船舶混合動力系統的發展與應用

黃 興 石 磊 衛 衛

（1.海軍駐上海地區電子設備軍事代表室 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計研究院 上海200011）

引 言

隨著對海洋環境的重視及全球海洋戰略的深入推進，排放法規日趨嚴格，如何推進船舶的節能減排已迫在眉睫。節約船舶航行成本、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展的重要研究熱點。隨著電池技術的不斷進步及電力電子技術的飛速發展，新型現代混合動力船舶成為解決節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。新型現代混合動力船舶不同于古代風帆與人力混合驅動以及近代風帆與蒸汽輪機共同驅動，它是通過傳動裝置耦合柴油機（氣體機）與電機來驅動，或者具有一種以上電力來源（如柴油機發電、氣體機發電、燃料電池、太陽能、風電、鋰電池、超級電容等）的電動機來驅動［3］。混合動力船舶具有節約不可再生能源消耗，提高航運經濟性，減少廢氣排放和機械振動，適應多工況運行的特點［4］。目前，混合動力推進已在作業船、渡船、拖船、大型游輪、近海鉆井平臺以及軍事艦船等領域進行廣泛應用［5］。

1 船用混合動力系統發展歷程

最早的船用柴電混合動力系統是在20世紀70年代出現的軸帶發電機基礎上發展而來［6］，其原理圖如圖1所示。當負載較小時，為維持推進柴油機最優工作工況，通過閉合軸帶電機與齒輪箱之間的離合器，將推進柴油機發出的多余能量通過軸帶發電機轉成電能輸出至交流電網中，供其他負載使用；當在某些工況下需要使用電力推進負載時，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加速至額定轉速，從而帶動軸帶電機加速至額定轉速，再并入船用電網，完成一個啟動過程，然后再從交流電網取電供軸帶電機使用，實現軸帶電機的電動功能。這是最早的柴電混合動力系統，其優勢在于船舶低速航行時節能，但僅限于具有可調槳，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］。該系統的缺點在于軸帶電機本身不可調速，需利用齒輪箱和可調槳等機械裝置進行速度調節，當負載轉速與額定轉速差異較大時，機械變速裝置的容量將受到限制，故其應用范圍也受到制約［8］。

圖1 基于常規軸帶發電的船舶混合動力系統

20世紀90年代后期，隨著大功率全控型器件及模塊的出現，數字信號處理器的廣泛應用和脈寬調制技術的迅速提高，使混合動力系統也有了很大進步，產生了基于變頻軸帶的混合動力系統，如下頁圖2所示。該系統中的軸帶電機不再被限制在相對恒速狀態，而是采用變頻器調節將恒頻恒壓的交流電壓轉化成變頻變壓信號用于調節軸帶電機轉速，使軸帶電機可以在變速狀態下運轉。對于裝有定距槳的船只，航速通過螺旋槳轉速調節，無法使用基于常規軸帶的混合動力系統，但采用基于變頻軸帶的混合動力系統則可以通過軸帶電機的轉速控制來實現與主機聯合推進的形式，從而實現經濟環保的運行模式［9］。同時對于配定距槳的軸帶發電工況，由于變頻裝置可實現變速恒頻的控制功能，軸帶電機也可工作在變速狀態，從而系統也適用于定距槳軸系。該混合動力系統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。在國內基于變頻軸帶的混合動力系統被廣泛使用，如粵海鐵火車渡輪、5 000噸級公務船、海港711拖輪等均采用該混合動力系統。

圖2 基于變頻軸帶的船舶混合動力系統

近幾年來，隨著電池技術的飛速發展以及節能減排政策的需求，混合動力船舶的發展也產生一些變革，基于儲能系統的船舶混合動力系統應運而生（如圖3所示）。該混合動力系統采用共直流母排及一機雙槳模式，當船舶正常運行時，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用來補充右推進加速所需的能量；當船舶制動時，左右兩側推進的能量均回饋至直流母排，儲能系統將多余的能量儲存起來；當船舶工況突變時，儲能系統可以快速提供或吸收推進能量，防止負載擾動對推進系統的影響；當船舶低工況運行時，關閉主機，直接采用軸帶電機推進，可以有效節約能源，提高主機的運行效率［10］。

圖3 基于儲能系統的船舶混合動力系統

對比混合電動汽車發展的三個類型串聯式、并聯式及混聯式［3］，如下頁圖4所示，基于儲能系統的船舶混合動力系統工作形式與混合電動車中最具優勢的混聯式原理基本一致，混聯式的優勢在于集合了串聯式和并聯式的優點，起步和低速段采用純電動和串聯模式，充分利用串聯的優點；在經濟時速段采用發動機直接驅動模式，沒有電能轉換損失和傳動損失，發動機工作在最佳工作區，效率高；在惡劣海況等特殊工況下，采用混合驅動模式，在保證動力性的同時兼顧系統效率［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展趨勢不同，船舶行業由于其續航力及運行安全性要求，短期內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的發展方向。因此基于儲能系統的船舶混合動力系統是目前為止最具優勢和潛力的船舶動力系統形式，兼具動態性能優、驅動性強與節能佳等優勢，符合船舶運行的各種需求，是未來船舶發展的趨勢之一。

2 混合動力系統的典型構架及運行模式

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

圖5 基于儲能系統的混合動力船典型構架（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-額定速度范圍內均能持續穩定輸出功率，具備與電網長期并網的功能，并在發生短路故障時維持持續短路電流支持系統選擇性保護。

儲能系統由電池或超級電容組成，通過雙向DC等設備連接至電網中，具備智能充放電管理功能，并能快速動態響應。

電能管理系統需綜合考慮各子系統的特點以及相關國家的法律要求，例如：電動機響應快，低速時輸出扭矩大；主機響應慢，最佳工作點耗油低；儲能系統響應快，便于快速吸收和釋放能量；某些情況下要求系統靜音、零排放工作，從節能和電網安全方面提出相關控制策略。［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是指軸發自主機軸獲取功率向船舶電網輸出的模式，即發電機模式，這是軸發的基本工作模式。PTI是指軸發由船舶電網獲取功率向主機軸輸入的模式，即電動機模式。此種模式下，自船舶電網獲取的功率將用于推進，通常是指軸發電機協助主機推進。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，軸發代替主機來推進。由于軸發通常功率較小，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的控制，在負載發生變化時，利用儲能系統動態吸收船舶運行過程中突變的能量，以保證主機和柴發機組的平穩運行。

3 儲能系統在混合動力船舶中的優勢

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

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

者惡劣海況時，動態油耗會進一步升高，因此整體運行效率就比較低。儲能系統起到了“削峰填谷”的作用。當發動機最優工作功率高于負載需求功率時，多余功率通過電機轉化為電能存儲于儲能設備中；反之，則使用儲能設備中存儲的電能驅動電機，與內燃機共同驅動螺旋槳。于是，內燃機便可在更多情況下工作在最優或接近最優的區間。

圖6 內燃機萬有特性曲線

其次，由于儲能系統中存有能量，可以支持負載在短時間內脫離內燃機獨立工作，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，可以只用儲能系統進行推進，關掉內燃機、靜音運行、實現零排放，從而為混合動力系統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%負載以下，而常規的工作設定點是在80%負荷附近。引入儲能系統后，通過儲能系統、柴發機組以及主機的配合，可以設定多個工作點（如圖7中綠圈所示），在這幾個工作點均具有較優的能耗水平。

圖7 典型拖輪工作工況

除此之外，儲能系統的存在還可以實現能量回收，從而快速制動，縮短船舶制動距離。當船舶降速制動時，不像傳統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生的多余能量，混合動力船舶由于儲能系統的存在，可以實現快速降速，多余的機械能通過能量回饋存儲在儲能系統中，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的技術方向及技術要點

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

目前混合動力船舶中應用的儲能系統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均無法兼顧混合動力船舶電力系統中瞬時大功率需求及持續穩定工況用電需求，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，核心問題是解決儲能系統的容量優化配置和協調控制等。

4.1 容量優化配置問題

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

不同運行模式下的容量優化配置，主要是從離網運行和并網運行兩個角度開展。離網條件即純電池船舶主要考慮的是船舶電網中發電負荷平衡，大多以負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注。并網條件即混合動力船舶主要從經濟性和抑制功率波動兩個方面進行優化，主要考慮儲能系統與主供電的能量流動，及電網中各單元相互間的能量流動。

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

4.2 協調運行控制技術

儲能系統的協調運行控制技術包括兩方面，一方面是能量型與功率型儲能系統的匹配控制環節，另一方面是變流設備的運行控制環節。

針對能量型和功率型儲能系統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調控制策略，該策略是根據儲能介質響應特性的不同來進行功率分配，即先將經過低通濾波后的實時功率值根據響應頻段來分配，再根據儲能介質的剩余電量進行分配功率的修正。二是基于滑動平均的協調控制策略。該策略是通過調節滑動平均算法的滑動平均窗口寬度或加權系數，達到平滑輸出的目的。

變流設備作為儲能系統在電網中提供能量支撐和抑制能量波動的核心設備，其與儲能系統的匹配運行控制程度對整個船舶電網的暫態穩態特性都有直接影響。目前，儲能系統變流設備的控制算法主要有線性PID控制、重復控制、自適應控制和智能控制。［19］

5 混合動力船舶的應用

國外（尤其是歐洲）的船舶技術相對比較先進，環保理念也更超前，基于儲能系統的混合動力船舶發展和應用較早［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，具有綠色環保，低噪聲航行等優越性能。

2013年，一艘當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、設計載客數為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后，大幅度提高了發動機效率，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型柴油發電機組+2臺卡特彼勒C18型柴油發電機組。這樣的混合動力不僅可節省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”號上已經完成了一種混合能源系統的安裝（參見下頁圖11），這是世界上第一艘配備電池技術的海上船只。船上原本裝有4臺LNG發動機，經改裝后，儲能系統取代了其中一臺發動機，不僅能提供需要的功率，而且工作性能更為穩定，每年能實現CO2減排13%～18%。

國內的混合動力船舶以基于變頻軸發的混合動力系統為主，如由中船重工七一一所提供動力系統集成的粵海鐵火車渡輪、5 000噸級公務船、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，包括500 kW軸帶變頻及軸帶發電機，是目前重吊領域最先進的環保節能型船舶。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，可工作于PTO 、PTI兩種模式，有效提升動力系統靈活性，降低船舶能耗。通過應用混合動力系統，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。

隨著電池技術的發展及環保法規的日益嚴格，國內也開始研究應用基于儲能系統的混合動力系統。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時需要具有自持力持續航行至避風港，以及在異地避風期間不能停靠碼頭充電的特殊需求，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，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

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

6 結 語

基于儲能技術的混合動力船舶是目前最具優勢與潛力的動力系統形式，適用于多種船舶類型，在國外已經發展得較為成熟，而國內尚處于起步階段。預計2020年后，國內混合動力船數量將顯著增長，并主要應用在港作拖輪、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。混合動力船的優勢包括冗余電力、減少噪聲和振動以及減少在港口和沿海居住區的排放量，這也正是未來船舶的發展方向之一。