0 引　言

随着我国航运业的不断发展，带来的污染与能源消耗问题也越来越严重。国家多项相关政策的出台反映了我国对于航运业的节能减排、健康可持续发展问题的重视，对于船舶技术也提出了新的环保要求^[1-2]。

尽管纯电动力船舶已在内河领域得到一定应用，但其有限的续航能力成为制约其进一步发展的重要因素。引入混合动力系统除了能节能减排，还可以有效降低噪声、振动，并能扩大航行区域。船舶混合动力系统可通过对多种能源的合理管理，充分发挥各能源的工作特性，实现船舶动力系统的高效、低碳运行^[3]。针对船舶混合动力系统，国内外已做不少研究，柴经纬^[4]研究了具有轴带发电机燃油推进和蓄电池混合动力系统的基本框架，分析了其运行模式和优势。范立云等^[5]研究了气电混合动力船舶的参数匹配和能量管理策略，并证实了该系统的节气效果。李利杰^[6]研究了包括柴油主机、燃料电池、蓄电池为动力源的船舶混合动力系统，讨论了系统的能量配置和优化问题。上述研究主要面向工程类船舶，船舶混合动力系统在客船应用方面也具有不少优势。

为此，以柴油发电与动力电池2种动力源组成的油电混合动力客船为研究对象，提出动力系统总成方案，并进行参数配置，提出一种适合工程应用的船舶能量控制策略，以期在保障船舶动力性能的基础上，有效减少能源消耗与污染排放，满足船舶绿色低碳的发展需求。

1 动力系统总成方案

研究对象船舶属于第四类小型客船（如观光船），适航水域为B级航区，主要设计指标如表1所示。该船舶额定船员为3名，最高可载客32名。在蒲氏风力不超过3级、浪高低于2级的情况下，该船舶可达到的最高船速为12 km/h，能够快速完成启动，减少船舶航行过程中噪声的污染排放。

考虑到航道工况复杂，船舶的正常航行速度一般为最高设计航速的70%～80%；在计划靠岸时，船舶正常航行速度一般为最高设计航速的20%～30%。

混合动力船舶采用串联式混合动力系统，基本结构如图1所示。

该串联式混合动力系统主要有柴油发电机组和电池组2种动力源。相应地，船舶动力系统的运行模式分为4种模式：电池组单独供电（模式1）、柴油发电机组单独供电（模式2）、混合供电（模式3）和岸电充电（模式4）。

2 船舶动力系统参数匹配

在确定船舶的主尺寸与船型等参数之后，通过估算船舶阻力，并测算出船舶推进功率、航速等重要指标。为了确保船舶满足所设计的指标和要求，需要对动力系统进行参数匹配。

2.1 螺旋桨的参数匹配

就船舶整体而言，螺旋桨是能量转换的主要装置之一。螺旋桨会在很大程度上影响船舶航行的效率，在选择螺旋桨时需要综合考虑^[7]。船用螺旋桨的参数匹配主要涉及螺旋桨的直径与转速。

1）螺旋桨直径的确定

确定螺旋桨直径需要兼顾船舶的设计吃水、内河河流深度等条件，还要考虑螺旋桨安装时的沉没深度，要避免螺旋桨露出水面及空气吸入等情况。螺旋桨的直径可以根据经验公式确定：

$ {D_p} = (0.7\sim 0.8){T_{Wa}} 。$

(1)

式中，$ {T_{Wa}} $为船舶的设计吃水。

为了确定螺旋桨的最佳直径，可以根据设计图谱来选择，使其尽量对应较高的螺旋桨淌水效率，且不超过船舶的尾型与设计吃水。

2）螺旋桨转速的确定

通常螺旋桨转速越高，相应的船舶推力就越大。但如果螺旋桨的转速超过了其最佳转速，螺旋桨的周围容易产生空泡，使局部区域的压力骤增，从而严重降低螺旋桨的推进效率。因此，基于经验考虑，可设定螺旋桨的最高转速为700 r/min。

2.2 齿轮箱的参数匹配

螺旋桨的运行效率与其转速有较大关系，在主机的转速大于螺旋桨最佳转速的情况下，采用齿轮箱进行传动可以在保证功率传递的同时减小螺旋桨的转速。在对齿轮箱进行参数匹配时，需要综合主机的转速范围与螺旋桨的转速，选择合适的减速比与满足条件的传递能力，然后再综合齿轮箱的其他约束条件，最后选定最适合的齿轮箱。齿轮箱的额定传扭力通过下式来确定：

$ M > {P_N}/{n_N} 。$

(2)

式中：$ M $为齿轮箱的额定传扭力；$ {P_N} $为推进电机的额定功率，kW；$ {n_N} $为其额定转速，r/min。

2.3 推进电机的参数匹配

混合动力船舶的推进电机需要匹配的参数主要有峰值转速、额定转速、额定转矩、额定功率^[8]。可知，螺旋桨的最高转速设定为700 r/min，设齿轮箱的减速比为$ {m_G} $:1，则推进电机需提供的最大转速为：

$ {n_{T\max }} = {m_G}{n_{\max }} 。$

(3)

电动机的扩大恒功率区系数$ \beta $的取值范围一般为2～4，则推进电机的额定转速为：

$ {n_N} = {n_{T\max }}/\beta 。$

(4)

推进电机的峰值功率为：

$ {P_{\max }} = \lambda {P_N} 。$

(5)

式中：$ {P_{\max }} $为推进电机的峰值功率；$ {P_N} $为推进电机的额定功率；$ \lambda $为电机过载系数。

电机的转矩为：

$ {T_N} = 9550\frac{{{P_N}}}{{{n_N}}} 。$

(6)

取$\,\beta $=2、$ \lambda $=1.5，同时考虑留有一定的裕度，代入上述公式进行计算，可得推进电机的额定转速为1100 r/min。

已知选择螺旋桨转速为700 r/min，选择螺旋桨的叶数为4叶，船舶最高设计船速为12 km/h。参照文献[9]对推进电机的功率进行估算，可得到选择的单台推进电机的功率为42 kW。

2.4 柴油发电机组的参数匹配

柴油发电机组是串联式混合动力船舶动力系统的重要组成部分，这部分的参数匹配结果将直接影响船舶的动力性和经济性。发动机的参数选择一定要满足船舶的动力性需求，而且要将发动机的工作范围控制在最佳燃油经济区内。

选择的发动机的输出功率需满足船舶最大需求功率的要求，即满足下式：

$ {P_{e\max }} > {P_{\max }} 。$

(7)

式中：$ {P_{e\max }} $为柴油发动机的最大输出功率；$ {P_{\max }} $为船舶在航行时的最大需求功率。

考虑船舶上其他电气负载，取发动机额定功率为40 kW。发电机的参数选择与发动机匹配的参数有关，一般情况下，发电机输出功率要小于发动机功率，发电机额定转速的选择要与发动机的额定转速保持一致，因此选取额定功率为30 kW、额定转速为1500 r/min的柴油发电机组。

2.5 电池组的参数匹配

电池组是油电混合动力船舶的一个重要动力源，其应该具备良好的充放电性能，且电池组所输出的功率需满足船舶最高航速的要求。对于混合动力船舶来说，电池组的总容量并不是越大越好。虽然大容量电池组可以使船舶的续航力大大提升，但电池组的重量以及其所占空间和成本投入也会增加，使船舶动力性和经济性性能降低。

因此，电池组的参数匹配要适中，可以根据以下公式来计算：

$ {P_{E\max }}{\eta _E} \geqslant {P_{sail}} ，$

(8)

$ {W_{ess}} = {P_{E\max }}{t_b} = {C_b}{U_b}/1\;000 。$

(9)

式中：$ {P_{E\max }} $为电池组最大输出功率，kW；$ {P_{sail}} $为船舶航行过程中所需最大负载功率，kW；$ {\eta _E} $为电池组的效率；$ {W_{ess}} $为电池组实际输出能量，kWh；$ {t_b} $为续航时间，h；$ {C_b} $为电池容量，Ah；$ {U_b} $为电池组的标称电压，V。

假设船舶的其他电力负荷为20 kW，这些电力负荷主要来自空调设备、通信及导航设备、照明灯具设备和舱室通风机设备等。取$ {\eta _E} $=0.95、$ {t_b} $=3，同时考虑到船舶正常负载功率不会达到峰值，代入推进功率42 kW，可计算得到电池组最大输出功率$ {P_{E\max }} $应设定为52 kW，电池标称电压为386.4 V，进一步可得到电池容量$ {C_b} $为403.7 Ah。

3 控制策略

所研究船舶包含电池组与柴油发电机组2个能量源。由于该船舶的航行河道要求船舶具备较优的排放性能和较低的噪声。因此，确定该船的主要能源为电池组，以保证船舶的低排放与安静航行^[10]。

为了提高柴油发电机组的运行效率，现根据柴油发动机的工作特性，对柴电机组的运行区间进行人为规定。如图2所示，曲线最高点对应着柴油发动机的最佳效率工作点，$ {P_{\text{Eng}}} $为发动机的工作功率，基于此，规定柴油发动机的最佳工作区间为[$ {P_{\text{low}}} $, $ {P_{\text{high}}} $]。

为了保证船舶的电池组高效率运行，同时防止电池组过度放电，现规定电池组的工作区间，即[a%,100%]。此处的电池组工作上限为电池组SOC=100%，而电池组的工作下限需要根据实际情况进行设置，将电池组的工作下限设为SOC=25%。

所研究船舶在运行周期内以使用电池组供电为主，根据电池组SOC和船舶当前需求功率来确定船舶以哪种工作模式运行，图3为船舶的能量控制策略示意图。

在图3中，F为电池组的充电标志位。F=0，表示电池组在放电；F=1，表示电池组在充电。电池组充电期间不对外进行放电，且充电标志位F一直为1，直至电池组SOC>30%时，充电标志位F变为0。此外，图中$ {P_{\rm{boat}}} $指船舶航行过程中所需的总功率，包括电机需求功率和其他电气负载需求功率。

根据该能量控制策略，当电池组SOC>25%时，电池不在充电状态，且需求功率小于电池组所能提供的功率，运行第1种工作模式，$ {P_B} = {P_{{\rm boat}}} $；当电池组的SOC>25%时，电池不在充电状态，且需求功率大于电池组所能提供的功率时，运行第3种工作模式，$ {P_G} = {P_{\rm low}} $，$ {P_B} = {P_{\rm boat}} - {P_{\rm low}} $；当电池组SOC<25%时，电池处在充电状态，当需求功率小于$ {P_{\rm low}} $时，运行第2种模式，$ {P_G} = {P_{\rm low}} $，$ {P_B} = {P_{\rm low}} - {P_{\rm{boat}}} $，在电池组SOC<30%时，电池组的充电状态会一直延续；当电池组的SOC<25%时，电池处在充电状态，当需求功率大于$ {P_{\rm low}} $，运行第2种模式，$ {P_G} = {P_{\rm high}} $，$ {P_B} = {P_{\rm high}} - {P_{\rm boat}} $，同样地充电直至电池组SOC≥30%；当船舶靠岸后，船舶通过岸电对电池组进行充电，如船舶上有仍有用电设备需要工作，由岸电直接供给，工作模式为模式4。

4 实验与能耗性能评价 4.1 船舶航行工况仿真实验

根据船舶的设计指标与参数匹配结果，利用现有的混合动力实验平台^[11]，对整个船舶的动力系统进行仿真实验。综合混合动力内河观光船的基本参数和船舶的循环工况特点，船舶的设定航速如图4所示。

在整个船舶的设定工况中，船舶航行总时长为20 min。船舶启动后以2 km/h的速度航行，4 min时加速到9.6 km/h；8 min时，船舶再次进行加速，船速达到12 km/h；在最高设计航速下运行4 min后进行减速，设定船速为8 km/h；16 min时，船舶再次进行减速，此时船速2 km/h，运行4 min后结束。

在此段运行周期里，电池组SOC初始值为43%，船舶的其他电力负荷为10 kW。为研究推进功率与航行速度的关系，选取了500个采样点，绘制了船舶推进电机负载功率与船舶实际速度曲线，具体如图5所示。

可知，船舶在最高设计航速12 km/h下运行约4 min，此时的推进电机的负载功率为42 kW左右，证明参数匹配的结果能够满足船舶最高航速的设计要求。在运行周期内，电池组的SOC变化趋势如图6所示。

可知，电池组运行14.5 min后，其SOC变为25%，此时电池组不再对外供电，船舶由柴油发电机组进行供电，仿真结束后，电池组的SOC值为27%。

运行过程中，柴油发电机组的输出功率变化如图7所示。

结合图6与图7，能够发现在整个运行期间，电池组先对船舶推进电机与其他电力负载进行供电，在SOC变为25%时停止对外供电，此时由柴油发电机组进行供电，柴油发电机组输出的能量被推进电机和其他电力负载消耗，剩余的能量用来对电池组进行充电，电池组在充电期间不对外进行供电。在柴油发电机组供电期间，2台柴油发电机组配合工作，运行在一个较优的工作区间，对燃油的利用率较高。

4.2 能耗性能评价

混合动力船舶在整个仿真过程中，电池组的SOC变化量约为17%，混合动力实验平台的电池组容量为100 Ah，即电池组被消耗约8.5 kWh的电量。柴油发电机组运行约6 min，消耗约0.85 L柴油。若将消耗的电量等效为燃油消耗，当前电价为每千瓦时0.617 元，当前柴油价格为每升6.52 元，混合动力船舶在一个运行周期内，电池组被消耗约8.5 kWh的电量，假设电池组转化效率为0.8，则等价于消耗掉1 L柴油，等效于混合动力船舶在这个运行周期内消耗掉1.85 L柴油。

采用电池组单独提供能量进行仿真，整个运行周期结束后，电池组SOC变化量为23.6%，即相当于船舶整个运行周期内消耗掉11.8 kWh的电量。整个运行周期内没有消耗燃油，即相当于零排放。如果将消耗的电量等价于所消耗的燃油量，即相当于消耗掉1.4 L柴油。

采用柴油发电机组单独提供能量进行仿真，柴油发电机组一直运行在设定的工作区间内，柴油发电机组产生的能量提供给推进电机与船舶上其他电力负荷使用，多余的能量用来给电池组充电。一个运行周期结束后，船舶的柴油发电机组消耗掉3.2 L柴油，电池组的SOC增加量为1.2%。如果将增加的电量等价于燃油量，则在整个仿真周期内，相当于消耗掉3.13 L柴油。

综合柴油发动机驱动方式与混合动力驱动方式的仿真实验结果，得到不同方式的燃油消耗量，如表2所示。

可知，混合动力船舶在一个运行周期内，使用电池组进行供电的时间越长，其消耗的燃油量就越少，所产生的污染排放就越少，排放性能就越好，其相对于柴油发动机作为主机的情况的排放优势越大。混合动力船舶的能耗性能与环保性能明显优于柴油发动机作为主机的方案，符合当前航运节能减排、绿色发展的政策，能够切实地减少污染物的排放，保护环境。

5 结　语

根据船舶设计指标，介绍了油电混合动力船舶动力系统的总成方案和参数匹配方法，得到了船舶动力系统各主要设备参数。考虑到柴油发电机组和电池组的运行效率，提出了油电混合动力船舶能量控制策略。最后在混合动力船舶实验平台上进行了仿真，对不同动力系统的能耗进行了分析。实验结果表明，相同工况下，混合动力船舶会比柴油发动机作为主机的船舶消耗更少的燃料，且混合动力船舶在航行周期内，使用电池组进行供电的时间越长，其排放性能就越好，相对于柴油发动机作为主机的情况下的排放优势越大。相对于传统船舶，油电混合动力船舶动力系统投入较大，针对这一情况，后续可以对船舶动力系统部分设备的参数匹配结果进行修正，降低混合动力船舶动力系统的资金投入。