船用油電混合動力系統應用淺析

柴經緯

摘要：隨著環保需求的不斷擴大，船舶EEDI第二、三階段碳排放要求日益嚴格，混合動力系統憑借其良好的操控性能、較高的動力轉化效率、較低的排放費用消耗而備受關注，成為未來的發展方向之一。文章從船用混合動力系統的發展和現狀出發，逐步闡述其運行模式和優勢所在。關鍵詞：混合動力船舶;技術應用;節能減排

0引言

自2019年1月1日起，船舶在環渤海灣、華東沿海、華南沿海等排放控制區內所有港口靠岸停泊期間需使用硫含量≤0.5%的燃油。自2020年1月1日起，航行于全球國際海域的船舶不得使用含硫含量超過0.5%的燃油，禁止國際航行船舶運載不符合標準的燃料油。同時，國家提出“藍天保衛戰”計劃，環保政策更趨嚴格，國內沿海ECA將執行船舶燃油0.1%的含硫量限定。國內外政策形勢使得新能源在船舶上的應用迫在眉睫。同時，燃料油在今后相當長的時期內仍將是船用能源的主流，與此同時電推技術在工程船、公務船等特種船和LNG船上的應用成熟，已經逐步向小型普通商船推廣，尤其在裝機容量小、用電設備多的船型上得到顯著發展，油電混合動力技術已形成代際發展，積累了可觀的樣本數據。國內儲能裝置的行業發展已經取得國際領先，技術發展日趨成熟，實船應用得到國家政策支持。上述條件為油電混合動力在遠洋船上的應用發展和節能減排帶來更大的想象空間。

1行業發展及現狀

最早的船用混合動力系統是在20世紀70年代出現的軸帶發電機基礎上發展而來，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換成電能輸出至交流電網中，供其他設備使用;當在某些工況下需要使用電力推進負載時，閉合輔助電機與軸帶電機之間的離合器，通過輔助變頻器帶動輔助電機加速至額定轉速，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。

20世紀90年代，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，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。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。

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，船舶的動力系統發展也產生一些變革，與傳統動力船舶相比，電驅動模式下的船舶在控制排放污染、噪聲污染等方面擁有得天獨厚的優勢。根據瓦錫蘭相關資料，同等規格船舶，混合動力將節省油耗10%-20%/年，不同類型的替代能源模式，將會有更高的節省油耗潛力。在多種儲能單元中，鋰離子電池和超級電容器應用于船舶電力推進系統中的前景被看好。目前，在歐美等地區，已有采用純電池作為船舶動力源的船舶，如挪威Ample號純電池渡船，在國內也有已在運行中的500噸級純電動驅動內河航運貨船。但是由于目前鋰離子電池容量有限，完全采用純電池作為動力源驅動中大型船舶航行還不現實。同時現有的鋰離子電池使用壽命為8-10年，而超級電容可以不低于船舶的設計壽命，因此利用超級電容作為儲能單元的船舶混合動力系統成為發展趨勢。

2油電混合動力運行模式

油電混合動力系統一般包括柴油發電機組、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）和電池，電容管理系統等。混合動力工作模式主要有3種：

Fro模式（Power take off軸帶發電模式），軸帶發電機自主機軸獲取能量，向儲能系統輸入能量，如圖1所示。

PTI模式（Powertakein軸帶電動聯合驅動模式），軸帶發電機由儲能系統獲取能量向主機軸輸入能量，如圖2所示。

PTH模式（Power take me home軸帶電動單獨驅動模式），在此模式下，主機處于故障或失效的狀態，由儲能系統向軸帶發電機輸入能量，軸帶發電機代替主機帶動軸系，推動船舶運行。同時，由于軸帶發電機功率較小，無法推動船舶全速前進，只能慢慢把船帶離事故地點或靠泊靠港。同時，此模式可以由儲能系統向柴油發電機組輸入能量，啟動船用設備，保證在裝卸貨過程中工作不中斷，如圖3所示。

加入儲能系統的混合動力船舶，除了在上述3種工作模式中，還可以在停泊靠岸時使用岸電充能，如圖4所示。

船用油電混合動力的大容量電池，電容管理系統BMS（Battery Management System），有效管理和控制萬級以上能量單元及其串并聯模組，在高電壓、大電流的工況下準確、安全、可靠地工作，并使能量利用最大化。采用主動均衡技術，通過測量電池參數實施主動均衡，使每個單體、模組能量都基本保持一致，在此基礎上實時估算電池狀態并實施管理。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油電混合動力船運行優勢

油電混合動力船舶在兼具常規動力船舶和純電動船舶優點的同時，相比于常規動力船舶，能夠憑借能量管理系統作為“大腦中樞”進行整體性能量和功率需求分析，制定系統控制策略和能量管理實施方案。可根據負荷和功率的需求選擇不同驅動模式，增加了自由選擇度，確保所有工況下的船舶航行的動力性，能提高燃油效率、降低排放、優化操縱性能。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。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。

4結語

油電混合船舶動力系統具有很強的發展潛力和發展優勢，雖然目前儲能單元價格偏高，但是其可以在船舶運營中明顯減少燃料油的消耗和碳排放。隨著大容量電池和超級電容技術不斷發展，制造成本持續降低，混合動力船舶將成為未來船舶發展的重要方向之一。