多航態(tài)無人艇混合動力系統(tǒng)設計

匡曙龍，楊一鵬，邱長青，李 鵬

應用研究

多航態(tài)無人艇混合動力系統(tǒng)設計

匡曙龍，楊一鵬，邱長青，李 鵬

（船舶綜合電力技術(shù)重點實驗室，武漢 430064）

以未來海上智能化作戰(zhàn)為牽引，發(fā)展跨介質(zhì)平臺，滿足跨介攻擊智能化作戰(zhàn)需求。本文開展了多航態(tài)無人艇混合動力系統(tǒng)設計研究，對于混合動力系統(tǒng)存在多種運行模式而言，各工作模式的切換控制相較于單一工作模式控制更為復雜。根據(jù)無人艇不同航態(tài)及任務需求設計動力系統(tǒng)切換模式方案，實現(xiàn)了快速、穩(wěn)定的工作模式切換功能。驗證了混合動力系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，提升了系統(tǒng)效率。

跨介質(zhì) 多航態(tài)無人艇 可靠性 混合動力系統(tǒng)

0 引言

多航態(tài)無人艇是一種集水面艦艇與水下航行器于一體的新型智能無人艇，能夠根據(jù)任務需求實現(xiàn)水面、半潛、水下全潛三種航態(tài)的自主切換，具有水面高速航行的特點，迅速進入目標區(qū)域執(zhí)行相應任務后轉(zhuǎn)場撤退；又具有水下航行器的隱身特性，利用桅桿與水面基站進行連接通信，從而實現(xiàn)信息交互和隱蔽的目的，可長時間對目標海域進行潛伏偵測。無人艇智能控制系統(tǒng)快速切換航態(tài)功能，完成環(huán)境信息感知，提高任務執(zhí)行機動性[1～3]。

動力推進系統(tǒng)與智能控制系統(tǒng)相輔相成，以滿足無人艇水面和水下工作要求，針對不同工況和運動特性設計高功率密度的混合動力推進系統(tǒng)，為有限的空間提供更高的動力，兼顧多航態(tài)下工作環(huán)境和動力需求[4,5]。智能控制系統(tǒng)幫助混合動力推進系統(tǒng)快速響應，保證系統(tǒng)切換的快速性、穩(wěn)定性和可靠性，使得整個混合動力推進系統(tǒng)安全運行，通過混動控制策略提高系統(tǒng)的使用壽命和續(xù)航能力。

本文首先進行了混合動力系統(tǒng)運行模式分析。無人艇由電力推進模式驅(qū)動，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保、零排放、高隱身性的目的；無人艇由柴油機模式驅(qū)動，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少，系統(tǒng)可靠性最高，不存在復雜的驅(qū)動模式組合，避免了加速過程中的遲頓；無人艇由機電模式驅(qū)動，系統(tǒng)輸出最大功率，機電深度混合，系統(tǒng)較為復雜，并且柴油發(fā)電機組、動力電池系統(tǒng)相互冗余，供電冗余性高[6,7]。然后進行了混動動力系統(tǒng)控制設計，設計了不同工作模式下的驅(qū)動方式和工作流程。最后對不同模式之間的切換進行了仿真分析，驗證了系統(tǒng)設計的可靠性。

1 混合動力系統(tǒng)運行模式分析

多航態(tài)無人艇主要具備噸位小、航速高、機動靈活的特點。無人艇處于水下低速航行時，一旦遇到緊急情況，需浮至水面立刻進入中高速航行模式，并且保證足夠的動力儲備，以確保無人艇在高速航行時快速機動的動力響應需求。

1.1 混合動力模式

混合動力模式的設計目的在于提高各工況下的混合動力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率，提高熱機的燃油經(jīng)濟性，同時提升使用無人艇低速航行的隱身性。從而在充分滿足航行以及用電負載需求的基礎上，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保、高隱身性的目的。

1）無人艇水下低速航行

當無人艇水下低速航行時，主要通過電力推進模式驅(qū)動無人艇運行。在動力電池電量充足的情況下由無人艇動力電池供電提供推進動力，以及供應本艇交流負載用電，此時處于零排放運行模式。水下低速航行時動力電池供電能量流向示意如圖1所示。

圖1 水下低速航行時動力電池供電能量流向示意圖

當動力電池處于電量不足的情況下，自動浮出水面切換至柴油機動力模式。

2）無人艇水面提速航行

當無人艇水面提速至經(jīng)濟航行速度時，由兩臺柴油機組供電提供推進動力，兩臺電機可轉(zhuǎn)換為軸帶發(fā)電模式，為無人艇交流負荷用電。同時，通過動力電池吸收富裕功率，維持動力電池的存儲電量不低于設定的最低電量。此時，該工況與柴油動力模式一致，水面提速航行時柴油機動力模式系統(tǒng)能量流向示意如圖2所示。

圖2 水面提速航行時柴油機動力模式系統(tǒng)能量流向圖

3）無人艇水面高速航行

當無人艇推進檔位進入高速航行時，無人艇工作模式切換為兩臺主推進柴油機和兩臺軸發(fā)電機聯(lián)合驅(qū)動模式。當動力電池處于電量不足的情況下，自動降速至經(jīng)濟航行速度，水面高速航行時柴油機與動力電池聯(lián)合驅(qū)動模式系統(tǒng)能量流向示意如圖3所示。

圖3 水面高速航行時柴油機與動力電池聯(lián)合驅(qū)動模式系統(tǒng)能量流向示意圖

1.2 其他工況模式

1）低功耗待機工況

低功耗待機工況下，軸帶變頻模塊處于帶電就緒狀態(tài)，推進輸出功率為0。此時無人艇主要負載為日用負荷以及部分航行負載。根據(jù)動力電池容量剩余度，可分為2種供電模式：一種是電池電量充足的情況下，可以采用動力電池提供全艇用電模式；另一種是若電池電量到限制容量（限制值可設定），則切換至單臺柴油發(fā)電機組供電模式。

2）停泊工況

停泊工況下，無人艇停靠在碼頭。此時可通過碼頭交流岸電箱為無人艇供電，通過無人艇交流電網(wǎng)為直流電網(wǎng)進行供電，然后通過電池充放電控制模塊進行電池充電管理，無需在碼頭配置電池專用充電樁，減少了碼頭的改造成本。

能量管理系統(tǒng)可以控制電池充放電控制模塊對動力電池進行健康充電管理，充分延長動力電池的使用壽命；同時監(jiān)測電池充電過程中的實時狀態(tài)，進行充電保護管理，提升設備安全性。

2 混合動力系統(tǒng)控制設計

2.1 混合動力系統(tǒng)控制策略

本文混動控制采用邏輯控制策略，針對電池剩余容量、航速需求，設置門限值，保證滿足本艇工況的情況下，將發(fā)動機工作點限制在高效區(qū)間內(nèi)。以電機作為系統(tǒng)的“靈活因素”，在低負荷時代替發(fā)動機工作，較高負荷時以發(fā)電機方式運行以提高發(fā)動機負荷，使發(fā)動機始終工作在效率較高的區(qū)間內(nèi)。

本文中主柴油機和動力電池有四種工作狀態(tài)可供選擇，不同的工作模式對應不同的主柴油機狀態(tài)和動力電池狀態(tài)，其對應關(guān)系見表1所示。

表1 主柴油機與動力電池工作狀態(tài)

根據(jù)柴油發(fā)動機的工作特點和混合動力系統(tǒng)的運行規(guī)律，在何種條件下執(zhí)行何種模式，每種模式下柴油機和電機輸出功率各占多少、在轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速平面上處于哪個工作點，是控制策略所要解決的問題，如圖4所示。

圖4 基于控制策略的混合動力系統(tǒng)圖

針對無人艇航行規(guī)則設定：以SOC、航速為變量劃分區(qū)塊，決定電機、柴機的功率分配，根據(jù)需求航速決定模式的切換。

當無人艇處于水下低速航行時，航速低于某限值且SOC高于30%，電池單獨驅(qū)動；

當無人艇處于水面提速航行時，SOC低于30%，主柴油機單一驅(qū)動，并提供額外的轉(zhuǎn)矩給電機，此時主柴油機負荷足，工作條件好，燃油經(jīng)濟性高，電機以發(fā)電方式工作，并采用恒流模式給電池組充電；SOC大于85%，主柴油機單一驅(qū)動，主柴油機額定功率較大，采用恒壓限流給電池組充電至SOC達到100%后停止充電。

當無人艇處于水面高速航行時，SOC大于30%，電機、柴油機聯(lián)合驅(qū)動；當電量不足時，這一模式不能實現(xiàn)。

當航速處于低速與中低速時或電量均處于中等水平時，系統(tǒng)保持原有工作模式不變，避免頻繁切換引起的損耗。

圖5 主柴油機與動力電池的工作狀態(tài)切換

工作狀態(tài)切換取決于無人艇負載條件和動力電池電量儲備，可以根據(jù)一定的邏輯規(guī)則自動選擇，如圖5所示。

2.1 混合動力系統(tǒng)控制方案

1）動力電池單一驅(qū)動功能

混合動力控制柜應在外部指令給定純電動模式工況下，實現(xiàn)無人艇純電池動力驅(qū)動的功能如圖6所示。

圖6 動力電池單一驅(qū)動功能

當遙控系統(tǒng)給定水下航行任務時，混合動力控制柜控制模式切換為純電動驅(qū)動模式，軸發(fā)變頻器運行模式處于電機模式。

混動控制器接收本地或遙控控制啟停指令，接收到啟動指令后，首先啟動齒輪箱滑油泵，滑油泵啟動并確認油壓建立后，可啟動軸帶變頻器控制軸帶電機跟隨轉(zhuǎn)速給定指令進行功率輸出。

純電動驅(qū)動模式下，應實時判斷電池電量以及電池輸出電壓，當電池電量低情況下，應限制輸出功率，當電池電量過低時，應停止軸帶變頻器并禁止啟動。

2）主柴油機單一驅(qū)動功能

當無人艇處于水面提速航行狀態(tài)時，混合動力控制柜應在外部指令給定主機推進模式工況下，實現(xiàn)無人艇主機動力驅(qū)動的控制功能如圖7所示。

當遙控系統(tǒng)給定主機模式時，混合動力控制柜控制模式切換為主機驅(qū)動模式，當工況切換完畢后，軸發(fā)變頻器運行模式切換為軸帶發(fā)電模式。

圖7 主柴油機單一驅(qū)動功能

混動控制器接收到本地或遙控控制啟停指令后，啟動推進主機，隨后控制齒輪箱主機側(cè)離合器合排，合排后主機可根據(jù)遙控指令進行轉(zhuǎn)速輸出。主機驅(qū)動模式下，主機富裕功率通過軸帶驅(qū)動變頻器進行軸帶發(fā)電，一方面提供逆變電源直流供電，另一方面為電池進行儲能。

3）主柴油機與動力電池聯(lián)合驅(qū)動功能

當無人艇處于水面高速航行狀態(tài)時，混合動力控制柜處于主機驅(qū)動模式及軸發(fā)變頻器運行模式處于電機模式，如圖8所示，動力電池采用冗余電源設計，增強了無人艇在全速航行模式下的供電連續(xù)性，提升無人艇航行安全性。動力電池一方面給逆變電源供電用于無人艇交流負載用電，另一方面可作為在網(wǎng)柴油發(fā)電機組的供電熱備電源，避免軸發(fā)電動/發(fā)電機故障切換機組時所帶來的短時失電，增強了系統(tǒng)的供電連續(xù)性，提高了航行的安全性。

圖8 主柴油機與動力電池聯(lián)合驅(qū)動功能

3 仿真驗證

為了驗證上述分析的正確性，在Matlab軟件中對混合動力系統(tǒng)進行了建模仿真，如圖9所示。

圖9 混合動力系統(tǒng)仿真模型

其中電池組選用277 Ah磷酸鐵鋰電池，截止電壓670 V，SOC為70%，額定電壓650 V，能量容量為175 kWh。柴油機1 350馬力，電機額定功率100 kW，輸入為三相交流電壓400 V，頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)速1 500 rpm。另有負載及逆變電源，電壓650 V，工作電流20 A。

1）PTO（發(fā)電機模式）工作模式仿真

直流電抗器電感量為200 mH，直流母線電壓650 V，充電電流30 A，負載電流20 A。

如圖10所示，電機處于發(fā)電狀態(tài)，充電電流29 A，紋波電流小于4 A，母線電壓紋波小于1 V。

圖10 電機PTO發(fā)電模式電流變化曲線

2）PTO模式到停機狀態(tài)

如圖11所示，電機由PTO模式轉(zhuǎn)為PTI（電動機模式）模式需先停機，再進行模式切換，電機停機后，電池由充電30 A，轉(zhuǎn)為20 A放電，為負載提供電能。電流在0.05 s內(nèi)有40 A波動。

圖11 電機由PTO模式轉(zhuǎn)為停機狀態(tài)電流變化曲線

4 結(jié)論

本文通過對多航態(tài)無人艇混合動力系統(tǒng)進行設計和仿真分析可知，水下低速巡航工況下，無人艇由電力推進模式驅(qū)動，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保、零排放、高隱身性的目的；水面提速航行工況下，使用柴油機動力模式，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少，系統(tǒng)可靠性最高，并且從低速加速至中高速過程中僅由柴油機直接加速，不存在復雜的驅(qū)動模式組合，避免了加速過程中的遲頓；水面高速航行工況下，系統(tǒng)輸出最大功率，機電深度混合，系統(tǒng)較為復雜，并且柴油發(fā)電機組、動力電池系統(tǒng)相互冗余，供電冗余性高；系統(tǒng)的動力源依次根據(jù)推進功率變換而依次進行組合，確保從每個模式切換至下一個模式時，系統(tǒng)的功率儲備裕量，以此提高系統(tǒng)燃油經(jīng)濟性，提升系統(tǒng)效率。

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Design of hybrid power system for multi-navigation unmanned craft

Kuang Shulong, Yang Yipeng, Qiu Changqing, Li Peng

（Key Laboratory of Marine Integrated Power Technology, Wuhan 430064, China）

U664.82

A

1003-4862（2021）05-0060-05

2021-11-05

匡曙龍（1994-），男，助理工程師。研究方向：無人動力系統(tǒng)。E-mail：kuangshulong@163.com