船用油电混合动力系统应用浅析

柴经纬

摘要：随着环保需求的不断扩大，船舶EEDI第二、三阶段碳排放要求日益严格，混合动力系统凭借其良好的操控性能、较高的动力转化效率、较低的排放费用消耗而备受关注，成为未来的发展方向之一。文章从船用混合动力系统的发展和现状出发，逐步阐述其运行模式和优势所在。关键词：混合动力船舶;技术应用;节能减排

0引言

自2019年1月1日起，船舶在环渤海湾、华东沿海、华南沿海等排放控制区内所有港口靠岸停泊期间需使用硫含量≤0.5%的燃油。自2020年1月1日起，航行于全球国际海域的船舶不得使用含硫含量超过0.5%的燃油，禁止国际航行船舶运载不符合标准的燃料油。同时，国家提出“蓝天保卫战”计划，环保政策更趋严格，国内沿海ECA将执行船舶燃油0.1%的含硫量限定。国内外政策形势使得新能源在船舶上的应用迫在眉睫。同时，燃料油在今后相当长的时期内仍将是船用能源的主流，与此同时电推技术在工程船、公务船等特种船和LNG船上的应用成熟，已经逐步向小型普通商船推广，尤其在装机容量小、用电设备多的船型上得到显著发展，油电混合动力技术已形成代际发展，积累了可观的样本数据。国内储能装置的行业发展已经取得国际领先，技术发展日趋成熟，实船应用得到国家政策支持。上述条件为油电混合动力在远洋船上的应用发展和节能减排带来更大的想象空间。

1行业发展及现状

最早的船用混合动力系统是在20世纪70年代出现的轴带发电机基础上发展而来，通过闭合轴带电机与齿轮箱之间的离合器，将推进柴油机发出的多余能量通过轴带发电机转换成电能输出至交流电网中，供其他设备使用;当在某些工况下需要使用电力推进负载时，闭合辅助电机与轴带电机之间的离合器，通过辅助变频器带动辅助电机加速至额定转速，从而带动轴带电机加速至额定转速，再并入船用电网，完成一个启动过程，然后再从交流电网取电供轴带电机使用，实现轴带电机的电动功能。

20世纪90年代，随着大功率全控型器件及模块的出现，数字信号处理器的广泛应用和脉宽调制技术的迅速提高，使混合动力系统也有了很大进步，产生了基于变频轴带的混合动力系统，该系统中的轴带电机不再被限制在相对恒速状态，而是采用变频器调节将恒频恒压的交流电压转化成变频变压信号用于调节轴带电机转速，使轴带电机可以在变速状态下运转。对于装有定距桨的船只，航速通过螺旋桨转速调节，无法使用基于常规轴带的混合动力系统，但采用基于变频轴带的混合动力系统则可以通过轴带电机的转速控制来实现与主机联合推进的形式，从而实现经济环保的运行模式。同时，对于配定距桨的轴带发电工况，由于变频装置可实现变速恒频的控制功能，轴带电机也可工作在变速状态，从而系统也适用于定距桨轴系。

近几年来，随着电池技术的飞速发展以及节能减排政策的需求，船舶的动力系统发展也产生一些变革，与传统动力船舶相比，电驱动模式下的船舶在控制排放污染、噪声污染等方面拥有得天独厚的优势。根据瓦锡兰相关资料，同等规格船舶，混合动力将节省油耗10%-20%/年，不同类型的替代能源模式，将会有更高的节省油耗潜力。在多种储能单元中，锂离子电池和超级电容器应用于船舶电力推进系统中的前景被看好。目前，在欧美等地区，已有采用纯电池作为船舶动力源的船舶，如挪威Ample号纯电池渡船，在国内也有已在运行中的500吨级纯电动驱动内河航运货船。但是由于目前锂离子电池容量有限，完全采用纯电池作为动力源驱动中大型船舶航行还不现实。同时现有的锂离子电池使用寿命为8-10年，而超级电容可以不低于船舶的设计寿命，因此利用超级电容作为储能单元的船舶混合动力系统成为发展趋势。

2油电混合动力运行模式

油电混合动力系统一般包括柴油发电机组、配电柜、主机、轴带发电机、齿轮箱、轴带变频器及其控制系统、储能系统（电池组或超级电容组及其控制系统）和电池，电容管理系统等。混合动力工作模式主要有3种：

Fro模式（Power take off轴带发电模式），轴带发电机自主机轴获取能量，向储能系统输入能量，如图1所示。

PTI模式（Powertakein轴带电动联合驱动模式），轴带发电机由储能系统获取能量向主机轴输入能量，如图2所示。

PTH模式（Power take me home轴带电动单独驱动模式），在此模式下，主机处于故障或失效的状态，由储能系统向轴带发电机输入能量，轴带发电机代替主机带动轴系，推动船舶运行。同时，由于轴带发电机功率较小，无法推动船舶全速前进，只能慢慢把船带离事故地点或靠泊靠港。同时，此模式可以由储能系统向柴油发电机组输入能量，启动船用设备，保证在装卸货过程中工作不中断，如图3所示。

加入储能系統的混合动力船舶，除了在上述3种工作模式中，还可以在停泊靠岸时使用岸电充能，如图4所示。

船用油电混合动力的大容量电池，电容管理系统BMS（Battery Management System），有效管理和控制万级以上能量单元及其串并联模组，在高电压、大电流的工况下准确、安全、可靠地工作，并使能量利用最大化。采用主动均衡技术，通过测量电池参数实施主动均衡，使每个单体、模组能量都基本保持一致，在此基础上实时估算电池状态并实施管理。通过电能管理系统的控制，在负载发生变化时，利用储能系统动态吸收船舶运行过程中突变的能量，以保证主机和柴发机组的平稳运行。

3油电混合动力船运行优势

油电混合动力船舶在兼具常规动力船舶和纯电动船舶优点的同时，相比于常规动力船舶，能够凭借能量管理系统作为“大脑中枢”进行整体性能量和功率需求分析，制定系统控制策略和能量管理实施方案。可根据负荷和功率的需求选择不同驱动模式，增加了自由选择度，确保所有工况下的船舶航行的动力性，能提高燃油效率、降低排放、优化操纵性能。当发动机最优工作功率高于负载需求功率时，多余功率通过电机转化为电能存储于储能设备中;反之，则使用储能设备中存储的电能驱动电机，与内燃机共同驱动螺旋桨。于是，内燃机便可在更多情况下工作在最优或接近最优的区间。其次，由于储能系统中存有能量，可以支持负载在短时间内脱离内燃机独立工作，在有极端要求时对动力进行补充，因此在港口、码头或其他有特殊要求的水域，可以只用储能系统进行推进，关掉内燃机、静音运行、实现零排放，从而为混合动力系统配备提供更多的可能性。

4结语

油电混合船舶动力系统具有很强的发展潜力和发展优势，虽然目前储能单元价格偏高，但是其可以在船舶运营中明显减少燃料油的消耗和碳排放。随着大容量电池和超级电容技术不断发展，制造成本持续降低，混合动力船舶将成为未来船舶发展的重要方向之一。