輕度混合動(dòng)力船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)研究

周詩堯，陳自強(qiáng)，黃德?lián)P，吳佳銘，姜余

（上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240）

在傳統(tǒng)能源供應(yīng)日趨緊張、環(huán)境問題不斷加劇的大環(huán)境下，新能源船舶已經(jīng)成為研究新趨勢，包括各類柴油機(jī)減排技術(shù)、太陽能船舶、純電動(dòng)船舶以及混合動(dòng)力船舶。目前，船舶燃油消耗率、污染物排放較高的工況主要是加速階段與惡劣海況環(huán)境下的航行。

傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)船舶，船舶推進(jìn)裝置在啟動(dòng)、加速階段船舶柴油機(jī)處在低速高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行。此時(shí)，船舶柴油機(jī)的碳?xì)漕w粒與NOx排放濃度最高[1]。在惡劣雜海況環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，船舶柴油機(jī)輸出功率頻繁波動(dòng)，造成船舶油耗增加，航速減慢。為了應(yīng)對(duì)越來越嚴(yán)苛的船舶排放法規(guī)，目前較為可行的辦法是采用低硫燃油、LNG作為船舶燃料或安裝廢氣凈化裝置[2-3]。

純電動(dòng)船舶雖然可以做到零排放，但是受電池成本高、續(xù)航里程短的限制，目前僅在少數(shù)小型觀光船、游艇上使用，還不具備推廣與實(shí)用價(jià)值[4]。

最為著名的大型太陽能船舶有：2008年日本的太陽能貨船“御夫座領(lǐng)袖”號(hào)，其太陽能電池陣列輸出功率達(dá)40 kW，能滿足0.2%~0.3%的動(dòng)力需求[4]；國內(nèi)最大太陽能船舶“中遠(yuǎn)騰飛”輪采用540塊峰值功率為265 W的太陽能電池，裝機(jī)容量150 kW[5]。由于目前太陽能電池能量轉(zhuǎn)化效率低（一般<25%），船舶夾板面積有限，光伏陣列發(fā)電功率有限，所以節(jié)能減排效果并不明顯。另一方面，受天氣、船舶航向、太陽入射角等環(huán)境因素的影響，光伏陣列輸出功率波動(dòng)會(huì)對(duì)船舶電網(wǎng)造成沖擊。一般船舶光伏發(fā)電需要配合儲(chǔ)能裝置共同使用。在惡劣天氣條件下，光伏陣列無法為船舶提供電能。

混合動(dòng)力船舶就是將柴油機(jī)與輔助動(dòng)力單元組合作為船舶的驅(qū)動(dòng)力。讓一部分動(dòng)力由電池-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)?；旌蟿?dòng)力裝置既發(fā)揮了柴油機(jī)續(xù)航時(shí)間長，運(yùn)行效率高的優(yōu)點(diǎn)，又可以發(fā)揮電動(dòng)機(jī)無污染、扭矩大、動(dòng)力輸出響應(yīng)迅速的優(yōu)勢。

當(dāng)船舶航行在惡劣天氣與復(fù)雜海況下，風(fēng)、浪、流的變化會(huì)對(duì)推進(jìn)器負(fù)荷帶來擾動(dòng)[6]。頻繁的負(fù)載擾動(dòng)會(huì)造成動(dòng)力裝置的油耗與排放污染物增加。輕度混合動(dòng)力技術(shù)可以有效減少船舶柴油機(jī)輸出負(fù)載波動(dòng)，提高動(dòng)力裝置的加速響應(yīng)性。在惡劣海況環(huán)境下，混合動(dòng)力系統(tǒng)還能讓船舶柴油機(jī)長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行在高效率區(qū)間，改善船舶在運(yùn)行工況頻繁變化的情況下的廢氣排放，減少船舶燃油消耗。

文中將重點(diǎn)研究船舶使用輕度混合動(dòng)力的優(yōu)勢、輕度混合動(dòng)力裝置中能量、功率密度兼顧型的儲(chǔ)能系統(tǒng)選型、儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化及功率分配策略。

1 輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)勢

柴油機(jī)在低速大負(fù)荷、輸出功率頻繁波動(dòng)時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能均較差?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)可以提供一部分輔助功率，快速填補(bǔ)動(dòng)力裝置在惡劣海況下的短時(shí)功率波動(dòng)，提高動(dòng)力裝置的加速響應(yīng)速度、平穩(wěn)性、排放和燃油經(jīng)濟(jì)性。

將混合動(dòng)力系統(tǒng)基于任務(wù)的分類方法分成3類：輕度混合型、功率混合型和能量混合型。

與輕度混合方式相比，功率混合方式和能量混合方式存在以下缺點(diǎn)。

1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的改動(dòng)較大。

2）性能冗余。船舶運(yùn)行工況比較穩(wěn)定，啟動(dòng)加速過程分多個(gè)階段進(jìn)行，所以不需要大容量或大功率輔助動(dòng)力裝置。

3）成本較高。大功率或大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本較高。

4）可靠性差。大功率或大容量儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在惡劣海況下，容易發(fā)生連接故障與絕緣故障。

5）系統(tǒng)母線電壓較高、電流較大。在惡劣海況下，輔助動(dòng)力系統(tǒng)頻繁的功率變化容易導(dǎo)致功率器件失效。

輕度混合技術(shù)由于混合程度小、電機(jī)功率低，只需要對(duì)船舶動(dòng)力裝置進(jìn)行小幅度改造，對(duì)已投入運(yùn)營的船舶進(jìn)行升級(jí)改造也較為容易。輕度混合技術(shù)所需的儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量、功率較小，成本相對(duì)較低，設(shè)備占用空間、質(zhì)量也較小。系統(tǒng)在惡劣海況環(huán)境下，可靠性更高。

輕度混合動(dòng)力船舶按照能量合成的形式主要分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種。

串聯(lián)式主要應(yīng)用于電力推進(jìn)船舶，動(dòng)力系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)和推進(jìn)電機(jī)三部分動(dòng)力總成組成，組合結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)推進(jìn)器處于加速工況時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)共同向電動(dòng)機(jī)提供電能。當(dāng)船舶定速巡航或怠速工況時(shí)，則由柴油發(fā)電機(jī)組向儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。串聯(lián)式混合動(dòng)力船舶不管在什么工況下，最終都由電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)螺旋槳。

并聯(lián)式混合裝置適用于以柴油機(jī)作推進(jìn)船舶。通過柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)并車，以機(jī)械能疊加的方式驅(qū)動(dòng)螺旋槳，結(jié)構(gòu)如圖2所示。柴油機(jī)與電動(dòng)機(jī)分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨(dú)立地向船舶軸系傳遞扭矩，在不同的工況下既可以共同驅(qū)動(dòng)，又可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)既可以作電動(dòng)機(jī)，又可以作發(fā)電機(jī)使用。啟動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)向電動(dòng)機(jī)供電，此時(shí)電動(dòng)機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)的盤車機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)推進(jìn)器處于加速工況時(shí)，柴油機(jī)組和電動(dòng)機(jī)共同向軸系提供扭矩。當(dāng)船舶定速巡航或怠速工況時(shí)，則由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電，為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。

2 儲(chǔ)能元件選型

儲(chǔ)能系統(tǒng)是輕度混合動(dòng)力裝置的關(guān)鍵部件之一，直接影響輕度混合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。

儲(chǔ)能元件被分為功率型儲(chǔ)能元件與能量型儲(chǔ)能元件，而船舶輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的最大矛盾是同時(shí)存在大能量密度與高功率密度的剛性需求。目前技術(shù)較為成熟且通過中國船級(jí)社認(rèn)證的儲(chǔ)能元件，無法同時(shí)具備大容量密度與高功率密度。為了滿足輕度混合動(dòng)力船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，如多單獨(dú)采用功率型元件或能量型元件，會(huì)造成容量冗余或功率冗余，使儲(chǔ)能裝置過于復(fù)雜、成本過高。

復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)是將不同類型儲(chǔ)能元件通過特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合而成的儲(chǔ)能系統(tǒng)。其結(jié)合了能量型儲(chǔ)能元件與功率型儲(chǔ)能元件的優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)低成本儲(chǔ)能裝置的最佳解決途徑[7-9]?，F(xiàn)階段可以利用的儲(chǔ)能技術(shù)有多種，主要包括：壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能以及蓄電池儲(chǔ)能等。

蓄電池儲(chǔ)能常采用鋰離子蓄電池作為儲(chǔ)能元件。鋰離子電池循環(huán)壽命、比能量密度等綜合性能均優(yōu)于其他類型蓄電池。超級(jí)電容的比功率密度較大，循環(huán)壽命長，但比能量密度極小。飛輪儲(chǔ)能的比能量密度與比功率密度處于兩者之間，但飛輪儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、能量轉(zhuǎn)換與傳輸效率低。三種常用儲(chǔ)能元件部分性能參數(shù)見表1。

表1 常用儲(chǔ)能元件性能參數(shù)對(duì)比

目前超級(jí)電容和鋰離子電池的互補(bǔ)特性使其組成的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)成為未來輕度混合動(dòng)力船舶復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展方向，但是鋰離子電池中只有磷酸鐵鋰電池通過了中國船級(jí)社認(rèn)證。

3 復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前超級(jí)電容-鋰離子電池復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、能量轉(zhuǎn)換與傳輸效率低。為全面提升復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)用性以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與功率分配問題是當(dāng)前復(fù)合儲(chǔ)能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

3.1 常見復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

超級(jí)電容-鋰離子電池復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下所述[10]。

1）直連式結(jié)構(gòu)。直連式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 3所示，該結(jié)構(gòu)將電池模塊與超級(jí)電容模塊直接并聯(lián)在儲(chǔ)能裝置的高壓母線上，高壓母線直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換為三相交流電。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、可靠性高。但該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也存在明顯的缺點(diǎn)，無法控制儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部功率分配，導(dǎo)致該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)既無法發(fā)揮超級(jí)電容功率密度大的特點(diǎn)，也無法發(fā)揮鋰離子電池能量密度大的優(yōu)勢。

2）串連式結(jié)構(gòu)。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)是在直連式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在電池模塊與超級(jí)電容模塊間加入一個(gè)雙向DC/DC，從而實(shí)現(xiàn)了不同儲(chǔ)能模塊間的功率分配功能。根據(jù)DC/DC的位置不同，串聯(lián)式結(jié)構(gòu)分為兩種結(jié)構(gòu)形式。如圖 4a所示，該串聯(lián)結(jié)構(gòu)在電池模塊與系統(tǒng)高壓母線之間加入了DC/DC變換器。該結(jié)構(gòu)所需的DC/DC功率較小，但系統(tǒng)大部分電能兩次通過DC/DC變換器，功率分配導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)移損失較大。如圖4b所示，該串聯(lián)結(jié)構(gòu)在超級(jí)電容模塊與系統(tǒng)高壓母線之間加入 DC/DC變換器。該結(jié)構(gòu)所需的DC/DC功率較大，成本較高，系統(tǒng)內(nèi)僅小部分電能流經(jīng)DC/DC變換器，功率分配導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)移損失較大。

3）并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)通過兩個(gè)DC/DC變換器將超級(jí)電容模塊、電池模塊耦合到儲(chǔ)能系統(tǒng)的高壓母線上，如圖5所示。該結(jié)構(gòu)母線電壓相較于直連式、串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，高壓母線的電壓更為穩(wěn)定。該結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，成本較高，系統(tǒng)可靠性較低，并且由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的電能的充放都需要通過 DC/DC，造成系統(tǒng)的能量損耗較大。

3.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

綜合考慮系統(tǒng)復(fù)雜度、可靠性以及成本，本文對(duì)圖4a的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減少功率分配過程中的能量損失。優(yōu)化后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

兩個(gè)儲(chǔ)能模塊之間通過一個(gè)大功率肖基特二極管 D1與一個(gè)雙向DC/DC變換器進(jìn)行功率分配。在船舶實(shí)際運(yùn)行過程中，復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行工況主要是大功率放電、小功率充電。在大功率放電時(shí)，部分電流會(huì)流經(jīng)D1，因此該結(jié)構(gòu)需要的DC/DC的額定功率較小，相比圖4a拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了DC/DC充電功率冗余。二極管電能轉(zhuǎn)移效率高于DC/DC變換器，在儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)，優(yōu)化后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)移效率更高。尤其是當(dāng)船舶航行在惡劣海況環(huán)境下，儲(chǔ)能系統(tǒng)頻繁輸入輸出電能時(shí)，該DC/DC能量轉(zhuǎn)移效率高的特點(diǎn)更為明顯。

文中優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的雙向 DC/DC變換器由BOOST與BUCK兩個(gè)單向DC/DC電路并聯(lián)組成。其中電池模塊輸出電流由BOOST電路升壓后流入儲(chǔ)能系統(tǒng)高壓母線，高壓母線電流由 BUCK電路降壓后流入電池模塊。該變換器相比大功率全橋 DC/DC變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可簡化控制策略等優(yōu)勢。當(dāng)該DC/DC變換器中的BUCK降壓電路失效時(shí)，該儲(chǔ)能裝置依舊可以在惡劣海況環(huán)境下繼續(xù)運(yùn)行。

4 復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配策略

合理的功率分配策略具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：能夠在滿足輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)功率需求的同時(shí)，充分發(fā)揮超級(jí)電容功率密度大和磷酸鐵鋰電池能量密度大的特性；盡可能減少磷酸鐵鋰電池的累計(jì)充放循環(huán)次數(shù)，避免對(duì)其大倍率充放電，減少充放電電流突變，以延長其使用壽命[8]。

輕度混合動(dòng)力船舶在不同運(yùn)行工況下，復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率分配策略也各不相同。文中復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配控制策略如圖7所示，將船舶的運(yùn)行工況分為四類，不同工況下功率分配控制策略如下所述。

1）船舶啟動(dòng)加速初期。此時(shí)系統(tǒng)需要短時(shí)峰值功率輸出存儲(chǔ)的電能。系統(tǒng)先由超級(jí)電容模塊直接向儲(chǔ)能系統(tǒng)母線供電。此時(shí)，隨著超級(jí)電容模塊放電深度（DOD）的不斷增加，儲(chǔ)能系統(tǒng)母線電壓開始降低。當(dāng)母線電壓低于某一預(yù)值時(shí)，雙向DC/DC開始從磷酸鐵鋰電池模塊中放出電能，升壓后輸入儲(chǔ)能系統(tǒng)高壓母線。DC/DC的輸出功率隨母線電壓成反比。該工況下，母線主要由超級(jí)電容供電，充分發(fā)揮了超級(jí)電容功率密度大的特點(diǎn)，減少了電池模塊使用，有助于延長電池模塊的使用壽命。

2）推進(jìn)器加速后期。此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率開始減小，DC/DC輸出功率達(dá)到額定功率后，系統(tǒng)高壓母線電壓繼續(xù)下降。當(dāng)母線電壓降低到與電池模組正負(fù)端電壓相同后，D1導(dǎo)通，DC/DC降功率運(yùn)行。此時(shí)，超級(jí)電容停止放電，電池模塊電流主要通過D1流入系統(tǒng)母線，減少了放電時(shí)系統(tǒng)的能量損失。該工況下，母線主要由電池模塊供電，發(fā)揮電池模塊能量密度大的優(yōu)勢。

3）惡劣海況下航行。此時(shí)船舶推進(jìn)器受到巨大的負(fù)載擾動(dòng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)頻繁進(jìn)行大功率充放電。當(dāng)系統(tǒng)需要短時(shí)大功率存儲(chǔ)電能時(shí)，先由母線向超級(jí)電容直接供電。此時(shí)，隨著超級(jí)電容儲(chǔ)能的不斷增加，儲(chǔ)能系統(tǒng)高壓母線電壓開始上升。當(dāng)母線電壓高于到某一預(yù)值時(shí)，雙向DC/DC開始從母線中截取部分電流，降壓后存入電池模塊中。DC/DC截取的電流與高壓母線電壓成正比。當(dāng)系統(tǒng)需要短時(shí)大功率放電時(shí)，控制策略同1）相同。

4）航行平穩(wěn)期。此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入輸出負(fù)載較小，模塊級(jí)管理系統(tǒng)開始重新分配、調(diào)整儲(chǔ)能模塊存儲(chǔ)的電能。首先，調(diào)節(jié)超級(jí)電容模塊的荷電狀態(tài)（SOC），控制目標(biāo)是使超級(jí)電容模塊 SOC調(diào)整至60%~75%之間。若超級(jí)電容模塊的SOC高于該區(qū)間，則由DC/DC將多余電量輸送至電池模塊；若超級(jí)電容模塊 SOC低于該區(qū)間，儲(chǔ)能系統(tǒng)由船舶電網(wǎng)或由電動(dòng)機(jī)供電，小功率吸收外部電能，避免對(duì)船舶推進(jìn)裝置造成擾動(dòng)。當(dāng)超級(jí)電容模塊 SOC達(dá)到預(yù)值后，且電池模塊SOC小于30%，調(diào)整電池模塊SOC值，目標(biāo)SOC為70%~80%。

5 結(jié)語

輕度混合動(dòng)力船舶相比于傳統(tǒng)船舶而言，具有廢氣排放好，船舶燃油經(jīng)濟(jì)性高，動(dòng)力裝置加速響應(yīng)快等特點(diǎn)。輕度混合型動(dòng)力系統(tǒng)與功率混合型和能量混合型相比，其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、系統(tǒng)成本較低，對(duì)常規(guī)動(dòng)力船舶升級(jí)改造也更易于實(shí)現(xiàn)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)作為輕度混合動(dòng)力裝置的關(guān)鍵部件之一，超級(jí)電容-磷酸鐵鋰電池復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)是最佳的實(shí)現(xiàn)方式。文中論述了復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能器件選型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及不同工況下的功率分配策略。文中提出的儲(chǔ)能模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與配套控制策略，提高了系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)移效率，簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，充分利用磷酸鐵鋰電池能量密度大、超級(jí)電容功率密度大壽命長的優(yōu)勢，減少了系統(tǒng)不必要的設(shè)計(jì)冗余。