船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

黃 興 石 磊 衛(wèi) 衛(wèi)

（1.海軍駐上海地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室 上海201108；2.海軍駐上海七一一所軍事代表室 上海201108；3.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

隨著對(duì)海洋環(huán)境的重視及全球海洋戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，如何推進(jìn)船舶的節(jié)能減排已迫在眉睫。節(jié)約船舶航行成本、減少船舶排放和降低其對(duì)于不可再生能源的依賴一直以來(lái)是船舶發(fā)展的重要研究熱點(diǎn)。隨著電池技術(shù)的不斷進(jìn)步及電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新型現(xiàn)代混合動(dòng)力船舶成為解決節(jié)能減排問(wèn)題的熱門方向［1-2］。

混合動(dòng)力船舶是指配備了兩種或兩種以上動(dòng)力源的船舶。新型現(xiàn)代混合動(dòng)力船舶不同于古代風(fēng)帆與人力混合驅(qū)動(dòng)以及近代風(fēng)帆與蒸汽輪機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，它是通過(guò)傳動(dòng)裝置耦合柴油機(jī)（氣體機(jī)）與電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，或者具有一種以上電力來(lái)源（如柴油機(jī)發(fā)電、氣體機(jī)發(fā)電、燃料電池、太陽(yáng)能、風(fēng)電、鋰電池、超級(jí)電容等）的電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)［3］?；旌蟿?dòng)力船舶具有節(jié)約不可再生能源消耗，提高航運(yùn)經(jīng)濟(jì)性，減少?gòu)U氣排放和機(jī)械振動(dòng)，適應(yīng)多工況運(yùn)行的特點(diǎn)［4］。目前，混合動(dòng)力推進(jìn)已在作業(yè)船、渡船、拖船、大型游輪、近海鉆井平臺(tái)以及軍事艦船等領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用［5］。

1 船用混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展歷程

最早的船用柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)是在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的軸帶發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)［6］，其原理圖如圖1所示。當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，為維持推進(jìn)柴油機(jī)最優(yōu)工作工況，通過(guò)閉合軸帶電機(jī)與齒輪箱之間的離合器，將推進(jìn)柴油機(jī)發(fā)出的多余能量通過(guò)軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)成電能輸出至交流電網(wǎng)中，供其他負(fù)載使用；當(dāng)在某些工況下需要使用電力推進(jìn)負(fù)載時(shí)，閉合輔助電機(jī)（Pony-motor）與軸帶電機(jī)之間的離合器，通過(guò)輔助變頻器帶動(dòng)Pony-motor加速至額定轉(zhuǎn)速，從而帶動(dòng)軸帶電機(jī)加速至額定轉(zhuǎn)速，再并入船用電網(wǎng)，完成一個(gè)啟動(dòng)過(guò)程，然后再?gòu)慕涣麟娋W(wǎng)取電供軸帶電機(jī)使用，實(shí)現(xiàn)軸帶電機(jī)的電動(dòng)功能。這是最早的柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)在于船舶低速航行時(shí)節(jié)能，但僅限于具有可調(diào)槳，目前我國(guó)航行于渤海海峽和近海的滾裝客船多屬于這種類型［7］。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于軸帶電機(jī)本身不可調(diào)速，需利用齒輪箱和可調(diào)槳等機(jī)械裝置進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速差異較大時(shí)，機(jī)械變速裝置的容量將受到限制，故其應(yīng)用范圍也受到制約［8］。

圖1 基于常規(guī)軸帶發(fā)電的船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)

20世紀(jì)90年代后期，隨著大功率全控型器件及模塊的出現(xiàn)，數(shù)字信號(hào)處理器的廣泛應(yīng)用和脈寬調(diào)制技術(shù)的迅速提高，使混合動(dòng)力系統(tǒng)也有了很大進(jìn)步，產(chǎn)生了基于變頻軸帶的混合動(dòng)力系統(tǒng)，如下頁(yè)圖2所示。該系統(tǒng)中的軸帶電機(jī)不再被限制在相對(duì)恒速狀態(tài)，而是采用變頻器調(diào)節(jié)將恒頻恒壓的交流電壓轉(zhuǎn)化成變頻變壓信號(hào)用于調(diào)節(jié)軸帶電機(jī)轉(zhuǎn)速，使軸帶電機(jī)可以在變速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于裝有定距槳的船只，航速通過(guò)螺旋槳轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，無(wú)法使用基于常規(guī)軸帶的混合動(dòng)力系統(tǒng)，但采用基于變頻軸帶的混合動(dòng)力系統(tǒng)則可以通過(guò)軸帶電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制來(lái)實(shí)現(xiàn)與主機(jī)聯(lián)合推進(jìn)的形式，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保的運(yùn)行模式［9］。同時(shí)對(duì)于配定距槳的軸帶發(fā)電工況，由于變頻裝置可實(shí)現(xiàn)變速恒頻的控制功能，軸帶電機(jī)也可工作在變速狀態(tài)，從而系統(tǒng)也適用于定距槳軸系。該混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)即為適用性廣，能有效降低燃油滑油成本，減少維護(hù)成本等。在國(guó)內(nèi)基于變頻軸帶的混合動(dòng)力系統(tǒng)被廣泛使用，如粵海鐵火車渡輪、5 000噸級(jí)公務(wù)船、海港711拖輪等均采用該混合動(dòng)力系統(tǒng)。

圖2 基于變頻軸帶的船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)

近幾年來(lái)，隨著電池技術(shù)的飛速發(fā)展以及節(jié)能減排政策的需求，混合動(dòng)力船舶的發(fā)展也產(chǎn)生一些變革，基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生（如圖3所示）。該混合動(dòng)力系統(tǒng)采用共直流母排及一機(jī)雙槳模式，當(dāng)船舶正常運(yùn)行時(shí)，采用主機(jī)推進(jìn)螺旋槳工作，使主機(jī)工作在最佳能耗點(diǎn)；當(dāng)船舶拐彎時(shí)，左推進(jìn)制動(dòng)、右推進(jìn)加速，左推進(jìn)的制動(dòng)能量通過(guò)軸帶系統(tǒng)回饋至直流母排，通過(guò)直流母排將多余的能量提供給右推進(jìn)的軸帶系統(tǒng)用來(lái)補(bǔ)充右推進(jìn)加速所需的能量；當(dāng)船舶制動(dòng)時(shí)，左右兩側(cè)推進(jìn)的能量均回饋至直流母排，儲(chǔ)能系統(tǒng)將多余的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)；當(dāng)船舶工況突變時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以快速提供或吸收推進(jìn)能量，防止負(fù)載擾動(dòng)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的影響；當(dāng)船舶低工況運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉主機(jī)，直接采用軸帶電機(jī)推進(jìn)，可以有效節(jié)約能源，提高主機(jī)的運(yùn)行效率［10］。

圖3 基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)

對(duì)比混合電動(dòng)汽車發(fā)展的三個(gè)類型串聯(lián)式、并聯(lián)式及混聯(lián)式［3］，如下頁(yè)圖4所示，基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)工作形式與混合電動(dòng)車中最具優(yōu)勢(shì)的混聯(lián)式原理基本一致，混聯(lián)式的優(yōu)勢(shì)在于集合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，起步和低速段采用純電動(dòng)和串聯(lián)模式，充分利用串聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)；在經(jīng)濟(jì)時(shí)速段采用發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)模式，沒(méi)有電能轉(zhuǎn)換損失和傳動(dòng)損失，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工作區(qū)，效率高；在惡劣海況等特殊工況下，采用混合驅(qū)動(dòng)模式，在保證動(dòng)力性的同時(shí)兼顧系統(tǒng)效率［11-13］。

圖4 混合動(dòng)力電動(dòng)車分類

與電動(dòng)汽車下一步全面純電動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)不同，船舶行業(yè)由于其續(xù)航力及運(yùn)行安全性要求，短期內(nèi)不可能完全放棄石化能源，最大限度提高石化能源利用率，減少排放才是船舶行業(yè)的發(fā)展方向。因此基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)是目前為止最具優(yōu)勢(shì)和潛力的船舶動(dòng)力系統(tǒng)形式，兼具動(dòng)態(tài)性能優(yōu)、驅(qū)動(dòng)性強(qiáng)與節(jié)能佳等優(yōu)勢(shì)，符合船舶運(yùn)行的各種需求，是未來(lái)船舶發(fā)展的趨勢(shì)之一。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)的典型構(gòu)架及運(yùn)行模式

基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的混合動(dòng)力船舶的典型構(gòu)架如圖5所示，包括柴油發(fā)電機(jī)組、配電柜、主機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)、齒輪箱、軸帶變頻器及其控制系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)（電池組或超級(jí)電容組及其控制系統(tǒng)）和電能管理系統(tǒng)等，其中混合動(dòng)力系統(tǒng)中的軸帶變頻器、儲(chǔ)能系統(tǒng)及電能管理系統(tǒng)與常規(guī)船舶相比具備一定的特殊性。

圖5 基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的混合動(dòng)力船典型構(gòu)架（PTI模式）

軸帶變頻器能在變速情況下提升直流電壓，同時(shí)滿足怠速-額定速度范圍內(nèi)均能持續(xù)穩(wěn)定輸出功率，具備與電網(wǎng)長(zhǎng)期并網(wǎng)的功能，并在發(fā)生短路故障時(shí)維持持續(xù)短路電流支持系統(tǒng)選擇性保護(hù)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)由電池或超級(jí)電容組成，通過(guò)雙向DC等設(shè)備連接至電網(wǎng)中，具備智能充放電管理功能，并能快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

電能管理系統(tǒng)需綜合考慮各子系統(tǒng)的特點(diǎn)以及相關(guān)國(guó)家的法律要求，例如：電動(dòng)機(jī)響應(yīng)快，低速時(shí)輸出扭矩大；主機(jī)響應(yīng)慢，最佳工作點(diǎn)耗油低；儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)快，便于快速吸收和釋放能量；某些情況下要求系統(tǒng)靜音、零排放工作，從節(jié)能和電網(wǎng)安全方面提出相關(guān)控制策略。［14］

混合動(dòng)力船舶的運(yùn)行工作模式有三種：PTO（Power take off）、PTI（Power take in） 和 PTH（Power take me home）。其中，PTO是指軸發(fā)自主機(jī)軸獲取功率向船舶電網(wǎng)輸出的模式，即發(fā)電機(jī)模式，這是軸發(fā)的基本工作模式。PTI是指軸發(fā)由船舶電網(wǎng)獲取功率向主機(jī)軸輸入的模式，即電動(dòng)機(jī)模式。此種模式下，自船舶電網(wǎng)獲取的功率將用于推進(jìn)，通常是指軸發(fā)電機(jī)協(xié)助主機(jī)推進(jìn)。PTH是PTI的一種特殊形式。在該模式下，主機(jī)處于故障或失效狀態(tài)，軸發(fā)代替主機(jī)來(lái)推進(jìn)。由于軸發(fā)通常功率較小，因此PTH模式下，推進(jìn)功率不足以保證船舶正常航行，只能維持把船慢慢“帶回家”的水平。

加入儲(chǔ)能系統(tǒng)的混合動(dòng)力船舶，在上述三種工作模式中，還將通過(guò)電能管理系統(tǒng)的控制，在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)吸收船舶運(yùn)行過(guò)程中突變的能量，以保證主機(jī)和柴發(fā)機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)在混合動(dòng)力船舶中的優(yōu)勢(shì)

儲(chǔ)能系統(tǒng)引入到船舶中，能有效解決船舶運(yùn)行過(guò)程中頻繁的負(fù)載擾動(dòng)給推進(jìn)系統(tǒng)性能帶來(lái)的重大影響［15］。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入能提高燃油效率、降低排放、優(yōu)化操縱性能。儲(chǔ)能系統(tǒng)在混合動(dòng)力船舶中，一般通過(guò)以下三個(gè)方面來(lái)體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)：

首先，如圖6所示為某臺(tái)內(nèi)燃機(jī)的萬(wàn)有特性曲線。從圖中可以看出，內(nèi)燃機(jī)的高效工作區(qū)間比較狹窄，通常只局限于額定轉(zhuǎn)速附近區(qū)間、中高負(fù)荷的狹小范圍。而在船舶正常運(yùn)行過(guò)程中，柴油機(jī)常在低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)加速、減速或

者惡劣海況時(shí)，動(dòng)態(tài)油耗會(huì)進(jìn)一步升高，因此整體運(yùn)行效率就比較低。儲(chǔ)能系統(tǒng)起到了“削峰填谷”的作用。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作功率高于負(fù)載需求功率時(shí)，多余功率通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)于儲(chǔ)能設(shè)備中；反之，則使用儲(chǔ)能設(shè)備中存儲(chǔ)的電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，與內(nèi)燃機(jī)共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳。于是，內(nèi)燃機(jī)便可在更多情況下工作在最優(yōu)或接近最優(yōu)的區(qū)間。

圖6 內(nèi)燃機(jī)萬(wàn)有特性曲線

其次，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)中存有能量，可以支持負(fù)載在短時(shí)間內(nèi)脫離內(nèi)燃機(jī)獨(dú)立工作，在有極端要求時(shí)對(duì)動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)充，因此在港口、碼頭或其他有特殊要求的水域，可以只用儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行推進(jìn)，關(guān)掉內(nèi)燃機(jī)、靜音運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)零排放，從而為混合動(dòng)力系統(tǒng)配備提供更多的可能性。圖7為Foss Maritime SoCal公司從某拖輪實(shí)船獲取的工作工況記錄，從圖中可以看出，拖輪大部分時(shí)間工作在20%負(fù)載以下，而常規(guī)的工作設(shè)定點(diǎn)是在80%負(fù)荷附近。引入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)、柴發(fā)機(jī)組以及主機(jī)的配合，可以設(shè)定多個(gè)工作點(diǎn)（如圖7中綠圈所示），在這幾個(gè)工作點(diǎn)均具有較優(yōu)的能耗水平。

圖7 典型拖輪工作工況

除此之外，儲(chǔ)能系統(tǒng)的存在還可以實(shí)現(xiàn)能量回收，從而快速制動(dòng)，縮短船舶制動(dòng)距離。當(dāng)船舶降速制動(dòng)時(shí)，不像傳統(tǒng)船舶無(wú)法回收多余能量只能依靠慣性停船，也不像電力推進(jìn)船舶中通過(guò)添加制動(dòng)單元來(lái)消耗制動(dòng)產(chǎn)生的多余能量，混合動(dòng)力船舶由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的存在，可以實(shí)現(xiàn)快速降速，多余的機(jī)械能通過(guò)能量回饋存儲(chǔ)在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，在提升船舶操縱性的同時(shí)，有效回收能量。［17］

4 混合動(dòng)力船舶中儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)方向及技術(shù)要點(diǎn)

混合動(dòng)力船舶中的儲(chǔ)能系統(tǒng)與混合動(dòng)力汽車及大電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)都有很大區(qū)別，具有大功率、大容量且波動(dòng)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于體積質(zhì)量需要嚴(yán)格控制。［18］

目前混合動(dòng)力船舶中應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)主要以鋰電池或蓄電池為代表的能量型儲(chǔ)能和以超級(jí)電容為代表的功率型儲(chǔ)能兩種方式。由于單一的能量型或功率型儲(chǔ)能系統(tǒng)均無(wú)法兼顧混合動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)中瞬時(shí)大功率需求及持續(xù)穩(wěn)定工況用電需求，目前研究方向逐步趨向于采用鋰電池/超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，核心問(wèn)題是解決儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化配置和協(xié)調(diào)控制等。

4.1 容量?jī)?yōu)化配置問(wèn)題

為滿足船舶電網(wǎng)需求，同時(shí)滿足體積質(zhì)量成本等限制，如何協(xié)調(diào)配置能量型與功率型儲(chǔ)能元件的優(yōu)化配置問(wèn)題就顯得至關(guān)重要。目前的研究通常從不同運(yùn)行模式下的容量?jī)?yōu)化配置和不同優(yōu)化策略下的容量?jī)?yōu)化配置兩方面進(jìn)行研究與考慮。

不同運(yùn)行模式下的容量?jī)?yōu)化配置，主要是從離網(wǎng)運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩個(gè)角度開(kāi)展。離網(wǎng)條件即純電池船舶主要考慮的是船舶電網(wǎng)中發(fā)電負(fù)荷平衡，大多以負(fù)荷缺電率為約束而展開(kāi)計(jì)算與研究，降低了對(duì)于能量溢出的關(guān)注。并網(wǎng)條件即混合動(dòng)力船舶主要從經(jīng)濟(jì)性和抑制功率波動(dòng)兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，主要考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)與主供電的能量流動(dòng)，及電網(wǎng)中各單元相互間的能量流動(dòng)。

不同優(yōu)化策略下的容量?jī)?yōu)化配置，主要從優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化方法兩個(gè)方面展開(kāi)。針對(duì)優(yōu)化目標(biāo)主要分為單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化，比如是以單一價(jià)格最優(yōu)進(jìn)行優(yōu)化，還是兼顧價(jià)格、體積、質(zhì)量、最大充放電能力作為目標(biāo)優(yōu)化。針對(duì)優(yōu)化方法問(wèn)題的研究主要包括以下幾種優(yōu)化方法：迭代法、解析法和智能優(yōu)化算法等。

4.2 協(xié)調(diào)運(yùn)行控制技術(shù)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行控制技術(shù)包括兩方面，一方面是能量型與功率型儲(chǔ)能系統(tǒng)的匹配控制環(huán)節(jié)，另一方面是變流設(shè)備的運(yùn)行控制環(huán)節(jié)。

針對(duì)能量型和功率型儲(chǔ)能系統(tǒng)的匹配控制其核心為短時(shí)間尺度的功率分配，通常分為兩類：一是基于低通濾波的協(xié)調(diào)控制策略，該策略是根據(jù)儲(chǔ)能介質(zhì)響應(yīng)特性的不同來(lái)進(jìn)行功率分配，即先將經(jīng)過(guò)低通濾波后的實(shí)時(shí)功率值根據(jù)響應(yīng)頻段來(lái)分配，再根據(jù)儲(chǔ)能介質(zhì)的剩余電量進(jìn)行分配功率的修正。二是基于滑動(dòng)平均的協(xié)調(diào)控制策略。該策略是通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)平均算法的滑動(dòng)平均窗口寬度或加權(quán)系數(shù)，達(dá)到平滑輸出的目的。

變流設(shè)備作為儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中提供能量支撐和抑制能量波動(dòng)的核心設(shè)備，其與儲(chǔ)能系統(tǒng)的匹配運(yùn)行控制程度對(duì)整個(gè)船舶電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)態(tài)特性都有直接影響。目前，儲(chǔ)能系統(tǒng)變流設(shè)備的控制算法主要有線性PID控制、重復(fù)控制、自適應(yīng)控制和智能控制。［19］

5 混合動(dòng)力船舶的應(yīng)用

國(guó)外（尤其是歐洲）的船舶技術(shù)相對(duì)比較先進(jìn)，環(huán)保理念也更超前，基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的混合動(dòng)力船舶發(fā)展和應(yīng)用較早［16］，世界上第一艘混合動(dòng)力拖輪“Carolyn Dorothy”號(hào)混合動(dòng)力拖輪于2009年11月交船，實(shí)船圖如下頁(yè)圖8所示。其船長(zhǎng)23.77 m、船寬10.36 m，服務(wù)于美國(guó)長(zhǎng)灘和洛杉磯港，主動(dòng)力為2臺(tái)Cummins QSK50柴油機(jī)，每臺(tái)額定功率1 342 kW+2臺(tái)Cummins QSM11型柴油發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)額定功率300 kW；配備了兩組0.5 MW h（總計(jì)1 MW h）的鉛酸電池；該船擁有 5 000 hp（1 hp= 0.735 kW） 的強(qiáng)勁動(dòng)力，具有綠色環(huán)保，低噪聲航行等優(yōu)越性能。

2013年，一艘當(dāng)時(shí)最大的混合動(dòng)力渡船在德國(guó)與丹麥兩國(guó)之間交付，實(shí)船圖如圖9所示。該船長(zhǎng)142 m、寬25.4 m、船速為18.5 kn、設(shè)計(jì)載客數(shù)為1 140人，載車354輛。主動(dòng)力配置了4臺(tái)Mak的8M32主機(jī)+1臺(tái)MAN的6L32/44CR主機(jī)，總功率達(dá)17 440 kW；總共配置了2.6 MW h的三元鋰電池。采用基于鋰電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)后，大幅度提高了發(fā)動(dòng)機(jī)效率，從而減少溫室氣體排放量，降低維護(hù)成本且大幅度降低燃料成本。

2015年2月，在荷蘭交付了一條配備有1 MW h三元鋰電池的混合動(dòng)力豪華游艇“Savannah”（薩凡納）號(hào)，參見(jiàn)圖10。該船長(zhǎng)83.5 m、寬12.5 m，可以搭載10名乘客+26名船員。主動(dòng)力配置了1臺(tái)瓦錫蘭 9L20柴油機(jī)，額定功率1 800 kW +1臺(tái)卡特彼勒C32型柴油發(fā)電機(jī)組+2臺(tái)卡特彼勒C18型柴油發(fā)電機(jī)組。這樣的混合動(dòng)力不僅可節(jié)省30%燃料使用，且操縱更為靈活，乘客也感覺(jué)更舒適。

圖8 “Carolyn Dorothy”號(hào)混合動(dòng)力拖輪

圖9 “Prinsesse Benedikte”號(hào)渡輪

圖10 “Savannah”號(hào)混合動(dòng)力游艇

2017年，挪威在首艘采用電池混合動(dòng)力的近海平臺(tái)補(bǔ)給船“Viking Princess”號(hào)上已經(jīng)完成了一種混合能源系統(tǒng)的安裝（參見(jiàn)下頁(yè)圖11），這是世界上第一艘配備電池技術(shù)的海上船只。船上原本裝有4臺(tái)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)改裝后，儲(chǔ)能系統(tǒng)取代了其中一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，不僅能提供需要的功率，而且工作性能更為穩(wěn)定，每年能實(shí)現(xiàn)CO2減排13%～18%。

國(guó)內(nèi)的混合動(dòng)力船舶以基于變頻軸發(fā)的混合動(dòng)力系統(tǒng)為主，如由中船重工七一一所提供動(dòng)力系統(tǒng)集成的粵海鐵火車渡輪、5 000噸級(jí)公務(wù)船、12 500載重噸MPV船、“海港711”拖輪等。以2016年末交付的12 500載重噸級(jí)多用途重吊船為例（參見(jiàn)圖12），該船首次裝載了混合軸帶系統(tǒng)，包括500 kW軸帶變頻及軸帶發(fā)電機(jī)，是目前重吊領(lǐng)域最先進(jìn)的環(huán)保節(jié)能型船舶。而“海港711”拖輪，則采用雙機(jī)雙槳配置，配備兩套軸帶混動(dòng)系統(tǒng)，可工作于PTO 、PTI兩種模式，有效提升動(dòng)力系統(tǒng)靈活性，降低船舶能耗。通過(guò)應(yīng)用混合動(dòng)力系統(tǒng)，船舶可以有效提高燃油效率、降低燃油滑油成本、減少維護(hù)成本。

隨著電池技術(shù)的發(fā)展及環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始研究應(yīng)用基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的混合動(dòng)力系統(tǒng)。2018年7月，首艘入級(jí)CCS的電池混合動(dòng)力游船——“寰島云帆”號(hào)在太湖順利通過(guò)試航，如圖13所示。該船為鋼制雙體船型，總長(zhǎng)22.51 m、型寬9.0 m、型深2.45 m，最大航速9.3 kn，載客80人。該船為滿足三亞海域抗臺(tái)風(fēng)時(shí)需要具有自持力持續(xù)航行至避風(fēng)港，以及在異地避風(fēng)期間不能停靠碼頭充電的特殊需求，量身定制了純電池、油電及電池/油電混合動(dòng)力三種模式系統(tǒng)，可滿足全年所有情況的使用要求。

圖11 “Viking Princess”號(hào)近海平臺(tái)補(bǔ)給船

圖12 12 500載重噸級(jí)多用途重吊船

圖13 “寰島云帆”號(hào)游船

以電池等儲(chǔ)能系統(tǒng)為動(dòng)力的推進(jìn)系統(tǒng)，在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于小型船舶的設(shè)計(jì)，而在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，需快速跟進(jìn)與發(fā)展。大型船舶的混合動(dòng)力解決方案國(guó)外目前也尚屬空白，因此在發(fā)展小型船舶的混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)同時(shí)，加強(qiáng)大型船舶的混合動(dòng)力解決能力，是現(xiàn)今國(guó)內(nèi)各大船舶設(shè)計(jì)院、科研機(jī)構(gòu)、集成商需要努力與改進(jìn)的方向。

6 結(jié) 語(yǔ)

基于儲(chǔ)能技術(shù)的混合動(dòng)力船舶是目前最具優(yōu)勢(shì)與潛力的動(dòng)力系統(tǒng)形式，適用于多種船舶類型，在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，而國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。預(yù)計(jì)2020年后，國(guó)內(nèi)混合動(dòng)力船數(shù)量將顯著增長(zhǎng)，并主要應(yīng)用在港作拖輪、海工支持船及渡輪等；至2025年，新建造的商船中將會(huì)有很大一部分采取混合動(dòng)力。混合動(dòng)力船的優(yōu)勢(shì)包括冗余電力、減少噪聲和振動(dòng)以及減少在港口和沿海居住區(qū)的排放量，這也正是未來(lái)船舶的發(fā)展方向之一。