混合动力船舶电力系统探究

混合动力船舶电力系统探究

严鑫

江苏大洋海洋装备有限公司，江苏 泰兴225453

身份证号：321201199004041410

摘要：随着社会的不断发展与科技的不断进步，对船舶电力系统提出了更高的要求，船舶电力系统面临的既是机遇也是挑战。但是，就目前的情况而言，能耗居高不下，对设备的使用寿命和实际能效都造成了极大的威胁。因此，研究混合动力船舶电力系统具有重要意义。下面笔者就对此展开探讨。

关键词：混合动力；船舶；电力系统

1混合动力系统的原理及组成概述

混合动力船舶电力系统船舶电力系统主要是将各种能量转变成为电能，并负责对船舶各用电设备进行电力传输。混合动力系统目前广泛应用在汽车领域（油电混合动力），通过设置蓄电池回收车辆刹车时的能量，在车辆起步阶段采用电力推进的方式获得快速的动力响应，减少了发动机怠速状态的出现，特别适合频繁加减速的城市交通，以其超高的燃油经济性获得了越来越多消费者的青睐。混合动力系统主要有以下3种形式：串联式、并联式、混联式。串联式混合动力系统内燃机与驱动系统不直接相连，内燃机将化学能转化为机械能，发电机将机械能转化为电能，电动马达再将电能转化为机械能，带动齿轮箱进而驱动车辆前行。当车速较低时，电能在驱动车辆前行的同时还将分出一部分储存在蓄电池中，以起到节能的效果。串联式混合动力系统需要进行两次完整的能量转换，先天条件限制决定了与别的混合动力系统相比，串联式混合动力系统能量利用率不高。

与乘用车相比，船舶对于蓄电池带来的重量增加不敏感，但是对于传动轴的布置较为敏感，电推船舶的兴起很大程度上是因为电力推进系统给轴系布置带来的便利性以及整个动力系统较低的振动和噪音。结合对功率的要求，并联式混合动力系统更加适合LNG动力船舶，尤其是工况频繁发生变化的工作船，如拖轮、环保船、加注船等。

2船舶混合动力系统能量管理策略

混合动力系统内存在两个动力源——内燃机和蓄电池，是否能得到最优的能量利用效率取决于不同工况下不同动力源的配合输出效果，因此能量管理逻辑的建立是多能源系统能量管理的核心内容。根据现在世界各国研究人员的研究成果，可以将能量管理方法大致分为基于规则的能量管理策略和基于优化的能量管理策略。基于规则的能量管理策略在混合动力汽车的应用中较为普遍。常见的基本能量管理规则包括恒温器式和功率跟随式。恒温器式能量管理策略设置了一组管理阈值，即以蓄电池的状态SOC（stateofcharge）作为能量管理的依据。当蓄电池的能量充足，超过SOC阈值高点时，关闭发动机，依靠蓄电池的电能推动车辆前行。当蓄电池的能量不足，低于SOC阈值低点时，启动发动机，并控制其工作状态为燃油经济性最佳的点，输出恒定的功率，部分功率用来驱动汽车，剩余的功率用来给蓄电池充电。在车辆行驶速度较低，频繁加减速并且蓄电池容量较大的情况下，恒温器式能量管理策略表现较好，但是当功率需求大，蓄电池容量较小的情况下，按照恒温器式能量管理策略的控制，发动机就会频繁启停，蓄电池频繁充放电，动态损耗增加，整体能量利用效率降低。功率跟随式能量管理策略在设置蓄电池SOC阈值的同时，还需要划出燃油经济性比较好的主机输出功率上下限。同恒温器式能量管理策略限定主机输出功率为燃油经济性最佳的点相比，功率跟随式能量管理策略允许主机输出功率在一个燃油经济性比较高的范围内波动。即当蓄电池能量高于SOC阈值高点时，允许主机调整输出功率为较小的值，而不是直接关闭主机。这样减少了主机的启停次数，同时也能保证主机处在一个燃油经济性较好的功率输出范围内，提高了能量利用效率。从海工船舶的使用场景考虑，功率跟随式能量控制策略更为适合。

3初步设计

选择能够放大混合动力系统优势的功率跟随式能量管理策略，采用并联式混合动力船舶将能够在保证动力性的同时兼具良好的燃油效率和排放特性，当燃料经济性带来的优势大于混合动力系统成本的劣势，且布置符合安全规定时，混合动力船舶就能具备良好的市场竞争力。混合动力系统能量管理策略不能脱离实际工况独立存在，设置蓄电池的最主要目的是过滤掉功率需求的突然变化对主机运转产生的不利影响。因此，不同的最大功率需求、工况比例和在港／在航时间比例直接影响主机配置与能量管理策略的选择与制定。港作拖船具有工况变化频繁，功率需求变化大的特点，与混合动力系统的优点较为契合，因此以采油公司港作拖轮及其工况为对象，进行气电混合动力系统及能量管理策略的初步设计。

以海洋石油521／522为例，该船航时⁃功率分配见图1。

图1拖船航时⁃功率分布

根据统计，拖船约75％的工作时间处于主机负荷30％的状态，高负荷的状态占比仅为4％。单航次对功率的需求大致分为3部分：11ｈ需要在1440KW的输出功率下工作，1.5ｈ需要在2400KW的输出功率下工作，0.5ｈ需要在3360KW的输出功率下工作。即整个航次对功率的平均需求为1624KW。根据实际需求情况，气电混合动力系统配置一大一小两台气体机，功率配置分别为1500KW和3000KW，以便满足在低功耗阶段1440KW的功率输出要求，同时实现气体机高效运转（气体机负载75％）；在中功耗阶段使用3000KW气体机，以便满足功耗2400KW的功率输出要求并实现气体机高效运转；在高功耗阶段使用3000KW气体机＋蓄电池满足短时间高功率的需求。根据电池组放电通常控制在0.5～0.7Ｃ范围内的要求，电池组配置1.5MW容量，以便实现910KW的功率输出要求，高功率输出时间可延长至约1.5ｈ，完全满足拖轮服务时间要求。

根据混合动力系统配置情况，制定能量管理策略如下。在拖轮到达作业港区前，由1500KW气体机提供动力，到达港区后由3000KW气体机提供动力，高功率顶推期间由电池组和3000KW气体机提供动力，电池组放电阈值低点设置为30％SOC，一旦电池的状态低于30％SOC，则同时启动1500KW和3000KW气体机；满足高功率顶推要求的同时，对电池组进行充电，充电阈值高点设置为95％SOC，达到95％SOC时，不再对电池组进行充电，由两台气体机对外做功满足顶推要求。

4 经济性考量

适用于港作拖轮的气电混合动力系统应由两台LNG气体机作为原动机，采用并联式混合动力系统，充分发挥蓄电池对提升拖轮最大输出功率的优势，采用直流电力推进系统，省去配电盘中的并车装置和部分变压器，将部分配电盘的交流开关与变频器进行集成，实现更高的整体效率，延长发电机的寿命，对电池系统具备更好的兼容性。以功率为4700KW的港作拖船为例，根据目前电动船舶的电池使用和中国船级社的发证情况，气电混合动力系统宜选用宁德时代生产的磷酸铁锂电池，含电池管理系统及框架的价格约为315万元，重量约为15ｔ。采用混合动力系统的海工船舶总造价与采用LNG动力＋电推系统的总造价相似；但是在低工况（守护、待机、缓行）占总航行时间比较较高时，LNG作为燃料的使用率及发电机整体效率均有大幅提升，与常规柴油动力拖轮相比，年节约燃料费用约667.5万元。为了使蓄电池高效工作，应确保SOCbatt在0.6左右

结束语

综上所述，LNG作为一种低碳燃料，与甲醇、氢、氨等低碳／零碳能源在可供性、经济可接受性、技术成熟度、法规完备性等方面具备明显优势。LNG与动力电池的结合将显著提升负荷需求变化较大的海工船舶燃料利用效率，有助于实现碳达峰碳中和目标要求。还可以提高系统的稳定性和经济性，使系统运行达到最优化。

参考文献：

[1]钱朋,李海林.船舶侧推装置电气故障成因及解决办法[J].珠江水运,2021,(21):170-171.

[2]孙张慧.船舶电气接地故障的查找及解决方法[J].船舶标准化工程师,2021,54(06):159-162.