小功率內(nèi)河船舶油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的建模及仿真研究

席龍飛，張會生

● （上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

小功率內(nèi)河船舶油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的建模及仿真研究

席龍飛，張會生

● （上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

本文提出了一種可用于內(nèi)河小艇的混合動(dòng)力系統(tǒng)。按照模塊化建模思想，建立了混合動(dòng)力系統(tǒng)中各典型部件的數(shù)學(xué)模型，并在Simulink平臺上建立了該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型。針對該混合動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，利用所建的模型進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真分析，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)起動(dòng)和柴電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的工作過程，驗(yàn)證了模型的可行性。這能為小型內(nèi)河船艇的新能源改造提供一種解決方案，也為混合動(dòng)力船的理論研究和控制策略設(shè)計(jì)提供一種實(shí)用的建模方法。

船舶；混合動(dòng)力；建模；仿真

0 引言

隨著國內(nèi)智能電網(wǎng)和港口岸電設(shè)施的不斷發(fā)展，內(nèi)河船舶的電動(dòng)化有望成為未來的發(fā)展趨勢。于是，在近年來國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的背景下，一大批以太陽能電動(dòng)系統(tǒng)為主體的油電混合動(dòng)力船面世了。但是這些“混合動(dòng)力船”通常只能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的交替驅(qū)動(dòng)，而優(yōu)化機(jī)槳匹配、實(shí)現(xiàn)雙機(jī)并聯(lián)等多模式工作的特性并未得到體現(xiàn)。因此，本文針對某型內(nèi)河公務(wù)艇的工作特點(diǎn)和功率需求，結(jié)合艦船聯(lián)合推進(jìn)技術(shù)、汽車混合動(dòng)力技術(shù)的思想，提出一種新的船舶油電混合動(dòng)力系統(tǒng)。內(nèi)河公務(wù)艇一般功率較小，多數(shù)時(shí)間航行在擁擠、多橋的航道內(nèi)，需要頻繁加減速，特別適合混合動(dòng)力系統(tǒng)多模式工作的特性。

本文的主要內(nèi)容是建立該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能仿真模型，并進(jìn)行仿真分析，為油電混合動(dòng)力船在動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制策略設(shè)計(jì)方面進(jìn)一步優(yōu)化研究提供基礎(chǔ)。本文引入動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論，提出基于動(dòng)態(tài)性和可修復(fù)性的可靠性建模分析技術(shù)。在模型方面，用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能有效地刻畫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為、修復(fù)行為。在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用MATLAB軟件中貝葉斯網(wǎng)絡(luò)工具箱并編寫MATLAB計(jì)算語句，輸入有關(guān)元件致命性故障的故障率與修復(fù)率進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)裝置的任務(wù)可靠性數(shù)值仿真。

1 系統(tǒng)建模

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合動(dòng)力的概念來源于汽車行業(yè)，通常指以內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)為主體構(gòu)成的動(dòng)力裝置。其工作方式是：當(dāng)負(fù)荷較大時(shí)，電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)共同驅(qū)動(dòng)；當(dāng)負(fù)荷較小時(shí)，內(nèi)燃機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，或單獨(dú)驅(qū)動(dòng)同時(shí)向電池充電；負(fù)荷更小時(shí)，僅依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)行向電池充電，回收制動(dòng)能量。

這種多樣化的工作模式，使得系統(tǒng)在面臨不斷變化的外部條件時(shí)，有了更豐富的選擇。通過良好的控制策略，系統(tǒng)不僅動(dòng)力性能提升，還可以實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)能減排效果。

混合動(dòng)力系統(tǒng)的類型多樣。本文選用并聯(lián)式、電量消耗型、重度混合的混合動(dòng)力系統(tǒng)，這種類型更容易體現(xiàn)出混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢。圖1為該系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)。

圖1 船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)由柴油機(jī)和直流電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)。柴油機(jī)和直流電機(jī)各帶一個(gè)減速器。直流電機(jī)前設(shè)置控制器，用于按控制要求將電池端電壓轉(zhuǎn)換為直流電機(jī)的電樞電壓。柴油機(jī)后面接自動(dòng)同步離合器，保護(hù)柴油機(jī)不被電機(jī)“反拖”。轉(zhuǎn)矩合成器是一對嚙合齒輪，用于實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩疊加。螺旋槳轉(zhuǎn)矩合成器輸出端直接驅(qū)動(dòng)。

柴油機(jī)的控制量是油門開度，直流電機(jī)的控制量是電樞電壓。通過改變油門開度和電樞電壓，可以分別控制電機(jī)和柴油機(jī)的功率大小，實(shí)現(xiàn)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、柴油機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)以及聯(lián)合驅(qū)動(dòng)三種工作模式。

1.2 部件模型

對于上一節(jié)所描述的混合動(dòng)力系統(tǒng)，本節(jié)根據(jù)模塊化建模的思想，以及特性和機(jī)理混合建模的方法，逐一建立各個(gè)部件的仿真模型。

1.2.1 電池模型

電池的建模分為兩步。第1步是估算荷電狀態(tài)SOC。它是電池重要的狀態(tài)量，估算的方法有很多種，如安時(shí)法、卡爾曼濾波法等。第2步是建模，即確定負(fù)載電壓U與SOC、循環(huán)次數(shù)N、溫度T、電流I之間的關(guān)系，得到形如U=f(I,SOC,T,N)的關(guān)系式，其中的f(x)可以是等效電路圖、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或數(shù)學(xué)表達(dá)式，其中前兩種形式經(jīng)常被采用。無論何種模型結(jié)構(gòu)，都需要通過實(shí)物電池的大量實(shí)驗(yàn)來辨識模型參數(shù)。

圖2 電池放電特性圖

本文采用端電壓法估算靜態(tài)SOC，反映在模型中就是直接賦值初始SOC；同時(shí)采用電流積分法估算使用中電池的SOC。SOC估算模型如下：

式中，I為流經(jīng)電池的電流；N為額定狀態(tài)下電池的總電量。

圖2是根據(jù)某型磷酸鐵鋰電池單體放電過程測試數(shù)據(jù)繪制的U=f(I，SOC)關(guān)系圖。對該特性圖進(jìn)行插值查表，并考慮電池組包含的單體電池?cái)?shù)目，作為電池模型。本文不考慮溫度和老化程度的影響。

1.2.2 電機(jī)模型

常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、交流同步電機(jī)三種。隨著技術(shù)的發(fā)展，又增加了永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等新的類型。電機(jī)類型雖然繁多，但其穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)模型無外乎一條反映轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速關(guān)系的機(jī)械特性曲線，只是電機(jī)類型不同，則曲線形狀不同。通過調(diào)整電樞電壓、磁通量或電流頻率，就可以改變特性曲線的形狀，以適應(yīng)不同的負(fù)載要求。這個(gè)過程稱為“調(diào)速”，與內(nèi)燃機(jī)通過調(diào)整油門開度和變速箱檔位來改變輸出特性的原理相似。

本文對他勵(lì)直流電機(jī)進(jìn)行機(jī)理建模，并通過改變電樞電壓進(jìn)行調(diào)速。他勵(lì)直流電機(jī)的模型為：

式中，T、U、n分別是轉(zhuǎn)矩、電壓和轉(zhuǎn)速；c是與電機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)；φ是磁場強(qiáng)度；R是電樞電阻；在模型中均視作常數(shù)。

電機(jī)在起動(dòng)和運(yùn)行時(shí)，要對它的工作范圍加以限制，以防扭矩或功率超限。本文選用恒轉(zhuǎn)矩—恒功率的限制特性，即在實(shí)際轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；在實(shí)際轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，恒功率運(yùn)行。電機(jī)限制特性如圖3中虛線所示，不同電樞電壓下的機(jī)械特性如圖3中實(shí)線所示。

圖3 直流電機(jī)特性線和工作范圍

1.2.3 柴油機(jī)模型

由于柴油機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的熱力過程和化學(xué)反應(yīng)，機(jī)理模型不易建立且精度難以保證。因此特性建模成為一個(gè)簡便而可靠的選擇。圖4是根據(jù)某型柴油機(jī)的萬有特性圖繪制，反映了轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n、油門開度之間的關(guān)系。對該特性圖進(jìn)行插值查表，作為柴油機(jī)模型。

圖4 柴油機(jī)特性圖

1.2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)模型

1）由于螺旋槳的額定轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于柴油機(jī)和電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，因此需要減速器使機(jī)槳特性相匹配。減速器起到的作用是增大扭矩，并等比例地減小轉(zhuǎn)速。模型為：

式中，Tout、nout是輸出端的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速；Tin、nin是輸入端的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速；i是減速比。

2）自動(dòng)同步離合器使柴油機(jī)動(dòng)力能夠平滑地傳遞到軸系，并防止電機(jī)“倒拖”柴油機(jī)引起事故。其工作原理是：當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速小于輸出轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器內(nèi)的棘輪棘爪機(jī)構(gòu)處于滑脫狀態(tài)，輸入軸和輸出軸斷開；當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速大于等于輸出轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器內(nèi)的斜齒輪在切向力的作用下嚙合，使輸入軸和輸出軸結(jié)合起來。據(jù)此，離合器模型為：

式中，Ts是離合器結(jié)合處的轉(zhuǎn)矩；np、ne分別是柴油機(jī)和螺旋槳的轉(zhuǎn)速；ks是反映離合過程快慢的系數(shù)。

3）軸系分為兩段：將直流電機(jī)軸、減速器 1、轉(zhuǎn)矩合成器主軸和螺旋槳視為一體，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J1；將柴油機(jī)軸、減速器2視為一體，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J2，通過自動(dòng)同步離合器與主軸結(jié)合。軸系模型為：

式中，Tm、Te、Ts分別是電機(jī)轉(zhuǎn)矩、柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩、離合器結(jié)合處的轉(zhuǎn)矩和螺旋槳轉(zhuǎn)矩。

1.2.5 螺旋槳模型

在精度要求不高的條件下，可以認(rèn)為螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速呈二次方關(guān)系。本文設(shè)船用螺旋槳?jiǎng)恿μ匦詾門load=kT·n2，其中，kT為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，常數(shù)。將該特性表達(dá)式作為螺旋槳模型。

1.3 系統(tǒng)模型

將各部件模型按其進(jìn)出口參數(shù)的傳遞關(guān)系連接起來，得到如圖5所示的系統(tǒng)模型，它是以油門開度和電樞電壓為控制量的動(dòng)態(tài)模型。

圖5 船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)模型總圖

2 模型仿真

利用上節(jié)建立的船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)模型，本文將對系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行仿真研究，包括從電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)到電機(jī)、柴油機(jī)共同驅(qū)動(dòng)切換，以期為混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制性能研究和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

2.1 仿真條件

本文根據(jù)某小型公務(wù)艇的實(shí)際功率需求，所選取的電池組、柴油機(jī)、直流電機(jī)和螺旋槳的參數(shù)如下：

1）電池組選用2100串單體容量為180Ah的磷酸鐵鋰電池，額定電壓約320V，能量容量約115kWh。

2）柴油機(jī)功率為 200kW，額定轉(zhuǎn)速 1800r/min，額定轉(zhuǎn)矩1057Nm（確定電池組和柴油機(jī)的參數(shù)后，將該型號電池組和柴油機(jī)的特性測試數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，作為模型。見圖2、4）。

3）電機(jī)功率為90kW，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定轉(zhuǎn)矩286.47Nm，額定電壓320V，額定電流281.25A。確定電機(jī)額定參數(shù)后，推算出模型參數(shù)R=0.1，cφ=0.0993917，cφ/R=0.993917，c2φ2/R=0.098787，使用時(shí)轉(zhuǎn)速單位為r/min，其他量采用國際單位。

4）螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)kT=0.1，使用時(shí)轉(zhuǎn)矩Tload單位為Nm，轉(zhuǎn)速n單位為r/min。

5）在原動(dòng)機(jī)和負(fù)載參數(shù)確定的前提下，減速比按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：n額和P額分別是原動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和額定功率；kT是螺旋槳的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。計(jì)算得柴油機(jī)減速比ie=6.734，電動(dòng)機(jī)減速比im=14.646.

2.2 電機(jī)起動(dòng)過程仿真

起動(dòng)前狀態(tài)量初值為：

起動(dòng)過程中柴油機(jī)保持關(guān)閉。電機(jī)在0時(shí)刻接通電源，電樞電壓逐漸增大，在5s時(shí)刻時(shí)達(dá)到額定電壓值，這是為了防止電流過大進(jìn)行的降壓起動(dòng)。具體變化過程見下式：

圖6 電樞電壓變化曲線

在上述條件下，得到如圖7所示的仿真結(jié)果。從 0時(shí)刻開始，主軸轉(zhuǎn)速平穩(wěn)增大；到約6s時(shí)刻，電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均達(dá)到穩(wěn)定，電池SOC持續(xù)穩(wěn)定消耗，系統(tǒng)進(jìn)入單電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。

圖7 起動(dòng)過程仿真結(jié)果

2.3 柴油機(jī)并車過程仿真

并車前狀態(tài)量初值為：

并車過程中，電機(jī)保持恒功率輸出，電樞電壓由控制器自動(dòng)調(diào)整，以適應(yīng)柴油機(jī)并入后主軸轉(zhuǎn)速的增大。

柴油機(jī)從0時(shí)刻到10s時(shí)刻保持關(guān)閉，系統(tǒng)處于單電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)；10s時(shí)刻柴油機(jī)起動(dòng)，從10s到30s，油門逐漸增大至全開；從30s開始，油門保持全開。具體變化過程見下式：

圖8 油門開度變化曲線

在上述條件下，得到如圖9所示的仿真結(jié)果。從10s到 13.4s，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增大，但小于主軸轉(zhuǎn)速，SSS離合器尚未嚙合；在13.4s時(shí)刻，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速開始超越主軸轉(zhuǎn)速，SSS離合器開始嚙合，柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩開始施加到主軸上，主軸轉(zhuǎn)速開始增大；從13.4s到50s，系統(tǒng)進(jìn)入由電機(jī)和柴油機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的模式，電樞電壓在控制器的調(diào)整下逐漸增大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩相應(yīng)地減小，確保在高轉(zhuǎn)速下電機(jī)功率不至于超限。經(jīng)過13.4s到30s的動(dòng)態(tài)過程后，系統(tǒng)開始平穩(wěn)運(yùn)行。

3 結(jié)論

1）本文提出了一種用于內(nèi)河船舶的油電混合動(dòng)力系統(tǒng)。針某型內(nèi)河公務(wù)艇，進(jìn)行了混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型。

2）建立了混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能仿真模型，實(shí)現(xiàn)了模型在單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式和柴電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式下的仿真運(yùn)行。結(jié)果顯示，該模型能夠反映船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作過程，可用于動(dòng)態(tài)過程的仿真分析

圖9 并車過程仿真結(jié)果

3）所建立的混合動(dòng)力仿真模型可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)性能研究和控制策略分析，對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制策略的制定具有參考意義。

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[4]盧祥杰.鋰離子電池特性建模與 SOC估算研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.

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Research on Modeling and Simulation of Hybrid System for Small-power Marin

XI Long-fei,ZHANG Hui-sheng
(School of Mechanical Power Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

A hybrid system of the boat used for river is presented.According to the modular modeling method,the mathematical models of the typical components in hybrid system are built,and the simulation model of the dynamic system is established in Simulink platform.Aiming at the operational characteristics of the hybrid power system,the dynamic performance is analyzed by the simulation of established model.And the working process of the single motor start and the combined diesel-electric drive was realized.This can provide a solution for the new energy reform for small vessels and a practical modeling method for theoretical research and the design of control strategy of hybrid ship..

vessel;hybrid system;modeling;simulation

U664.16

A

席龍飛（1988-）， ，碩士研究生。主要研究方向?yàn)榛旌蟿?dòng)力系統(tǒng)建模與仿真。