鄭 笑

（上海海事大學 商船學院，上海 201306）

0 引 言

隨著科技不斷發(fā)展，船舶上運用的新型技術(shù)越來越多。船舶混合動力技術(shù)作為一種新型船舶技術(shù)，是船舶未來發(fā)展的方向，能有效緩解當今社會的能源、環(huán)境問題。據(jù)統(tǒng)計，全球航運業(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)嚴峻，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）逐步加強對船舶尾氣排放的限制。未來純電動船舶（即以電力推進系統(tǒng)為主的船舶）將得到大力發(fā)展，但對功率需求較大的船舶來說，現(xiàn)階段大部分純電動船舶的電力推進系統(tǒng)不能提供期望的速度和加速度，續(xù)航能力得不到保障，且電力推進會受到船舶質(zhì)量和空間的限制及能源存儲技術(shù)的影響[2]。在該情況下，研究混合動力電動船舶可為船舶從柴油發(fā)電機組單獨供電過渡到純電動供電提供可行性方案[3]。

目前，將混合動力技術(shù)成功運用到船舶上的案例[4]并不多。一些科研人員已將其有關(guān)混合動力技術(shù)的設想應用到艦船上。例如：2003年，世界上第一艘燃料電池和柴-電混合動力系統(tǒng)潛艇在德國基爾港實現(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)電裝置的混合動力運輸船[6]。該混合動力運輸船配備的光伏發(fā)電裝置最大輸出功率達到160kW，航行工況下所發(fā)的電力會儲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)電時的CO2排放量可減少4%左右[7]。 該運輸船同時配備有柴油發(fā)電機和電力供應系統(tǒng)，當船舶處于停泊狀態(tài)時，可通過光伏發(fā)電來減少尾氣排放。

在以上研究的基礎上，針對小型混合動力游艇設計一種基于蓄電池、柴油發(fā)電機組的并聯(lián)混合動力能源系統(tǒng)，并對整個系統(tǒng)進行仿真分析。

1 系統(tǒng)建模

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

圖1 并聯(lián)混合動力船舶的傳動系統(tǒng)

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

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

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

1) 模型中自左向右的箭頭傳遞的信號代表功率需求或目標轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，該計算路徑被稱為后向計算路徑。船舶運行循環(huán)工況為：根據(jù)目標工況計算出目標船速，將其輸出到船體模塊；目標船速經(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)動機模塊。傳遞過程中，在考慮自身損失、傳動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代表各模塊實際的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，該計算路徑被稱為前向計算路徑。根據(jù)目標船速，發(fā)動機模塊通過查表計算得到其實際輸出轉(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)計算出實際排放量并輸出結(jié)果；同時，發(fā)動機模塊通過箭頭將實際轉(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、傳動比及輸出限制的情況下根據(jù)實際輸入量計算其實際輸出量。船體模塊根據(jù)牽引力和實際船速計算下一步長的數(shù)據(jù)。在整個運行循環(huán)工況的周期內(nèi)，動力傳遞過程持續(xù)循環(huán)進行。

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

為計算船體的阻力，必須對船體進行流體動力學分析。文獻[9]給出一種用來評估船體表面的流體動力性能、計算表面阻力的方法，計算式為

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)速的計算式為

式(2)～式(6)中：VS為船舶的航速，m/s；VA為螺旋槳進速，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。在計算出進速比之后，通過螺旋槳的敞水特征曲線可查得KT和KQ，進而得出螺旋槳的轉(zhuǎn)矩和推力。

1.3 柴油機

建立發(fā)動機模型需考慮最大轉(zhuǎn)矩的限制、發(fā)動機溫度的影響、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)動機的模型[10]。

式(7)～(10)中：P為柴油機功率，kW；T為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，N.m；ω為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，rad/s；Tcor為發(fā)動機修正轉(zhuǎn)矩，N.m；J為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量；C為發(fā)動機的燃油消耗率。

1.4 電池

蓄電池的工作過程可用一個非線性函數(shù)來表示，且與多個實時變化的參數(shù)有關(guān)。作為混合動力推進系統(tǒng)的能量源之一，其能迅速響應負載變化，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。蓄電池可存儲的電荷量是固定的，且在放電時需考慮最小電壓的限制；在要放電時需首先充電。其充電過程受庫倫效率的影響及最大電壓的限制，在整個循環(huán)工況內(nèi)需保證蓄電池組的SOC平衡?？蓪⑿铍姵乜醋魇且粋€可存儲電荷量的、各參數(shù)與其SOC值有關(guān)的等效電路，用一個理想的開路電壓源串聯(lián)一個內(nèi)電阻來表示。蓄電池荷電狀態(tài)SOC的計算式為

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，當電池荷電狀態(tài)SOC保持在0.3～0.7時，可近似認為Rb=Rdis=Rchg。

2 仿真結(jié)果

為驗證設計的并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的實用性及準確性，用 MATLAB/Simulink軟件對該方法進行仿真分析。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”游艇進行仿真；仿真中選用最大功率為260kW的四沖程發(fā)動機，其額定轉(zhuǎn)速為1800r/min；蓄電池組共包含60個電池，單個電池的電壓為12V，電流為26A，設定電池組初始SOC值為0.7。通過對并聯(lián)混合動力下游艇的典型加減速工況的數(shù)據(jù)進行仿真并與單一傳統(tǒng)的柴油機驅(qū)動相比較，得到油耗、電池SOC變化及污染物排放情況對比（見圖4～圖8）。

圖4 油耗對比

圖5 電池SOC變化圖

圖6 HC排放對比

圖7 CO排放對比

由圖4～圖8可知，在同種循環(huán)工況下，相對于以單一柴油機作為動力源的游艇，混合動力游艇的油耗更低，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，一年作業(yè) 365d，柴油價格取5.5元/L。結(jié)合電池的投入成本，使用混合動力系統(tǒng)的游艇相比使用純柴油機的游艇，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排放對比

3 結(jié) 語

本文對采用并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的游艇的模型結(jié)構(gòu)及其各主要部件進行了建模分析，并在MATLAB/Simulink中對游艇的典型工況進行了仿真計算，通過計算機仿真有效驗證了該并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的可行性及正確性。根據(jù)仿真結(jié)果，設計的并聯(lián)混合動力系統(tǒng)可滿足游艇大部分工況的要求，能增強船舶的續(xù)航力、達到節(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，還可對并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的控制策略進行優(yōu)化，使其油耗更少、排放更優(yōu)。

【 參 考 文 獻 】

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