成本和投資較高，目前在國(guó)內(nèi)的航運(yùn)業(yè)很少應(yīng)用。

隨著大功率機(jī)器的出現(xiàn)，在信息化的背景下，要采用數(shù)字信息號(hào)進(jìn)行處理，這就使得混合動(dòng)力系統(tǒng)又進(jìn)一步發(fā)展，不僅有強(qiáng)大的變頻軸帶混合系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)作，并且在該系統(tǒng)的幫助下還可以用電機(jī)改變電能的傳輸方式，采取不同頻道的變頻器去調(diào)節(jié)交流電壓轉(zhuǎn)化成變頻電壓信號(hào)。想要保證變頻器所帶來(lái)的影響，就需要做到對(duì)電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)做到轉(zhuǎn)速度的控制，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保的運(yùn)行模式，同樣這也是綠色行業(yè)發(fā)展的最高要求。

近幾年，隨著電力事業(yè)的不斷發(fā)展以及技術(shù)保障的支持，國(guó)家對(duì)于綠色發(fā)展節(jié)能環(huán)保的要求也會(huì)越來(lái)越高，船只的動(dòng)力系統(tǒng)同樣也需要控制，保證綠色航運(yùn)業(yè)的有效發(fā)展。與傳統(tǒng)的船只相比，混合電力系統(tǒng)的船只運(yùn)作方式不僅可以提高動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行速度，還可以控制船只的排污排放，可以說(shuō)混合動(dòng)力系統(tǒng)是目前最好的動(dòng)力技術(shù)，這對(duì)于我國(guó)未來(lái)發(fā)展具有重要的影響。通過(guò)多年的研究可以得知，不同類型的能源替代會(huì)有不同的節(jié)省耗油的潛能。在柴油發(fā)電的時(shí)代，要做到節(jié)能排放是非常困難的，但是使用柴油發(fā)電與電能兩種形式相結(jié)合的情況下，會(huì)極大地降低油耗。目前，很多發(fā)達(dá)國(guó)家都開(kāi)始應(yīng)用混合電力技術(shù)，這對(duì)于船舶的動(dòng)力系統(tǒng)是非常有益處的，這也證實(shí)了目前的動(dòng)力系統(tǒng)中混合電力技術(shù)的前景較好。

2 船用混合動(dòng)力技術(shù)的配置形式

2.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

采用串聯(lián)式的混合動(dòng)力系統(tǒng)，主要是以電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)作為基礎(chǔ)，通過(guò)發(fā)電機(jī)和蓄電池等零部件進(jìn)行調(diào)節(jié)，其主要?jiǎng)恿褪强績(jī)?nèi)燃機(jī)的功率來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)能夠運(yùn)作起來(lái)，但是一旦超出過(guò)內(nèi)燃機(jī)的存在量時(shí)，就會(huì)改變電子的輸出，給電動(dòng)機(jī)帶來(lái)不小的壓力。只想靠?jī)?nèi)燃機(jī)進(jìn)行大規(guī)模的發(fā)電是不可能的，大負(fù)荷的功率必須靠發(fā)電機(jī)，根據(jù)發(fā)出的電驅(qū)動(dòng)，保證整個(gè)電動(dòng)機(jī)能夠帶動(dòng)船只的運(yùn)作。當(dāng)船處于運(yùn)作和加速度的狀態(tài)時(shí)，要利用一定荷載運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，當(dāng)發(fā)電機(jī)也無(wú)能為力時(shí)，就需要提供蓄電池中的電能，當(dāng)輪船處于低速狀態(tài)時(shí)，就需要讓電池組驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以此來(lái)保證內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)能夠?yàn)榇?lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)雙向發(fā)展。

2.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

采用并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，主要是由電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、充電器以及變壓器幾部分組成，它與串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的組成部分相似，但不同的是主要是通過(guò)電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)螺旋轉(zhuǎn)，用內(nèi)燃機(jī)給蓄電池蓄電，相對(duì)串聯(lián)式的混合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖然較為單一簡(jiǎn)單，但是想要靠一套更加復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)能夠運(yùn)作是非常困難的，要在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中保證船只的航行安全。因此并聯(lián)式的混合動(dòng)力系統(tǒng)還需要設(shè)計(jì)更加優(yōu)秀變速器來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)擁有更高效的運(yùn)作性能，這對(duì)于完成整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行是非常重要的。這也是并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的核心部分，因此更需要在并聯(lián)式上多下功夫，確保電力系統(tǒng)能夠?yàn)檎麄€(gè)船只的運(yùn)作提供充足的動(dòng)力。

2.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

采用混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，主要是由電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、蓄電池、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力分離裝置、變壓器以及轉(zhuǎn)換器等零部件組成。這類動(dòng)力系統(tǒng)，主要是依靠電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的驅(qū)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)整個(gè)船槳，與此同時(shí)也可以通過(guò)多個(gè)動(dòng)力分離裝置將內(nèi)燃機(jī)的電能為電動(dòng)機(jī)供應(yīng)電力，同時(shí)還能夠給蓄電池充電，這樣一來(lái)就可以保證整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)有充足的動(dòng)力可以為整個(gè)船只輸送電能。實(shí)際上，理論和實(shí)踐已經(jīng)證明，混聯(lián)式混合電力系統(tǒng)在這樣的設(shè)計(jì)中。以低速度高效率的輸出方式，保證整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)以更好的輸出方式提供電能。因此，這樣的混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠在任何工作狀態(tài)下，都進(jìn)行高效率的輸出，這也是未來(lái)我國(guó)航運(yùn)業(yè)發(fā)展主要的混合動(dòng)力技術(shù)，確保該技術(shù)能夠?yàn)槲覈?guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供高質(zhì)量的技術(shù)支持。

3 船用混合動(dòng)力技術(shù)為航運(yùn)業(yè)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)

混合動(dòng)力對(duì)于船只常規(guī)的發(fā)電和運(yùn)行都具備非常強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，相比于常規(guī)的動(dòng)力技術(shù)混合的方式，可以憑借對(duì)于能量的控制和管理，做到整體性能的大幅度提高。通過(guò)分析不同功率的需求，可以為不同類型的船只制定能量管理的方案，同時(shí)不同的系統(tǒng)在控制過(guò)程中也可以根據(jù)負(fù)荷和功率來(lái)保證驅(qū)動(dòng)的能力。不同的驅(qū)動(dòng)模式需要不同的動(dòng)力支持，而這樣的方式既會(huì)增加了自由選擇的程度，而且還能夠保證在所有的工作狀態(tài)下，能夠讓船只在航行的時(shí)候更加安全。混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，就在于不僅能夠提高船只的運(yùn)行效率，還能夠進(jìn)一步保證船只運(yùn)作的綠色環(huán)保，通過(guò)對(duì)整個(gè)船只的控制達(dá)到節(jié)能環(huán)保、降低排放的效果。如果要用蓄電池設(shè)備中的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)發(fā)電機(jī)，可保證能夠與內(nèi)燃機(jī)達(dá)到共同驅(qū)動(dòng)匹配的效果。于是內(nèi)燃機(jī)便可以在多種工作狀態(tài)下依舊保持工作最優(yōu)配置，并且在儲(chǔ)存電能方面依舊充滿多余的能量，因此在許多航運(yùn)發(fā)展有特殊要求的情況下，都可以運(yùn)用混合動(dòng)力技術(shù)作為支撐，關(guān)掉內(nèi)燃機(jī)，實(shí)現(xiàn)靜音運(yùn)作，就可以保證零排放無(wú)污染，從而為我國(guó)航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展提供更多的保障。

混合船只電動(dòng)技術(shù)具有很強(qiáng)的發(fā)展?jié)撃芎桶l(fā)展優(yōu)勢(shì)，雖然目前的技術(shù)還不夠先進(jìn)，并且在投資費(fèi)用上較高，但是對(duì)于我國(guó)未來(lái)航運(yùn)業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，不僅可以促進(jìn)我國(guó)航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，提高船只的工作效率，還能夠明顯減少燃料燃油的消耗和碳排放，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。

4 混合動(dòng)力船只的工作模式

混合動(dòng)力系統(tǒng)一般包括柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組、配電柜主機(jī)以及綢帶發(fā)電機(jī)，通過(guò)這些零部件可以控制整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，確保電池和電容管理更加健全完善，這類混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式主要有3種。本文主要分析的就是混合動(dòng)力系統(tǒng)下船只的工作模式，確保不同類型的船只有更好的工作性能。

4.1 軸帶電模式

軸帶發(fā)電機(jī)的主要工作模式就是通過(guò)發(fā)電機(jī)自主機(jī)軸獲取能量，向儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入能量。船只在起步階段，內(nèi)燃機(jī)并不能在低速的模式下輸出較大的動(dòng)力，但是電機(jī)可以在低速的狀態(tài)下高效地完成整個(gè)輸送電力任務(wù)，混合動(dòng)力系統(tǒng)就是利用電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)低速的狀態(tài)下保證蓄電池能夠有充足的電力，啟動(dòng)整個(gè)軸帶發(fā)電機(jī)，這時(shí)的內(nèi)燃機(jī)不參與任何動(dòng)力輸出，目的就是在低速的狀態(tài)下能夠做到節(jié)能減排。

4.2 軸帶電動(dòng)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式

軸帶電動(dòng)機(jī)由組成系統(tǒng)獲取一定的電能后，向主機(jī)輸送大量能量，確保整個(gè)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行整體驅(qū)動(dòng)輸送更多的動(dòng)力。船只在中低速行駛階段時(shí)，要保證電機(jī)在低速的時(shí)候保持高效率的輸出。因此，船只就要在中低速狀態(tài)時(shí)，保證整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)使用蓄電池有充足的電能，為電動(dòng)機(jī)的高效驅(qū)動(dòng)輸送動(dòng)力，但如果此時(shí)的蓄電池電量不足，那么整個(gè)電機(jī)的動(dòng)力就會(huì)來(lái)源于內(nèi)燃機(jī)的帶動(dòng)，通過(guò)發(fā)電輸送一定的動(dòng)力，因此讓整個(gè)蓄電池保持充足的電能是非常有必要的，既能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率，又能夠達(dá)到綠色發(fā)展的排放要求。

4.3 軸帶電動(dòng)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式

軸帶電單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的模式是指通過(guò)相應(yīng)的系統(tǒng)向整個(gè)軸帶電機(jī)輸送大量的能力，保證軸帶電動(dòng)機(jī)能夠代替主機(jī)進(jìn)行運(yùn)行，在此時(shí)就可以讓柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組進(jìn)行組裝和運(yùn)行提供大量的能量。船只在正常的狀態(tài)下會(huì)因?yàn)樨?fù)荷較大的情況，使得內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，油耗較低，系統(tǒng)正是以內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力作為整個(gè)支持，確保動(dòng)力源來(lái)源充足，讓內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生直接的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)整個(gè)船只運(yùn)行。另外，還需要注意船只的運(yùn)行情況，確保船只的工作效率和驅(qū)動(dòng)模式相匹配，即便是在負(fù)荷較低的情況下，也能夠?qū)?dòng)力合理分配到各個(gè)系統(tǒng)中。發(fā)電機(jī)或蓄電池都要存在相應(yīng)的工作，才能夠保證整個(gè)系統(tǒng)能將多余的電力轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，確保船只的輸出功率達(dá)到最優(yōu)配置。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今電子技術(shù)的快速發(fā)展，為整個(gè)行業(yè)的蓬勃向上提供了充足的技術(shù)支持，對(duì)于航運(yùn)業(yè)來(lái)說(shuō)將會(huì)以新型技術(shù)確保船只能夠有更高效的動(dòng)力支持?；旌蟿?dòng)力技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，會(huì)為船只的推進(jìn)系統(tǒng)提供更多的優(yōu)勢(shì)。比如，電機(jī)的高效率、機(jī)械化輕量化以及高性能的工作優(yōu)勢(shì)，使得電力轉(zhuǎn)化效率能夠得到明顯提高。隨著資源日益匱乏和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始重視對(duì)環(huán)保和綠色發(fā)展的重要性，有很多的動(dòng)力學(xué)研究專家，將目光放在了混合動(dòng)力上，想通過(guò)混合動(dòng)力系統(tǒng)的模式，為目前我國(guó)航運(yùn)業(yè)的發(fā)展提供更強(qiáng)大的技術(shù)支持，通過(guò)不斷切換和組裝內(nèi)燃機(jī)與發(fā)電機(jī)的配置，保證整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)有更優(yōu)化的安排，從而保證船只能夠高效率的輸出，低能耗低排放的排出?？偠灾?，混合動(dòng)力技術(shù)將會(huì)為我國(guó)整個(gè)航運(yùn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)新的生機(jī)，將整個(gè)船舶工程行業(yè)的發(fā)展推向高潮。

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