黃 興 石 磊 衛(wèi) 衛(wèi)

（1.海軍駐上海地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室 上海201108；2.海軍駐上海七一一所軍事代表室 上海201108；3.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

隨著對海洋環(huán)境的重視及全球海洋戰(zhàn)略的深入推進，排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，如何推進船舶的節(jié)能減排已迫在眉睫。節(jié)約船舶航行成本、減少船舶排放和降低其對于不可再生能源的依賴一直以來是船舶發(fā)展的重要研究熱點。隨著電池技術(shù)的不斷進步及電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新型現(xiàn)代混合動力船舶成為解決節(jié)能減排問題的熱門方向［1-2］。

混合動力船舶是指配備了兩種或兩種以上動力源的船舶。新型現(xiàn)代混合動力船舶不同于古代風(fēng)帆與人力混合驅(qū)動以及近代風(fēng)帆與蒸汽輪機共同驅(qū)動，它是通過傳動裝置耦合柴油機（氣體機）與電機來驅(qū)動，或者具有一種以上電力來源（如柴油機發(fā)電、氣體機發(fā)電、燃料電池、太陽能、風(fēng)電、鋰電池、超級電容等）的電動機來驅(qū)動［3］。混合動力船舶具有節(jié)約不可再生能源消耗，提高航運經(jīng)濟性，減少廢氣排放和機械振動，適應(yīng)多工況運行的特點［4］。目前，混合動力推進已在作業(yè)船、渡船、拖船、大型游輪、近海鉆井平臺以及軍事艦船等領(lǐng)域進行廣泛應(yīng)用［5］。

1 船用混合動力系統(tǒng)發(fā)展歷程

最早的船用柴電混合動力系統(tǒng)是在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的軸帶發(fā)電機基礎(chǔ)上發(fā)展而來［6］，其原理圖如圖1所示。當(dāng)負(fù)載較小時，為維持推進柴油機最優(yōu)工作工況，通過閉合軸帶電機與齒輪箱之間的離合器，將推進柴油機發(fā)出的多余能量通過軸帶發(fā)電機轉(zhuǎn)成電能輸出至交流電網(wǎng)中，供其他負(fù)載使用；當(dāng)在某些工況下需要使用電力推進負(fù)載時，閉合輔助電機（Pony-motor）與軸帶電機之間的離合器，通過輔助變頻器帶動Pony-motor加速至額定轉(zhuǎn)速，從而帶動軸帶電機加速至額定轉(zhuǎn)速，再并入船用電網(wǎng)，完成一個啟動過程，然后再從交流電網(wǎng)取電供軸帶電機使用，實現(xiàn)軸帶電機的電動功能。這是最早的柴電混合動力系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于船舶低速航行時節(jié)能，但僅限于具有可調(diào)槳，目前我國航行于渤海海峽和近海的滾裝客船多屬于這種類型［7］。該系統(tǒng)的缺點在于軸帶電機本身不可調(diào)速，需利用齒輪箱和可調(diào)槳等機械裝置進行速度調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速差異較大時，機械變速裝置的容量將受到限制，故其應(yīng)用范圍也受到制約［8］。

圖1 基于常規(guī)軸帶發(fā)電的船舶混合動力系統(tǒng)

20世紀(jì)90年代后期，隨著大功率全控型器件及模塊的出現(xiàn)，數(shù)字信號處理器的廣泛應(yīng)用和脈寬調(diào)制技術(shù)的迅速提高，使混合動力系統(tǒng)也有了很大進步，產(chǎn)生了基于變頻軸帶的混合動力系統(tǒng)，如下頁圖2所示。該系統(tǒng)中的軸帶電機不再被限制在相對恒速狀態(tài)，而是采用變頻器調(diào)節(jié)將恒頻恒壓的交流電壓轉(zhuǎn)化成變頻變壓信號用于調(diào)節(jié)軸帶電機轉(zhuǎn)速，使軸帶電機可以在變速狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。對于裝有定距槳的船只，航速通過螺旋槳轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，無法使用基于常規(guī)軸帶的混合動力系統(tǒng)，但采用基于變頻軸帶的混合動力系統(tǒng)則可以通過軸帶電機的轉(zhuǎn)速控制來實現(xiàn)與主機聯(lián)合推進的形式，從而實現(xiàn)經(jīng)濟環(huán)保的運行模式［9］。同時對于配定距槳的軸帶發(fā)電工況，由于變頻裝置可實現(xiàn)變速恒頻的控制功能，軸帶電機也可工作在變速狀態(tài)，從而系統(tǒng)也適用于定距槳軸系。該混合動力系統(tǒng)的特點即為適用性廣，能有效降低燃油滑油成本，減少維護成本等。在國內(nèi)基于變頻軸帶的混合動力系統(tǒng)被廣泛使用，如粵海鐵火車渡輪、5 000噸級公務(wù)船、海港711拖輪等均采用該混合動力系統(tǒng)。

圖2 基于變頻軸帶的船舶混合動力系統(tǒng)

近幾年來，隨著電池技術(shù)的飛速發(fā)展以及節(jié)能減排政策的需求，混合動力船舶的發(fā)展也產(chǎn)生一些變革，基于儲能系統(tǒng)的船舶混合動力系統(tǒng)應(yīng)運而生（如圖3所示）。該混合動力系統(tǒng)采用共直流母排及一機雙槳模式，當(dāng)船舶正常運行時，采用主機推進螺旋槳工作，使主機工作在最佳能耗點；當(dāng)船舶拐彎時，左推進制動、右推進加速，左推進的制動能量通過軸帶系統(tǒng)回饋至直流母排，通過直流母排將多余的能量提供給右推進的軸帶系統(tǒng)用來補充右推進加速所需的能量；當(dāng)船舶制動時，左右兩側(cè)推進的能量均回饋至直流母排，儲能系統(tǒng)將多余的能量儲存起來；當(dāng)船舶工況突變時，儲能系統(tǒng)可以快速提供或吸收推進能量，防止負(fù)載擾動對推進系統(tǒng)的影響；當(dāng)船舶低工況運行時，關(guān)閉主機，直接采用軸帶電機推進，可以有效節(jié)約能源，提高主機的運行效率［10］。

圖3 基于儲能系統(tǒng)的船舶混合動力系統(tǒng)

對比混合電動汽車發(fā)展的三個類型串聯(lián)式、并聯(lián)式及混聯(lián)式［3］，如下頁圖4所示，基于儲能系統(tǒng)的船舶混合動力系統(tǒng)工作形式與混合電動車中最具優(yōu)勢的混聯(lián)式原理基本一致，混聯(lián)式的優(yōu)勢在于集合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點，起步和低速段采用純電動和串聯(lián)模式，充分利用串聯(lián)的優(yōu)點；在經(jīng)濟時速段采用發(fā)動機直接驅(qū)動模式，沒有電能轉(zhuǎn)換損失和傳動損失，發(fā)動機工作在最佳工作區(qū)，效率高；在惡劣海況等特殊工況下，采用混合驅(qū)動模式，在保證動力性的同時兼顧系統(tǒng)效率［11-13］。

圖4 混合動力電動車分類

與電動汽車下一步全面純電動的發(fā)展趨勢不同，船舶行業(yè)由于其續(xù)航力及運行安全性要求，短期內(nèi)不可能完全放棄石化能源，最大限度提高石化能源利用率，減少排放才是船舶行業(yè)的發(fā)展方向。因此基于儲能系統(tǒng)的船舶混合動力系統(tǒng)是目前為止最具優(yōu)勢和潛力的船舶動力系統(tǒng)形式，兼具動態(tài)性能優(yōu)、驅(qū)動性強與節(jié)能佳等優(yōu)勢，符合船舶運行的各種需求，是未來船舶發(fā)展的趨勢之一。

2 混合動力系統(tǒng)的典型構(gòu)架及運行模式

基于儲能系統(tǒng)的混合動力船舶的典型構(gòu)架如圖5所示，包括柴油發(fā)電機組、配電柜、主機、軸帶發(fā)電機、齒輪箱、軸帶變頻器及其控制系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)（電池組或超級電容組及其控制系統(tǒng)）和電能管理系統(tǒng)等，其中混合動力系統(tǒng)中的軸帶變頻器、儲能系統(tǒng)及電能管理系統(tǒng)與常規(guī)船舶相比具備一定的特殊性。

圖5 基于儲能系統(tǒng)的混合動力船典型構(gòu)架（PTI模式）

軸帶變頻器能在變速情況下提升直流電壓，同時滿足怠速-額定速度范圍內(nèi)均能持續(xù)穩(wěn)定輸出功率，具備與電網(wǎng)長期并網(wǎng)的功能，并在發(fā)生短路故障時維持持續(xù)短路電流支持系統(tǒng)選擇性保護。

儲能系統(tǒng)由電池或超級電容組成，通過雙向DC等設(shè)備連接至電網(wǎng)中，具備智能充放電管理功能，并能快速動態(tài)響應(yīng)。

電能管理系統(tǒng)需綜合考慮各子系統(tǒng)的特點以及相關(guān)國家的法律要求，例如：電動機響應(yīng)快，低速時輸出扭矩大；主機響應(yīng)慢，最佳工作點耗油低；儲能系統(tǒng)響應(yīng)快，便于快速吸收和釋放能量；某些情況下要求系統(tǒng)靜音、零排放工作，從節(jié)能和電網(wǎng)安全方面提出相關(guān)控制策略。［14］

混合動力船舶的運行工作模式有三種：PTO（Power take off）、PTI（Power take in） 和 PTH（Power take me home）。其中，PTO是指軸發(fā)自主機軸獲取功率向船舶電網(wǎng)輸出的模式，即發(fā)電機模式，這是軸發(fā)的基本工作模式。PTI是指軸發(fā)由船舶電網(wǎng)獲取功率向主機軸輸入的模式，即電動機模式。此種模式下，自船舶電網(wǎng)獲取的功率將用于推進，通常是指軸發(fā)電機協(xié)助主機推進。PTH是PTI的一種特殊形式。在該模式下，主機處于故障或失效狀態(tài)，軸發(fā)代替主機來推進。由于軸發(fā)通常功率較小，因此PTH模式下，推進功率不足以保證船舶正常航行，只能維持把船慢慢“帶回家”的水平。

加入儲能系統(tǒng)的混合動力船舶，在上述三種工作模式中，還將通過電能管理系統(tǒng)的控制，在負(fù)載發(fā)生變化時，利用儲能系統(tǒng)動態(tài)吸收船舶運行過程中突變的能量，以保證主機和柴發(fā)機組的平穩(wěn)運行。

3 儲能系統(tǒng)在混合動力船舶中的優(yōu)勢

儲能系統(tǒng)引入到船舶中，能有效解決船舶運行過程中頻繁的負(fù)載擾動給推進系統(tǒng)性能帶來的重大影響［15］。同時，儲能系統(tǒng)的加入能提高燃油效率、降低排放、優(yōu)化操縱性能。儲能系統(tǒng)在混合動力船舶中，一般通過以下三個方面來體現(xiàn)其優(yōu)勢：

首先，如圖6所示為某臺內(nèi)燃機的萬有特性曲線。從圖中可以看出，內(nèi)燃機的高效工作區(qū)間比較狹窄，通常只局限于額定轉(zhuǎn)速附近區(qū)間、中高負(fù)荷的狹小范圍。而在船舶正常運行過程中，柴油機常在低負(fù)荷區(qū)域運轉(zhuǎn)，當(dāng)加速、減速或

者惡劣海況時，動態(tài)油耗會進一步升高，因此整體運行效率就比較低。儲能系統(tǒng)起到了“削峰填谷”的作用。當(dāng)發(fā)動機最優(yōu)工作功率高于負(fù)載需求功率時，多余功率通過電機轉(zhuǎn)化為電能存儲于儲能設(shè)備中；反之，則使用儲能設(shè)備中存儲的電能驅(qū)動電機，與內(nèi)燃機共同驅(qū)動螺旋槳。于是，內(nèi)燃機便可在更多情況下工作在最優(yōu)或接近最優(yōu)的區(qū)間。

圖6 內(nèi)燃機萬有特性曲線

其次，由于儲能系統(tǒng)中存有能量，可以支持負(fù)載在短時間內(nèi)脫離內(nèi)燃機獨立工作，在有極端要求時對動力進行補充，因此在港口、碼頭或其他有特殊要求的水域，可以只用儲能系統(tǒng)進行推進，關(guān)掉內(nèi)燃機、靜音運行、實現(xiàn)零排放，從而為混合動力系統(tǒng)配備提供更多的可能性。圖7為Foss Maritime SoCal公司從某拖輪實船獲取的工作工況記錄，從圖中可以看出，拖輪大部分時間工作在20%負(fù)載以下，而常規(guī)的工作設(shè)定點是在80%負(fù)荷附近。引入儲能系統(tǒng)后，通過儲能系統(tǒng)、柴發(fā)機組以及主機的配合，可以設(shè)定多個工作點（如圖7中綠圈所示），在這幾個工作點均具有較優(yōu)的能耗水平。

圖7 典型拖輪工作工況

除此之外，儲能系統(tǒng)的存在還可以實現(xiàn)能量回收，從而快速制動，縮短船舶制動距離。當(dāng)船舶降速制動時，不像傳統(tǒng)船舶無法回收多余能量只能依靠慣性停船，也不像電力推進船舶中通過添加制動單元來消耗制動產(chǎn)生的多余能量，混合動力船舶由于儲能系統(tǒng)的存在，可以實現(xiàn)快速降速，多余的機械能通過能量回饋存儲在儲能系統(tǒng)中，在提升船舶操縱性的同時，有效回收能量。［17］

4 混合動力船舶中儲能系統(tǒng)的技術(shù)方向及技術(shù)要點

混合動力船舶中的儲能系統(tǒng)與混合動力汽車及大電站的儲能系統(tǒng)都有很大區(qū)別，具有大功率、大容量且波動性較強的特點，同時對于體積質(zhì)量需要嚴(yán)格控制。［18］

目前混合動力船舶中應(yīng)用的儲能系統(tǒng)主要以鋰電池或蓄電池為代表的能量型儲能和以超級電容為代表的功率型儲能兩種方式。由于單一的能量型或功率型儲能系統(tǒng)均無法兼顧混合動力船舶電力系統(tǒng)中瞬時大功率需求及持續(xù)穩(wěn)定工況用電需求，目前研究方向逐步趨向于采用鋰電池/超級電容混合儲能系統(tǒng)，核心問題是解決儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置和協(xié)調(diào)控制等。

4.1 容量優(yōu)化配置問題

為滿足船舶電網(wǎng)需求，同時滿足體積質(zhì)量成本等限制，如何協(xié)調(diào)配置能量型與功率型儲能元件的優(yōu)化配置問題就顯得至關(guān)重要。目前的研究通常從不同運行模式下的容量優(yōu)化配置和不同優(yōu)化策略下的容量優(yōu)化配置兩方面進行研究與考慮。

不同運行模式下的容量優(yōu)化配置，主要是從離網(wǎng)運行和并網(wǎng)運行兩個角度開展。離網(wǎng)條件即純電池船舶主要考慮的是船舶電網(wǎng)中發(fā)電負(fù)荷平衡，大多以負(fù)荷缺電率為約束而展開計算與研究，降低了對于能量溢出的關(guān)注。并網(wǎng)條件即混合動力船舶主要從經(jīng)濟性和抑制功率波動兩個方面進行優(yōu)化，主要考慮儲能系統(tǒng)與主供電的能量流動，及電網(wǎng)中各單元相互間的能量流動。

不同優(yōu)化策略下的容量優(yōu)化配置，主要從優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化方法兩個方面展開。針對優(yōu)化目標(biāo)主要分為單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化，比如是以單一價格最優(yōu)進行優(yōu)化，還是兼顧價格、體積、質(zhì)量、最大充放電能力作為目標(biāo)優(yōu)化。針對優(yōu)化方法問題的研究主要包括以下幾種優(yōu)化方法：迭代法、解析法和智能優(yōu)化算法等。

4.2 協(xié)調(diào)運行控制技術(shù)

儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行控制技術(shù)包括兩方面，一方面是能量型與功率型儲能系統(tǒng)的匹配控制環(huán)節(jié)，另一方面是變流設(shè)備的運行控制環(huán)節(jié)。

針對能量型和功率型儲能系統(tǒng)的匹配控制其核心為短時間尺度的功率分配，通常分為兩類：一是基于低通濾波的協(xié)調(diào)控制策略，該策略是根據(jù)儲能介質(zhì)響應(yīng)特性的不同來進行功率分配，即先將經(jīng)過低通濾波后的實時功率值根據(jù)響應(yīng)頻段來分配，再根據(jù)儲能介質(zhì)的剩余電量進行分配功率的修正。二是基于滑動平均的協(xié)調(diào)控制策略。該策略是通過調(diào)節(jié)滑動平均算法的滑動平均窗口寬度或加權(quán)系數(shù)，達到平滑輸出的目的。

變流設(shè)備作為儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)中提供能量支撐和抑制能量波動的核心設(shè)備，其與儲能系統(tǒng)的匹配運行控制程度對整個船舶電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)態(tài)特性都有直接影響。目前，儲能系統(tǒng)變流設(shè)備的控制算法主要有線性PID控制、重復(fù)控制、自適應(yīng)控制和智能控制。［19］

5 混合動力船舶的應(yīng)用

國外（尤其是歐洲）的船舶技術(shù)相對比較先進，環(huán)保理念也更超前，基于儲能系統(tǒng)的混合動力船舶發(fā)展和應(yīng)用較早［16］，世界上第一艘混合動力拖輪“Carolyn Dorothy”號混合動力拖輪于2009年11月交船，實船圖如下頁圖8所示。其船長23.77 m、船寬10.36 m，服務(wù)于美國長灘和洛杉磯港，主動力為2臺Cummins QSK50柴油機，每臺額定功率1 342 kW+2臺Cummins QSM11型柴油發(fā)電機組，每臺額定功率300 kW；配備了兩組0.5 MW h（總計1 MW h）的鉛酸電池；該船擁有 5 000 hp（1 hp= 0.735 kW） 的強勁動力，具有綠色環(huán)保，低噪聲航行等優(yōu)越性能。

2013年，一艘當(dāng)時最大的混合動力渡船在德國與丹麥兩國之間交付，實船圖如圖9所示。該船長142 m、寬25.4 m、船速為18.5 kn、設(shè)計載客數(shù)為1 140人，載車354輛。主動力配置了4臺Mak的8M32主機+1臺MAN的6L32/44CR主機，總功率達17 440 kW；總共配置了2.6 MW h的三元鋰電池。采用基于鋰電池的混合動力系統(tǒng)后，大幅度提高了發(fā)動機效率，從而減少溫室氣體排放量，降低維護成本且大幅度降低燃料成本。

2015年2月，在荷蘭交付了一條配備有1 MW h三元鋰電池的混合動力豪華游艇“Savannah”（薩凡納）號，參見圖10。該船長83.5 m、寬12.5 m，可以搭載10名乘客+26名船員。主動力配置了1臺瓦錫蘭 9L20柴油機，額定功率1 800 kW +1臺卡特彼勒C32型柴油發(fā)電機組+2臺卡特彼勒C18型柴油發(fā)電機組。這樣的混合動力不僅可節(jié)省30%燃料使用，且操縱更為靈活，乘客也感覺更舒適。

圖8 “Carolyn Dorothy”號混合動力拖輪

圖9 “Prinsesse Benedikte”號渡輪

圖10 “Savannah”號混合動力游艇

2017年，挪威在首艘采用電池混合動力的近海平臺補給船“Viking Princess”號上已經(jīng)完成了一種混合能源系統(tǒng)的安裝（參見下頁圖11），這是世界上第一艘配備電池技術(shù)的海上船只。船上原本裝有4臺LNG發(fā)動機，經(jīng)改裝后，儲能系統(tǒng)取代了其中一臺發(fā)動機，不僅能提供需要的功率，而且工作性能更為穩(wěn)定，每年能實現(xiàn)CO2減排13%～18%。

國內(nèi)的混合動力船舶以基于變頻軸發(fā)的混合動力系統(tǒng)為主，如由中船重工七一一所提供動力系統(tǒng)集成的粵海鐵火車渡輪、5 000噸級公務(wù)船、12 500載重噸MPV船、“海港711”拖輪等。以2016年末交付的12 500載重噸級多用途重吊船為例（參見圖12），該船首次裝載了混合軸帶系統(tǒng)，包括500 kW軸帶變頻及軸帶發(fā)電機，是目前重吊領(lǐng)域最先進的環(huán)保節(jié)能型船舶。而“海港711”拖輪，則采用雙機雙槳配置，配備兩套軸帶混動系統(tǒng)，可工作于PTO 、PTI兩種模式，有效提升動力系統(tǒng)靈活性，降低船舶能耗。通過應(yīng)用混合動力系統(tǒng)，船舶可以有效提高燃油效率、降低燃油滑油成本、減少維護成本。

隨著電池技術(shù)的發(fā)展及環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，國內(nèi)也開始研究應(yīng)用基于儲能系統(tǒng)的混合動力系統(tǒng)。2018年7月，首艘入級CCS的電池混合動力游船——“寰島云帆”號在太湖順利通過試航，如圖13所示。該船為鋼制雙體船型，總長22.51 m、型寬9.0 m、型深2.45 m，最大航速9.3 kn，載客80人。該船為滿足三亞海域抗臺風(fēng)時需要具有自持力持續(xù)航行至避風(fēng)港，以及在異地避風(fēng)期間不能?？看a頭充電的特殊需求，量身定制了純電池、油電及電池/油電混合動力三種模式系統(tǒng)，可滿足全年所有情況的使用要求。

圖11 “Viking Princess”號近海平臺補給船

圖12 12 500載重噸級多用途重吊船

圖13 “寰島云帆”號游船

以電池等儲能系統(tǒng)為動力的推進系統(tǒng)，在國外已廣泛應(yīng)用于小型船舶的設(shè)計，而在國內(nèi)尚處于起步階段，需快速跟進與發(fā)展。大型船舶的混合動力解決方案國外目前也尚屬空白，因此在發(fā)展小型船舶的混合動力推進系統(tǒng)同時，加強大型船舶的混合動力解決能力，是現(xiàn)今國內(nèi)各大船舶設(shè)計院、科研機構(gòu)、集成商需要努力與改進的方向。

6 結(jié) 語

基于儲能技術(shù)的混合動力船舶是目前最具優(yōu)勢與潛力的動力系統(tǒng)形式，適用于多種船舶類型，在國外已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，而國內(nèi)尚處于起步階段。預(yù)計2020年后，國內(nèi)混合動力船數(shù)量將顯著增長，并主要應(yīng)用在港作拖輪、海工支持船及渡輪等；至2025年，新建造的商船中將會有很大一部分采取混合動力?；旌蟿恿Υ膬?yōu)勢包括冗余電力、減少噪聲和振動以及減少在港口和沿海居住區(qū)的排放量，這也正是未來船舶的發(fā)展方向之一。