混合動(dòng)力船舶動(dòng)力裝置及能量管理研究綜述

張益敏，陳 俐，朱劍昀

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

0 引 言

隨著化石能源的逐漸減少和排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，油電混合動(dòng)力船舶正日益受到關(guān)注[1–3]。它通過(guò)傳動(dòng)裝置耦合柴油機(jī)與電機(jī)，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)單獨(dú)推進(jìn)、電機(jī)單獨(dú)推進(jìn)或混合推進(jìn)等工作模式，從而適應(yīng)復(fù)雜多變的工況，避免柴油機(jī)低效工作，并能在排放限制區(qū)域發(fā)揮電機(jī)零排放的優(yōu)勢(shì)。混合動(dòng)力推進(jìn)在多功能工程船、近海補(bǔ)給船、游輪、近海鉆井平臺(tái)以及軍事艦船等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[4–5]。

混合動(dòng)力船舶是指使用不同能量來(lái)源共同驅(qū)動(dòng)的船舶[6]。混合動(dòng)力船舶的概念并非是近年才出現(xiàn)，早在古代就有風(fēng)帆和人力共同驅(qū)動(dòng)的船舶[7]。工業(yè)革命以后又出現(xiàn)了風(fēng)帆和蒸汽輪機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的船舶[7]。軍事上，潛艇在水面航行時(shí)采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，而在水下則是由電池為電動(dòng)機(jī)供電推進(jìn)[8]。現(xiàn)代混合動(dòng)力船舶主要指的是由不同類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或者具有一種以上電力來(lái)源（如柴油機(jī)發(fā)電、電池、超級(jí)電容、燃料電池）的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的船舶。

以發(fā)動(dòng)機(jī)為核心的傳統(tǒng)推進(jìn)方式具有功率密度大、中間環(huán)節(jié)少、能量損失小、額定工況下效率高的優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)輕載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在非高效區(qū)，燃油效率顯著降低、噪聲和排放中的污染物增加[5,9]。特別是對(duì)于作業(yè)船、渡船、拖船、大型游輪等特殊船舶來(lái)說(shuō)，負(fù)載狀況經(jīng)常變動(dòng)或者有較長(zhǎng)的時(shí)間處于輕載狀況（見(jiàn)圖1），使用傳統(tǒng)推進(jìn)方式難以滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的要求[10]。若上述船舶使用現(xiàn)代混合動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)，則能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在高效區(qū)內(nèi)，從而大大提高燃油效率、減少有害物質(zhì)排放和機(jī)械振動(dòng)[5,9]。

圖1 作業(yè)船只、渡船、政府船只、拖船、駁船、大型游輪不同功率需求所占工作時(shí)間百分比[10]Fig.1 The percentage of working hours of working vessels, ferries,government ships, tugs, barges, and large cruise ships[10]

1 混合動(dòng)力船舶動(dòng)力裝置典型架構(gòu)和工作模式

如圖2所示，現(xiàn)代混合動(dòng)力船舶主要分為串聯(lián)式混合動(dòng)力船舶、并聯(lián)式混合動(dòng)力船舶和混連式混合動(dòng)力船舶[6]。其中，串聯(lián)式混合動(dòng)力船舶在發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳軸之間未使用機(jī)械連接，發(fā)電機(jī)和電池組可分別向電動(dòng)機(jī)供電驅(qū)動(dòng)螺旋槳[11–13]。并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)保留了發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳軸之間的機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)均可為船舶提供動(dòng)力[14–15]。混聯(lián)混合動(dòng)力船舶構(gòu)架融合了串聯(lián)和并聯(lián)的特點(diǎn)，具有發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)和電動(dòng)機(jī)推進(jìn)模式，具有專(zhuān)門(mén)的發(fā)電機(jī)組為電網(wǎng)供電[16]。

圖2 混合動(dòng)力船舶示意圖[6,12–13]Fig.2 Schematic diagram of hybrid ship[6,12–13]

在串聯(lián)混合動(dòng)力船舶的推進(jìn)系統(tǒng)中，柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成了系統(tǒng)的主要能量來(lái)源，以電池為主的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)的輔助能量來(lái)源[11]。Zahedi等提出一種基于低壓直流電網(wǎng)的串聯(lián)混合動(dòng)力船舶，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)建模研究，文中所述建模方法能夠大大減少仿真的計(jì)算負(fù)擔(dān)，縮短計(jì)算時(shí)間。為了應(yīng)對(duì)船舶轉(zhuǎn)彎和波浪引起的功率和力矩波動(dòng)，在Hou等的研究中，電池和超級(jí)電容被整合成混合能量存儲(chǔ)系統(tǒng)（HESS），并應(yīng)用在一型串聯(lián)混合動(dòng)力船舶中[17–18]。Volker針對(duì)工況特點(diǎn)給出了一種港口拖船和2種渡船的混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并從油耗的角度分析了3種設(shè)計(jì)的應(yīng)用價(jià)值[19]。

并聯(lián)混合動(dòng)力船舶的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)/發(fā)電機(jī)并聯(lián)并直接與螺旋槳軸相連，利用耦合器（通常包括離合器或液力耦合器）發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可分別或共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳[20–24]。其中電動(dòng)/發(fā)電機(jī)可以作為發(fā)電機(jī)吸收發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的多余功率提供給電網(wǎng)里負(fù)載使用。

并聯(lián)混合動(dòng)力船舶主要有以下3種工作模式：巡航時(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)模式，此時(shí)柴油機(jī)工作在高效區(qū)，富余的功率可用于發(fā)電給電池充電。當(dāng)船舶需要安靜行駛、航經(jīng)排放限值區(qū)域或狹窄水道以及發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)裝置出現(xiàn)故障時(shí)，采用電力推進(jìn)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)端離合器松開(kāi)，電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)負(fù)載需要的電能由電池或者其他清潔能源提供[6,22]。全速前進(jìn)、冰區(qū)航行或遇到風(fēng)浪等需要最大推進(jìn)功率的情況時(shí)采用混合推進(jìn)，由電動(dòng)機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)共同推進(jìn)船舶[11]。并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)可以在新船建造時(shí)安裝，也可以由傳統(tǒng)船舶的動(dòng)力系統(tǒng)改裝而成，極大地降低了投資。

混聯(lián)混合動(dòng)力船舶結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)混合動(dòng)力船舶構(gòu)架的特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的力矩被耦合在一起共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳，電動(dòng)機(jī)所需電力由電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)和電池提供[25]。在早期研究中，上述類(lèi)型構(gòu)架被稱(chēng)為“輔助電力推進(jìn)系統(tǒng)”。沈偉升等[26]介紹了一種用于滬東中華船廠(chǎng)的8 400 m3液化氣船上的輔助電力推進(jìn)裝置。該裝置通過(guò)控制3個(gè)離合器的開(kāi)、閉以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)推進(jìn)、應(yīng)急推進(jìn)（純電動(dòng)模式）以及輔助推進(jìn)模式。類(lèi)似的，柏建勇介紹了一種輔助推進(jìn)系統(tǒng)（APD）的工作原理。而在Myers的設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)被安裝在和船體尾部橋接的殼體內(nèi)[23]。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸一端連接螺旋槳，另一端通過(guò)耦合器與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸固結(jié)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于將電機(jī)置于船體外，能夠有效節(jié)約艙內(nèi)的空間。Barrett等在上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步做出改進(jìn)，采用2組離合器使得工作模式選擇更加靈活，交直流雙總線(xiàn)能夠同時(shí)滿(mǎn)足交流電力推進(jìn)和直流大功率負(fù)載作業(yè)的需求[24]。

2 混合動(dòng)力船舶能量管理

以上3種形式的混合動(dòng)力船舶其驅(qū)動(dòng)能量不再單一依賴(lài)發(fā)動(dòng)機(jī)直接提供機(jī)械能，還可以通過(guò)外接電網(wǎng)充電，發(fā)動(dòng)機(jī)組發(fā)電，驅(qū)動(dòng)用發(fā)動(dòng)機(jī)多余能量發(fā)電等方式為動(dòng)力系統(tǒng)提供電能。這種機(jī)電耦合架構(gòu)一方面賦予了推進(jìn)系統(tǒng)更大的冗余、靈活性、安全性、可操控性以及節(jié)能環(huán)保的可能性；另一方面，混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)，包括多個(gè)能量來(lái)源（子系統(tǒng)），各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合工作，才能實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)的功能與經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等指標(biāo)，這也給混合動(dòng)力船舶能量管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)[26]。

當(dāng)下針對(duì)混合動(dòng)力船舶的能量管理的研究主要關(guān)注當(dāng)能量系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)的恢復(fù)問(wèn)題，其主要目標(biāo)是確定備用能量方案快速恢復(fù)功率供應(yīng)[27–29]。多種不同的方法被用于解決上述問(wèn)題，Karen等將一種最優(yōu)卸載策略用于解決軍艦電力系統(tǒng)的靜態(tài)優(yōu)化問(wèn)題，該策略在損傷發(fā)生前預(yù)測(cè)性地給出電力系統(tǒng)重組方案，從而使得軍艦電力系統(tǒng)在遭到破壞發(fā)生后能夠根據(jù)預(yù)測(cè)方案進(jìn)行自愈[30]。文獻(xiàn)[31]用基于專(zhuān)家系統(tǒng)的自動(dòng)重構(gòu)方法分析了軍艦電力系統(tǒng)受創(chuàng)后的恢復(fù)問(wèn)題，專(zhuān)家系統(tǒng)利用失效評(píng)估系統(tǒng)得出的評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和拓?fù)湫畔?duì)受損后電力系統(tǒng)中的電能進(jìn)行合理分配，保證重要負(fù)載的工作[31]。多主體法（multi-agent）則常被用來(lái)解決離散的混合動(dòng)力船舶能量管理問(wèn)題[32]。例如Solanki等在虛擬測(cè)試平臺(tái)（VTB）上建立了船舶電力系統(tǒng)的三相PQ負(fù)載模型研究混合動(dòng)力船舶動(dòng)力系統(tǒng)的電力恢復(fù)問(wèn)題[33–34]。與傳統(tǒng)的集中電力恢復(fù)策略不同，上述研究中采用了基于多主體法的分散控制策略對(duì)系統(tǒng)中的壞點(diǎn)進(jìn)行隔離并重構(gòu)系統(tǒng)，從而保證電力系統(tǒng)受損后電力供應(yīng)的自動(dòng)快速恢復(fù)。Hou等將電池和超級(jí)電容相結(jié)合構(gòu)成多能量源電力系統(tǒng)，并針對(duì)負(fù)載波動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的能量管理問(wèn)題進(jìn)行研究，并提出一種綜合能量管理系統(tǒng)。研究結(jié)果表明在4級(jí)和6級(jí)海況下，相對(duì)其他3種能量管理方法，綜合能量管理系統(tǒng)能夠有效減少低頻振動(dòng)，從而降低負(fù)載振動(dòng)引起的能量損失和對(duì)電池的不利影響[18]。

混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理問(wèn)題需要綜合考慮各子系統(tǒng)的特點(diǎn)以及相關(guān)國(guó)家的法律要求，例如：電動(dòng)機(jī)響應(yīng)快、低速輸出扭矩大；發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)慢、在高負(fù)荷時(shí)效率高；某些情況下要求系統(tǒng)零排放工作。綜合來(lái)看現(xiàn)有的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基于規(guī)則的控制策略，這種策略依靠預(yù)先制定的規(guī)則（一般為依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)確定的部件的工作特性和高效區(qū)域），通過(guò)判斷各件的工作狀態(tài)來(lái)決定動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式；另一類(lèi)是基于優(yōu)化的控制方法，即根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)確定能量管理策略[26,35]。

2.1 基于規(guī)則的能量管理控制策略

基于規(guī)則的控制策略又可分為基于確定規(guī)則的策略和基于模糊規(guī)則的策略。

其中基于確定規(guī)則的控制策略如：Ovrum等建立了內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)和鋰電池相互配合的能量系統(tǒng)模型，并考慮船舶起重機(jī)港口作業(yè)、船舶艙室用電需求這兩大能量消耗，對(duì)于起重工況，根據(jù)船舶的作業(yè)實(shí)際制定周期式的功率變化規(guī)律；對(duì)于艙室，設(shè)置恒定的電能消耗功率。然后提出了船舶基礎(chǔ)能量控制準(zhǔn)側(cè)和高級(jí)能量控制準(zhǔn)則，在基礎(chǔ)能量管理準(zhǔn)則下，發(fā)電機(jī)的功率隨時(shí)間均勻分布，電池SOC保持在一個(gè)穩(wěn)定范圍；在高級(jí)能量管理準(zhǔn)則下，電池組的輸出電流為控制對(duì)象，通過(guò)PID控制使電池電流保持在電池廠(chǎng)商給出的合理范圍內(nèi)。相對(duì)于該船舶原有的能量系統(tǒng)，該混合能量系統(tǒng)每年能節(jié)省11萬(wàn)美元的費(fèi)用，而且選用容量更小的電池也能滿(mǎn)足作業(yè)需求。不足是沒(méi)有考慮推進(jìn)系統(tǒng)的能量消耗[37]。Ameen等提出多重方案相互配合的能量管理策略，該策略綜合考慮了基于船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能量管理策略、燃料消耗量最小化能量管理策略（ECMS）、電量消耗和維持相互平衡的能量管理策略（CDCS）、基于按比例積分控制器的能量管理策略4種方法。根據(jù)這4種方法在不同電池SOC下所消耗的總能量多少來(lái)選擇最優(yōu)的能量管理策略，并且以FCS Alsterwasser燃料電池單體船為研究對(duì)象，建立了仿真模型，驗(yàn)證了多重方案相互配合能量管理策略在總能量消耗量、成本等方面比其他4種策略單獨(dú)使用時(shí)更具優(yōu)越性[38]。

由于實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中往往需要面對(duì)一個(gè)多參數(shù)、非線(xiàn)性的時(shí)變系統(tǒng)，基于模糊規(guī)則的能量管理策略相對(duì)確定規(guī)則的能量管理策略更具優(yōu)勢(shì)。

Be?ik?i等認(rèn)為評(píng)價(jià)船舶的能量管理策略好壞有多個(gè)維度，包括航行性能優(yōu)劣、環(huán)境友好度高低、經(jīng)濟(jì)效益好壞等，由于這些標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮起來(lái)十分復(fù)雜，難以定量描述，因此提出采用基于模糊的層次分析算法，通過(guò)對(duì)20個(gè)船舶領(lǐng)域的權(quán)威專(zhuān)家進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，建立了航行性能管理指標(biāo)、船體和推進(jìn)系統(tǒng)管理、動(dòng)力保持性能、燃料管理能力、系統(tǒng)能量管理、節(jié)能意識(shí)這6大指標(biāo)及其9個(gè)子指標(biāo)的模糊數(shù)集和模糊評(píng)價(jià)矩陣，得出了這些指標(biāo)兩兩之間的重要性關(guān)系，其中航行性能管理、動(dòng)力保持性能和船體和推進(jìn)系統(tǒng)管理這三大指標(biāo)的重要性最高；在子指標(biāo)中，速度優(yōu)化指標(biāo)的重要性最高，縱傾等航行姿態(tài)指標(biāo)重要性次之。分析結(jié)果為制定船舶能量管理策略提供了方向性指導(dǎo)[39]。Sharkh等采用模糊邏輯方法，提出模糊邏輯能量管理準(zhǔn)則（FLC），該準(zhǔn)則綜合考慮了電池SOC和電池端電壓，以這2個(gè)量為基礎(chǔ)計(jì)算新的控制變量BWS（battery working state），根據(jù)BWS值的變化來(lái)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)供能、電池單獨(dú)供能、發(fā)動(dòng)機(jī)和電池共同供能等方式。并采用仿真的方式對(duì)該能量管理策略進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，在該以BWS的值為準(zhǔn)則的模糊能量管理策略下，發(fā)動(dòng)機(jī)能保持在燃油利用效率較高的區(qū)域工作，電池也能避免過(guò)度放電的現(xiàn)象[40]。Zhu等采用模糊邏輯控制方法制定了以燃料電池、蓄電池和超級(jí)電容為動(dòng)力源的混合動(dòng)力船舶的能量管理策略。以蓄電池SOC、電容SOC和電機(jī)所需總功率為輸入量，蓄電池所需輸出功率和超級(jí)電容所需輸出功率為輸出量，根據(jù)船舶在加速航行、勻速巡航、低速航行等不同工況下的所需功率，參考蓄電池SOC、電容SOC，制定動(dòng)力系統(tǒng)的能量分配準(zhǔn)則。為了驗(yàn)證該能量管理準(zhǔn)則的有效性，以阿爾斯特河旅游公司建造的FCS Alsterwasser燃料電池單體船的典型工況為特定對(duì)象，進(jìn)行仿真研究，結(jié)果顯示，這種模糊邏輯能像管理策略能夠有效改善船舶的操縱效率和混合動(dòng)力系統(tǒng)的性能，并且讓電容和電池的SOC保持在合理范圍[41]。Moghbeli等提出一種新的模糊能量管理策略，設(shè)計(jì)了2個(gè)模糊控制器來(lái)控制電池SOC和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩，該控制器能優(yōu)化能量流向，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)，以此來(lái)降低排放量。在實(shí)際的行駛工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出力矩在模糊控制器指引下不斷追蹤最優(yōu)點(diǎn)，最終落在最優(yōu)點(diǎn)上方，多余的力矩為電池組充電，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)工作，燃油經(jīng)濟(jì)性也得到改善。相比于動(dòng)力規(guī)劃控制方法，這種模糊算法可以提高1.6%的電池SOC并且降低排放，在加速性能控制上也更加突出[42]。

2.2 基于優(yōu)化的能量管理控制策略

基于優(yōu)化的控制策略則可以分為全局優(yōu)化策略和實(shí)時(shí)優(yōu)化策略。

其中全局優(yōu)化策略指針對(duì)一個(gè)確定工況在線(xiàn)下尋找的最優(yōu)控制策略[43]。如：Mehdi等采用帶約束條件的粒子群優(yōu)化算法（PSO），將船舶加速情況下的功率需求作為約束條件，設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力系統(tǒng)中內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)、電機(jī)和電池組的最優(yōu)輸出功率組合。在船舶能量管理方面，將模糊粒子群優(yōu)化算法與恒溫控制策略結(jié)合，將電池組SOC和船舶所需功率作為輸入量，內(nèi)燃機(jī)所需功率作為輸出量，制定能量管理準(zhǔn)則。模糊算法的計(jì)算值小于0.4，內(nèi)燃機(jī)關(guān)閉，大于1.4時(shí)，內(nèi)燃機(jī)工作在高效區(qū)并給電池充電，位于0.4～1.4時(shí)，電池電量保持在合理范圍內(nèi)。仿真結(jié)果顯示，在該最優(yōu)輸出功率組合與能量管理準(zhǔn)則下，混合動(dòng)力船舶能減少40%的能源消耗，并且不影響正常航行[44]。

全局優(yōu)化控制策略由于較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間難以直接應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中，故相對(duì)而言實(shí)時(shí)優(yōu)化控制具有更大的實(shí)用價(jià)值。

例如：Zahedi等研究發(fā)現(xiàn)為了提高混合動(dòng)力系統(tǒng)的效率，必須根據(jù)船舶航行平均需求功率和功率變化特性去制定發(fā)電機(jī)組的工作準(zhǔn)則，使其工作在最優(yōu)工作狀態(tài)。提出實(shí)時(shí)數(shù)值優(yōu)化策略來(lái)確定發(fā)電機(jī)組的最優(yōu)工作狀態(tài)，該策略規(guī)定當(dāng)混合動(dòng)力系統(tǒng)在最小燃油消耗率（SFC）點(diǎn)工作時(shí)，發(fā)電機(jī)組選擇恒定的輸出工況，在其他情況下，根據(jù)平均需求功率、功率變化特性等指標(biāo)大小，選擇在充電或者放電工況下工作。為了驗(yàn)證策略的有效性，對(duì)某艘近海補(bǔ)給船（OSV）的典型工況進(jìn)行仿真計(jì)算，由仿真結(jié)果可知，沒(méi)有能量存儲(chǔ)模塊的直流混合動(dòng)力系統(tǒng)比傳統(tǒng)的交流混合動(dòng)力系統(tǒng)能節(jié)省15%的燃料消耗，更進(jìn)一步，在采用實(shí)時(shí)優(yōu)化策略的條件下，擁有能量存儲(chǔ)模塊的直流混合動(dòng)力系統(tǒng)比沒(méi)有該模塊的直流系統(tǒng)節(jié)省約7%的燃料消耗。由仿真計(jì)算結(jié)果可知，沒(méi)有能量存儲(chǔ)模塊的直流混合動(dòng)力系統(tǒng)比傳統(tǒng)的交流混合動(dòng)力系統(tǒng)能節(jié)省15%的燃料消耗，更進(jìn)一步，在采用優(yōu)化策略的條件下，擁有能量存儲(chǔ)模塊的直流混合動(dòng)力系統(tǒng)比沒(méi)有該模塊的直流系統(tǒng)節(jié)省約7%的燃料消耗[45]。Haseltalab等提出一種新的模型預(yù)測(cè)控制方法（MPC），將混合動(dòng)力船舶的運(yùn)動(dòng)控制和能量管理相互聯(lián)系。這種基于非線(xiàn)性魯棒理論的模型預(yù)測(cè)控制方法，能夠在外部環(huán)境擾動(dòng)和內(nèi)部工作狀態(tài)不確定性?xún)纱蟾蓴_下，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航速的控制，并估算需求功率，更進(jìn)一步，通過(guò)實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)在不同動(dòng)力源之間的切換來(lái)保證船舶工作在最優(yōu)狀態(tài)。在該控制策略下，混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠良好應(yīng)對(duì)航速的突變，并且為船舶提供所需的動(dòng)力[46]。Park等提出基于積分?jǐn)_動(dòng)分析和順序二次規(guī)劃的模型預(yù)測(cè)控制能量管理策略，建立了混合動(dòng)力船舶的實(shí)時(shí)仿真模型，并且和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明兩者之間定性相關(guān)。在船舶的3個(gè)典型工況下，該能量管理策略可以有效控制動(dòng)力系統(tǒng)達(dá)到功率需求，還能通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率曲線(xiàn)的斜率、推進(jìn)系統(tǒng)的跟蹤誤差等參數(shù)的權(quán)重使得動(dòng)力系統(tǒng)在不同工況下工作在高效區(qū)，使得航行成本最小化，證明該策略下參數(shù)可調(diào)整性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的性能靈敏度。Thanh等研究了在已知和未知外部載荷條件下，船舶的能量管理優(yōu)化問(wèn)題。已知載荷由船舶的設(shè)計(jì)參數(shù)和港口作業(yè)工況決定，未知載荷通過(guò)創(chuàng)新性的預(yù)測(cè)算法估計(jì)。綜合考慮燃料消耗量、電池電量的改變量等變量的影響提出非線(xiàn)性能量管理優(yōu)化算法，該算法與傳統(tǒng)汽車(chē)領(lǐng)域所采用的能量管理優(yōu)化算法有顯著區(qū)別，因其能夠規(guī)劃發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止的時(shí)間點(diǎn)。仿真結(jié)果顯示，對(duì)于已知載荷工況，本文提出的優(yōu)化算法相比于傳統(tǒng)基于規(guī)則的優(yōu)化算法可減少9.31%的能源消耗，對(duì)于未知工況，本文提出的預(yù)測(cè)優(yōu)化算法能減少8.90%的能源消耗[47]。Stone等提出了一種基于模型預(yù)測(cè)控制（MPC）的能量管理策略，能夠?qū)崿F(xiàn)船舶各動(dòng)力源之間和輸出載荷之間的協(xié)調(diào)控制，并且能夠減小發(fā)電機(jī)所需的輸出功率。為驗(yàn)證該策略的有效性，以某典型主尺度船舶的電力系統(tǒng)為例，對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明該能量管理策略可以在脈沖載荷情況下，使動(dòng)力系統(tǒng)的輸出保持穩(wěn)定，減少主機(jī)輸出功率的高頻率波動(dòng)，縮小船舶動(dòng)力系統(tǒng)提供的推進(jìn)功率與參考值的偏離。總體上，這種基于模型預(yù)測(cè)控制的能量管理策略可以協(xié)調(diào)船舶不同動(dòng)力源和載荷，有效降低船舶的航行成本[48]。Peng等根據(jù)燃料電池船混合動(dòng)力系統(tǒng)采用燃料電池作為主電源，蓄電池作為能量?jī)?chǔ)存單元的特點(diǎn)，為了最小化燃料電池的氫氣消耗，針對(duì)燃料電池混合動(dòng)力船提出了基于最小燃料消耗優(yōu)化控制算法的燃料消耗優(yōu)化能量管理策略，為保證蓄電池工作在優(yōu)化范圍內(nèi)，引入蓄電池的充電保持策略，以Alsterwasser的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)作為仿真對(duì)象，確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)典型的船舶行駛工況對(duì)所給出的優(yōu)化能量管理策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，最后和功率跟蹤能量管理策略仿真的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，結(jié)果表明，所提出的優(yōu)化理論能提高燃料經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)使蓄電池 SOC保持在合理范圍內(nèi)[49]。

3 問(wèn)題與展望

混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)為船舶提供了靈活的操控能力、較高的安全性和冗余，提高了船舶的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低了污染物排放和能源消耗，是未來(lái)船舶的發(fā)展方向[50]。但混合動(dòng)力船舶相對(duì)傳統(tǒng)船舶來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)建造更加復(fù)雜，對(duì)于初始投資和維護(hù)提出更高的要求。因此并非所有種類(lèi)的船舶都適合采用混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)適用于工況多變、有大電力負(fù)載、需要?jiǎng)恿Χㄎ灰约皩?duì)排放和噪聲有嚴(yán)格要求的船舶。混合動(dòng)力船舶需要更加復(fù)雜的控制系統(tǒng)，目前對(duì)于這方面的研究多集中在能量管理領(lǐng)域，對(duì)于模式切換的研究較為缺乏。而模式切換過(guò)程的沖擊問(wèn)題對(duì)于提高船舶操控品質(zhì)和使用壽命、降低燃油消耗和部件磨損具有重要意義。

電機(jī)推進(jìn)模式具有調(diào)速范圍廣、排放少、布局靈活、操作性好、振動(dòng)噪聲小且便于自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)電機(jī)技術(shù)、電能存儲(chǔ)技術(shù)、電力電子轉(zhuǎn)換器技術(shù)飛速進(jìn)步，電機(jī)推進(jìn)模式的功率密度逐漸提高，同時(shí)船上用電設(shè)備功率不斷增大，混合動(dòng)力推進(jìn)中電機(jī)推進(jìn)模式所占比例和混合動(dòng)力船舶的電氣化、智能化程度將呈上升趨勢(shì)[12,51]。隨著海上作戰(zhàn)和海洋開(kāi)發(fā)走向深藍(lán)，為滿(mǎn)足遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)、作業(yè)的需求，軍用或工程用混合動(dòng)力船舶動(dòng)力系統(tǒng)必然向著大型化方向發(fā)展，強(qiáng)自持力和長(zhǎng)續(xù)航成為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于一些工程船舶而言，高精度定點(diǎn)作業(yè)也對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力定位精度提出更高的要求。另一方面，由于電機(jī)電池價(jià)格的逐年下降，以及混合動(dòng)力船舶可以由傳統(tǒng)船舶改造而來(lái)這一特點(diǎn)，混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用成本日趨降低。混合動(dòng)力推進(jìn)的應(yīng)用平臺(tái)將不再局限于軍船和工程船領(lǐng)域。混合動(dòng)力船舶安靜、清潔的特點(diǎn)能為乘客提供良好的搭乘體驗(yàn)，這促使越來(lái)越多的游船、渡船等民用船舶開(kāi)始采用混合動(dòng)力技術(shù)[6,14–15]。

4 結(jié) 語(yǔ)

混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)能夠提高船舶的操縱靈活性、增加冗余和安全性、減少燃油消耗和污染物排放，在日趨嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)要求下具有良好的應(yīng)用前景。本文分析了混合動(dòng)力船舶動(dòng)力裝置的構(gòu)架和工作模式，介紹了目前混合動(dòng)力船舶能量管理的研究現(xiàn)狀。提出混合動(dòng)力船舶電氣化、智能化、大型化和具備高精度動(dòng)力定位能力的發(fā)展方向。同時(shí)指出民用混合動(dòng)力船舶也是一個(gè)發(fā)展方向。

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