多航態無人艇混合動力系統設計

匡曙龍，楊一鵬，邱長青，李 鵬

應用研究

多航態無人艇混合動力系統設計

匡曙龍，楊一鵬，邱長青，李 鵬

（船舶綜合電力技術重點實驗室，武漢 430064）

以未來海上智能化作戰為牽引，發展跨介質平臺，滿足跨介攻擊智能化作戰需求。本文開展了多航態無人艇混合動力系統設計研究，對于混合動力系統存在多種運行模式而言，各工作模式的切換控制相較于單一工作模式控制更為復雜。根據無人艇不同航態及任務需求設計動力系統切換模式方案，實現了快速、穩定的工作模式切換功能。驗證了混合動力系統的可靠性與穩定性，提升了系統效率。

跨介質 多航態無人艇 可靠性 混合動力系統

0 引言

多航態無人艇是一種集水面艦艇與水下航行器于一體的新型智能無人艇，能夠根據任務需求實現水面、半潛、水下全潛三種航態的自主切換，具有水面高速航行的特點，迅速進入目標區域執行相應任務后轉場撤退；又具有水下航行器的隱身特性，利用桅桿與水面基站進行連接通信，從而實現信息交互和隱蔽的目的，可長時間對目標海域進行潛伏偵測。無人艇智能控制系統快速切換航態功能，完成環境信息感知，提高任務執行機動性[1～3]。

動力推進系統與智能控制系統相輔相成，以滿足無人艇水面和水下工作要求，針對不同工況和運動特性設計高功率密度的混合動力推進系統，為有限的空間提供更高的動力，兼顧多航態下工作環境和動力需求[4,5]。智能控制系統幫助混合動力推進系統快速響應，保證系統切換的快速性、穩定性和可靠性，使得整個混合動力推進系統安全運行，通過混動控制策略提高系統的使用壽命和續航能力。

本文首先進行了混合動力系統運行模式分析。無人艇由電力推進模式驅動，實現系統節能環保、零排放、高隱身性的目的；無人艇由柴油機模式驅動，系統能量轉換環節最少，系統可靠性最高，不存在復雜的驅動模式組合，避免了加速過程中的遲頓；無人艇由機電模式驅動，系統輸出最大功率，機電深度混合，系統較為復雜，并且柴油發電機組、動力電池系統相互冗余，供電冗余性高[6,7]。然后進行了混動動力系統控制設計，設計了不同工作模式下的驅動方式和工作流程。最后對不同模式之間的切換進行了仿真分析，驗證了系統設計的可靠性。

1 混合動力系統運行模式分析

多航態無人艇主要具備噸位小、航速高、機動靈活的特點。無人艇處于水下低速航行時，一旦遇到緊急情況，需浮至水面立刻進入中高速航行模式，并且保證足夠的動力儲備，以確保無人艇在高速航行時快速機動的動力響應需求。

1.1 混合動力模式

混合動力模式的設計目的在于提高各工況下的混合動力系統能量轉換效率，提高熱機的燃油經濟性，同時提升使用無人艇低速航行的隱身性。從而在充分滿足航行以及用電負載需求的基礎上，實現系統節能環保、高隱身性的目的。

1）無人艇水下低速航行

當無人艇水下低速航行時，主要通過電力推進模式驅動無人艇運行。在動力電池電量充足的情況下由無人艇動力電池供電提供推進動力，以及供應本艇交流負載用電，此時處于零排放運行模式。水下低速航行時動力電池供電能量流向示意如圖1所示。

圖1 水下低速航行時動力電池供電能量流向示意圖

當動力電池處于電量不足的情況下，自動浮出水面切換至柴油機動力模式。

2）無人艇水面提速航行

當無人艇水面提速至經濟航行速度時，由兩臺柴油機組供電提供推進動力，兩臺電機可轉換為軸帶發電模式，為無人艇交流負荷用電。同時，通過動力電池吸收富裕功率，維持動力電池的存儲電量不低于設定的最低電量。此時，該工況與柴油動力模式一致，水面提速航行時柴油機動力模式系統能量流向示意如圖2所示。

圖2 水面提速航行時柴油機動力模式系統能量流向圖

3）無人艇水面高速航行

當無人艇推進檔位進入高速航行時，無人艇工作模式切換為兩臺主推進柴油機和兩臺軸發電機聯合驅動模式。當動力電池處于電量不足的情況下，自動降速至經濟航行速度，水面高速航行時柴油機與動力電池聯合驅動模式系統能量流向示意如圖3所示。

圖3 水面高速航行時柴油機與動力電池聯合驅動模式系統能量流向示意圖

1.2 其他工況模式

1）低功耗待機工況

低功耗待機工況下，軸帶變頻模塊處于帶電就緒狀態，推進輸出功率為0。此時無人艇主要負載為日用負荷以及部分航行負載。根據動力電池容量剩余度，可分為2種供電模式：一種是電池電量充足的情況下，可以采用動力電池提供全艇用電模式；另一種是若電池電量到限制容量（限制值可設定），則切換至單臺柴油發電機組供電模式。

2）停泊工況

停泊工況下，無人艇停靠在碼頭。此時可通過碼頭交流岸電箱為無人艇供電，通過無人艇交流電網為直流電網進行供電，然后通過電池充放電控制模塊進行電池充電管理，無需在碼頭配置電池專用充電樁，減少了碼頭的改造成本。

能量管理系統可以控制電池充放電控制模塊對動力電池進行健康充電管理，充分延長動力電池的使用壽命；同時監測電池充電過程中的實時狀態，進行充電保護管理，提升設備安全性。

2 混合動力系統控制設計

2.1 混合動力系統控制策略

本文混動控制采用邏輯控制策略，針對電池剩余容量、航速需求，設置門限值，保證滿足本艇工況的情況下，將發動機工作點限制在高效區間內。以電機作為系統的“靈活因素”，在低負荷時代替發動機工作，較高負荷時以發電機方式運行以提高發動機負荷，使發動機始終工作在效率較高的區間內。

本文中主柴油機和動力電池有四種工作狀態可供選擇，不同的工作模式對應不同的主柴油機狀態和動力電池狀態，其對應關系見表1所示。

表1 主柴油機與動力電池工作狀態

根據柴油發動機的工作特點和混合動力系統的運行規律，在何種條件下執行何種模式，每種模式下柴油機和電機輸出功率各占多少、在轉矩-轉速平面上處于哪個工作點，是控制策略所要解決的問題，如圖4所示。

圖4 基于控制策略的混合動力系統圖

針對無人艇航行規則設定：以SOC、航速為變量劃分區塊，決定電機、柴機的功率分配，根據需求航速決定模式的切換。

當無人艇處于水下低速航行時，航速低于某限值且SOC高于30%，電池單獨驅動；

當無人艇處于水面提速航行時，SOC低于30%，主柴油機單一驅動，并提供額外的轉矩給電機，此時主柴油機負荷足，工作條件好，燃油經濟性高，電機以發電方式工作，并采用恒流模式給電池組充電；SOC大于85%，主柴油機單一驅動，主柴油機額定功率較大，采用恒壓限流給電池組充電至SOC達到100%后停止充電。

當無人艇處于水面高速航行時，SOC大于30%，電機、柴油機聯合驅動；當電量不足時，這一模式不能實現。

當航速處于低速與中低速時或電量均處于中等水平時，系統保持原有工作模式不變，避免頻繁切換引起的損耗。

圖5 主柴油機與動力電池的工作狀態切換

工作狀態切換取決于無人艇負載條件和動力電池電量儲備，可以根據一定的邏輯規則自動選擇，如圖5所示。

2.1 混合動力系統控制方案

1）動力電池單一驅動功能

混合動力控制柜應在外部指令給定純電動模式工況下，實現無人艇純電池動力驅動的功能如圖6所示。

圖6 動力電池單一驅動功能

當遙控系統給定水下航行任務時，混合動力控制柜控制模式切換為純電動驅動模式，軸發變頻器運行模式處于電機模式。

混動控制器接收本地或遙控控制啟停指令，接收到啟動指令后，首先啟動齒輪箱滑油泵，滑油泵啟動并確認油壓建立后，可啟動軸帶變頻器控制軸帶電機跟隨轉速給定指令進行功率輸出。

純電動驅動模式下，應實時判斷電池電量以及電池輸出電壓，當電池電量低情況下，應限制輸出功率，當電池電量過低時，應停止軸帶變頻器并禁止啟動。

2）主柴油機單一驅動功能

當無人艇處于水面提速航行狀態時，混合動力控制柜應在外部指令給定主機推進模式工況下，實現無人艇主機動力驅動的控制功能如圖7所示。

當遙控系統給定主機模式時，混合動力控制柜控制模式切換為主機驅動模式，當工況切換完畢后，軸發變頻器運行模式切換為軸帶發電模式。

圖7 主柴油機單一驅動功能

混動控制器接收到本地或遙控控制啟停指令后，啟動推進主機，隨后控制齒輪箱主機側離合器合排，合排后主機可根據遙控指令進行轉速輸出。主機驅動模式下，主機富裕功率通過軸帶驅動變頻器進行軸帶發電，一方面提供逆變電源直流供電，另一方面為電池進行儲能。

3）主柴油機與動力電池聯合驅動功能

當無人艇處于水面高速航行狀態時，混合動力控制柜處于主機驅動模式及軸發變頻器運行模式處于電機模式，如圖8所示，動力電池采用冗余電源設計，增強了無人艇在全速航行模式下的供電連續性，提升無人艇航行安全性。動力電池一方面給逆變電源供電用于無人艇交流負載用電，另一方面可作為在網柴油發電機組的供電熱備電源，避免軸發電動/發電機故障切換機組時所帶來的短時失電，增強了系統的供電連續性，提高了航行的安全性。

圖8 主柴油機與動力電池聯合驅動功能

3 仿真驗證

為了驗證上述分析的正確性，在Matlab軟件中對混合動力系統進行了建模仿真，如圖9所示。

圖9 混合動力系統仿真模型

其中電池組選用277 Ah磷酸鐵鋰電池，截止電壓670 V，SOC為70%，額定電壓650 V，能量容量為175 kWh。柴油機1 350馬力，電機額定功率100 kW，輸入為三相交流電壓400 V，頻率50 Hz，額定轉速1 500 rpm。另有負載及逆變電源，電壓650 V，工作電流20 A。

1）PTO（發電機模式）工作模式仿真

直流電抗器電感量為200 mH，直流母線電壓650 V，充電電流30 A，負載電流20 A。

如圖10所示，電機處于發電狀態，充電電流29 A，紋波電流小于4 A，母線電壓紋波小于1 V。

圖10 電機PTO發電模式電流變化曲線

2）PTO模式到停機狀態

如圖11所示，電機由PTO模式轉為PTI（電動機模式）模式需先停機，再進行模式切換，電機停機后，電池由充電30 A，轉為20 A放電，為負載提供電能。電流在0.05 s內有40 A波動。

圖11 電機由PTO模式轉為停機狀態電流變化曲線

4 結論

本文通過對多航態無人艇混合動力系統進行設計和仿真分析可知，水下低速巡航工況下，無人艇由電力推進模式驅動，實現系統節能環保、零排放、高隱身性的目的；水面提速航行工況下，使用柴油機動力模式，系統能量轉換環節最少，系統可靠性最高，并且從低速加速至中高速過程中僅由柴油機直接加速，不存在復雜的驅動模式組合，避免了加速過程中的遲頓；水面高速航行工況下，系統輸出最大功率，機電深度混合，系統較為復雜，并且柴油發電機組、動力電池系統相互冗余，供電冗余性高；系統的動力源依次根據推進功率變換而依次進行組合，確保從每個模式切換至下一個模式時，系統的功率儲備裕量，以此提高系統燃油經濟性，提升系統效率。

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Design of hybrid power system for multi-navigation unmanned craft

Kuang Shulong, Yang Yipeng, Qiu Changqing, Li Peng

（Key Laboratory of Marine Integrated Power Technology, Wuhan 430064, China）

U664.82

A

1003-4862（2021）05-0060-05

2021-11-05

匡曙龍（1994-），男，助理工程師。研究方向：無人動力系統。E-mail：kuangshulong@163.com