船舶混合动力技术发展趋势分析

郭 涛， 汪 璇， 吴 韩， 王天义

(1.上海船舶工艺研究所， 上海 200032； 2.中远海运重工有限公司， 上海200135)

0 引 言

国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)海上环境保护委员会于2018年4月第72届会议上形成的IMO海运温室气体(Greenhouse Gas， GHG)减排初步战略[1]，包括愿景、目标、减排力度、指导原则、短中长期减排措施等一系列内容，明确国际海运业未来的绿色发展方向，促使船舶低碳技术的进一步发展，对海洋环境保护提出更高要求。可以预测，未来海运行业GHG减排相关措施将会出台，并将越来越严格。

作为世界造船大国和航运大国，我国积极响应IMO的相关决议，通过一系列政策实施及专项行动，推动船舶工业的持续低碳发展。在节能减排和绿色发展的背景下，纯电力推进系统具有经济性佳、零排放等优点，成为目前船舶行业研究的热门技术。但目前纯电动船舶受发电方式、功率密度、蓄能技术和电池容量的限制，动力和续航能力不足，无法满足高速远程航行的要求。而船舶混合动力技术则能够成为经济性、动力性、安全性的最佳折中方式，缓解越来越严格的法规与技术发展不成熟之间的矛盾，成为船舶从传统的内燃机推进向绿色推进的可行性方法。

1 船舶混合动力系统定义与架构

1.1 船舶混合动力系统的定义

混合动力系统是指配备2种或2种以上动力源作为推进动力的系统。目前，船舶混合动力系统主要是指通过发动机和电动机来驱动螺旋桨的动力系统，且电动机一般由发电机组、燃料电池或储能装置等驱动，而储能装置由蓄电池和超级电容器组成。

1.2 船舶混合动力系统的架构

船舶混合动力系统一般包括主发动机、发电机组、齿轮箱、轴带电机、配电柜、变频器及其控制系统等，其具体架构和工作模式视实船具体情况而定，有的混合动力系统还在上述基础上加入储能系统(电池组或超级电容组及其控制系统)。

混合动力船舶的运行工作模式一般情况下有3种：动力输出(Power Take-off, PTO)、动力输入(Power Take-in, PTI)和动力返回(Power Take-home, PTH)。PTO是指通过轴发自主获取动力向船舶电网输出的模式，即发电机模式，这是轴发的基本工作模式。PTI是指轴发由船舶电网获取动力向主机轴输入的模式，即电动机模式，该模式下自电网获取的动力将用于船舶推进。PTH是PTI的一种特殊形式，该模式下主机处于故障或失效状态，轴发代替主机推进，由于轴发通常功率较小，因此该模式下推进动力不足以保证船舶按正常速度航行，只能维持船舶缓慢回岸[2]。

加入储能系统的混合动力船舶，可以通过电能管理系统，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，以保证主机和发电机组的平稳运行；还可以通过电能管理系统的控制，由储能系统向轴发电机提供能量，以协助主机推进。

2 船舶混合动力技术应用现状

2.1 国外船舶混合动力技术应用情况

目前，全球有数十艘已运营及在建的混合动力船舶，其中最为成熟的是油电混合动力系统，已成功投入运营的混合动力船舶主要有拖船、渡船、游艇等类型。

2.1.1 混合动力豪华游艇萨凡纳号

2015年2月，萨凡纳号在荷兰Feadship造船厂交付，这是当年世界上著名的混合动力豪华游艇，其采用单柴油发动机、3台发电机组、储能电池组和先进的机电式推进平台。该艇全长83.50 m，艇宽12.50 m，满载吃水3.95 m。

萨凡纳号的动力系统安装有1台瓦锡兰9L20柴油机、1套卡特彼勒C32型柴油发电机组和2套卡特彼勒C18型柴油发电机组，并配有1 MW·h锂离子电池组[3]。该艇的动力系统可以任意切换3种运行模式，即全柴油动力、柴油电力混合动力和全电力动力；电池组的灵活运用，不仅在急速时能够提供额外的动力支持，而且在任何速度下可实现发电机组的准确加载及在游艇低速游弋时的超静音。该艇的动力系统具有灵活的操控性能，通过适时的模式切换，其燃油经济性可提升约30%。

2.1.2 混合电力渡船特勒斯号

2019年7月，由爱沙尼亚Baltic Workboats船厂承建的瑞典著名的混合电力推进汽车渡船特勒斯号交付瑞典运输管理局。该船长100.00 m，能够搭载约297名乘客和80辆汽车，服务于连接鸟德瓦拉港和吕瑟希尔港的1.80 km航线上。

特勒斯号配有2台电力驱动的吊舱推进装置，分别位于该船的艏艉。其推进主要采用全电动模式，电力推进系统配置有4台Volvo Penta D16 MH发动机、2套带永磁电机和发电机组的混合电力传动装置及1套Corvus Energy公司电池组(总容量为949 kW·h)。

特勒斯号推进装置的动力可以来自电池组，也可以来自船上的4台Volvo Penta D16 MH发动机，这些发动机驱动永磁辅助式同步磁阻电机，可以单独或全部并联驱动，以优化燃料消耗和污染排放。特勒斯号虽然配备4台发动机，但常常只需要1台发动机为航行提供动力，其他3台发动机是备用的，只在恶劣天气和冰环境下才会使用。船上的电池组通常在夜间通过岸上充电站进行充电，也可以在渡船运行时通过船上的发动机进行充电，并且Volvo Penta发动机认可使用氢化植物油(Hydrogenated Vegetable Oil, HVO)燃料，这意味着可以将污染排放量减少到几乎为零的状态。

2.2 国内船舶混合动力技术应用情况

同国外相比，国内船舶混合动力技术发展还处于起步阶段，研究成果主要应用于内河或近海小型船舶。

2.2.1 5 000 吨级混合动力公务船

5 000 吨级混合动力公务船是国内较早率先采用油电混合动力系统推进的公务船。该类船的推进系统为双机双桨形式，配置2台主机、2台齿轮箱、2套轴带电机PTO/PTI系统、2套轴系、2只可调桨及1套主推进监控系统等，如图1所示。

图1 5 000 吨级混合动力公务船推进系统示例

该类船在工作中会有追赶违法船只等工况，该状况下对船速要求较高，所以其装机功率要求也较大，但在常规巡航情况下又往往保持在低速状态，此时若双主机同时运行则负荷处于较低状态，油耗较高并且排放较差。

2.2.2 混合动力游船寰岛云帆号

2018年7月，入级中国船级社的混合动力游船寰岛云帆号在太湖通过试航。该船为钢质双体结构，总长22.51 m，型宽9.00 m，型深2.45 m，最大航速9.30 kn，载客80人。

为满足抗台风时需要足够的自持力持续航行至避风港、在异地避风期间不能停靠码头充电等特殊需求，寰岛云帆号采用柴油发电机组+电池组供电的混合动力形式，具有纯电池动力、油电动力和纯电池/油电混合动力等3种运行模式，可满足全年所有工况的使用要求。同时，在混合动力模式下，系统根据全船实时负载大小调整供电方式，通过优化的动力管理策略，使整船动力系统理论综合节油效果达20%以上。

3 混合动力技术发展展望

广义上的船舶混合动力系统是指由太阳能、风能、柴油发动机、气体发动机、电机、储能装置等多种动力源形式相互合理组合提供推进动力的船舶动力系统。

太阳能属于清洁能源，然而太阳能光电转化率只有10%左右，并且需要很大的光照面积，加上光照情况不稳定及初期投资成本高等因素限制，太阳能在船上只能用于辅助动力。风能也属于清洁能源，但风帆船稳性较差，安全不能完全保障，并且对于中大型船来说风能动力远远不够，所以风能也只能用于辅助动力，并且目前市场上也较少看到。

柴油机作为传统的船舶动力推进形式，已发展得非常成熟。与柴油机相比，天然气发动机在排放性能上更具优势，近年也得到快速的发展。燃油与天然气作为目前船舶动力的主要来源，在未来相当长的时间内不会改变。

目前，船舶混合动力系统中受到广泛关注的组合方式有油电混合动力系统、气电混合动力系统及油电混合+储能装置混合动力系统等。

3.1 油电混合动力系统

油电混合动力系统是指将燃油与电力进行有效结合，根据不同工况、不同需求切换驱动模式的动力系统，通过两种动力的适时调节，完成船舶驱动的目的。油电混合动力技术是目前船舶混合动力系统中运用最为广泛的一种组合方式。

油电混合动力系统推进工作模式与纯柴油机推进相比，具有下列技术特点：

(1) 经济性。在船舶的实际运行中，可以根据船舶工况适时调整运行模式，实现船舶多工况优化匹配，提升动力系统综合能效。

(2) 机动性。根据船舶航速需求，柴油机可单独推进，也可并入电机实现并车推进，有效提升船舶动力系统的机动性能。

(3) 安全性。常规推进与电力推进可单独运行，也可独立运行，在主机故障时可采用PTH模式，有效提高动力系统的冗余性和安全性。

(4) 环保性。在低速状态下电机推进，可减少主机在低效率区工作时间，有效减少污染物排放。

油电混合动力系统的优势突显，其适用的船型不断增多，包括工程船、拖船、化学品船、公务船等均可采用油电混合动力系统。

3.2 气电混合动力系统

气电混合动力系统是指将气体燃料(如天然气等)与电力进行有效结合，根据不同工况、不同需求切换驱动模式的动力系统，通过两种动力的适时调节，完成船舶驱动的目的。

气电混合动力系统具有下列技术特点：

(1) 经济性。配备气电混合推进系统的船舶，发动机能长期在最低燃气耗率时的额定工况下稳定运行。船舶靠岸时可接岸电给蓄电池充电，蓄电池的电量可提供一定续航力，减少一定的运营成本[4]。

(2) 机动性。根据船舶航速需求，天然气发电机组可单独推进，也可并入电池组实现并车推进，有效提升船舶动力系统的机动性能。

(3) 安全性。2台天然气发电机组可同时或单独运行，并且电池组也可单独满足船舶短距离航行，有效提高动力系统的冗余性和安全性。

(4) 环保性。天然气与燃油相比，污染物的排放已经大量减少。船舶过闸或短期航行时，可由电池组提供动力，减少大气污染物排放。

随着液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)在船舶航行中的大量应用，气电混合动力技术具有更明显的优势。采用气电混合动力系统不仅可以解决发动机尾气排放带来的污染问题及纯气体动力系统的一些问题，而且可以解决以蓄电池作为动力的纯电动船舶续航力短的问题。气电混合动力系统必将应用到更多船型中，进一步由内河船舶向海洋船舶发展。

3.3 油电混合+储能装置混合动力系统

油电混合+储能装置混合动力系统是指在油电混合动力系统的基础上，引入储能装置，有效平衡各推进状态的能量流动，通过多动力的适时调节，完成船舶驱动的目的。

油电混合+储能装置混合动力系统具备油电混合动力系统的技术特点，同时引入的储能装置可在主机动力富余时有效吸收能量，并在需要PTO时与主机并车推进或单独推进，进一步优化能量管理，在机动性与安全性方面更具优势。

随着储能技术的日趋成熟，生产成本降低，能量密度增大，储能技术将会越来越多地应用到船舶混合动力系统中[5]。同时，与储能技术相匹配的充电技术将得到进一步的研究和发展，船舶智能化和自动化程度将进一步提高。并且，储能系统的发展将会使混合动力技术由小型船舶应用向中大型船舶应用迈进，进一步扩大混合动力技术的船型覆盖应用范围。

4 结 论

随着全球经济的持续发展，船舶GHG排放对环境的影响日益严重，IMO加大海运GHG减排管控力度。在这样的大背景下，与传统动力推进船舶相比，混合动力技术节能减排的优势将越来越显著。随着国内外对船舶排放要求的日益严格，LNG燃料作为排放优质能源会越来越多地应用到船舶动力系统中，伴随着相关配套设施的日益完善，气电混合动力系统将会是今后的主要发展方向。并且，储能技术将会越来越多地应用到船舶混合动力系统中，油电混合+储能装置混合动力系统将会在更多的船型中得到应用，这也是未来船舶技术革新的突破方向。