長(zhǎng)江散貨船混合動(dòng)力系統(tǒng)模式切換設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

蘇麗,毛奇志

(武漢長(zhǎng)江船舶設(shè)計(jì)院有限公司,武漢 430062)

為推動(dòng)內(nèi)河航運(yùn)的節(jié)能減排和低碳生態(tài)發(fā)展,燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、鋰電池、混合動(dòng)力系統(tǒng)等新型動(dòng)力裝置與系統(tǒng)在船上的應(yīng)用越來(lái)越多[1]?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)可根據(jù)不同工況的推進(jìn)功率需求靈活選擇運(yùn)行模式,進(jìn)而改善船舶能效和排放,對(duì)工況復(fù)雜多變的船舶有較好適應(yīng)性?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)模式切換能夠在多個(gè)動(dòng)力源之間進(jìn)行有效地功率和能量分配與控制,但在模式切換過(guò)程中存在著發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、離合器或齒輪箱接合、電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配等動(dòng)態(tài)過(guò)程,若控制不當(dāng),容易出現(xiàn)并車(chē)沖擊載荷過(guò)大、動(dòng)力輸出中斷等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響船舶航行安全。目前,對(duì)船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究集中在機(jī)動(dòng)性能、能量分配,以及能量控制策略仿真等方面[2-4],而針對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵裝置模式切換控制的設(shè)計(jì)研究則鮮有報(bào)導(dǎo)。本文以某長(zhǎng)江散貨船為研究對(duì)象,在混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力源組成、標(biāo)準(zhǔn)工況、功率需求等已知的情況下,針對(duì)長(zhǎng)江航道航行環(huán)境復(fù)雜多變、通航密度高等特點(diǎn),分析混合動(dòng)力系統(tǒng)各種模式工作及切換機(jī)理,進(jìn)行模式切換控制策略分析,形成模式切換控制裝置解決方案,確?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)在長(zhǎng)江航行中模式切換安全、可靠。其工程實(shí)踐成果可為類似的船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)模式切換控制的設(shè)計(jì)和研究提供參考和指導(dǎo)。

1 船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)介

長(zhǎng)江7 500 t級(jí)散貨船即“長(zhǎng)航貨運(yùn)001”常年航行于長(zhǎng)江上?！貞c航線(內(nèi)河A、B、C級(jí)航區(qū)及J2航段),取得中國(guó)船級(jí)社“混合動(dòng)力系統(tǒng)”“綠色船舶-3”“智能能效管理”“智能機(jī)艙”及“智能集成平臺(tái)”附加標(biāo)志,已于2022年1月13日正式交付使用。

針對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、氣體發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性,結(jié)合內(nèi)河水域多彎、急流、橋區(qū)、淺灘、礁石等航道特點(diǎn),內(nèi)河船舶雙機(jī)雙槳、大長(zhǎng)寬比/寬深比等的自身特性以及沖灘時(shí)極短時(shí)間的高負(fù)荷、上水航行時(shí)的較高負(fù)荷、下水航行時(shí)的較低負(fù)荷等航行工況特點(diǎn),動(dòng)力系統(tǒng)采用“柴油主機(jī)+可逆軸帶電機(jī)+氣體發(fā)電機(jī)組+鋰電池”包含儲(chǔ)能系統(tǒng)的并聯(lián)混合動(dòng)力方案。

配置2臺(tái)648 kW主柴油機(jī),作為主要的推進(jìn)動(dòng)力;配置3臺(tái)230 kW氣體交流發(fā)電機(jī)組,作為主電源裝置;配置1套161 kW·h鋰電池組,作為輔助電源,起到削峰填谷的作用[5];配置2臺(tái)320 kW可逆軸帶電機(jī),既可作為推進(jìn)動(dòng)力(PTH模式和Boost模式[6],亦統(tǒng)稱為PTI模式),也可作為本船主電源(PTO模式);配置1臺(tái)185 kW定距槳變頻調(diào)速艏側(cè)推裝置。配電系統(tǒng)經(jīng)由DC750V直流配電板給推進(jìn)電機(jī)和日用逆變電源供電,日用逆變電源通過(guò)交流配電板給全船AC400 V/230 V用電設(shè)備供電。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)齒輪箱設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 齒輪箱設(shè)計(jì)與配置

齒輪箱承接主機(jī)和可逆軸帶電機(jī)功率輸入、輸出驅(qū)動(dòng)定距槳,具有轉(zhuǎn)矩和推力傳遞、并車(chē)減速和離合等功能,齒輪箱內(nèi)置推力軸承,螺旋槳的推力通過(guò)齒輪箱傳遞到船體上。齒輪箱主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 齒輪箱主要設(shè)計(jì)參數(shù)

目標(biāo)船為避免因在柴油機(jī)側(cè)設(shè)置雙速比功能后帶來(lái)的齒輪箱結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,電機(jī)和齒輪箱之間不設(shè)PTO和PTH離合器,在設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),配合對(duì)應(yīng)的變頻器,既可以在發(fā)電機(jī)模式正常發(fā)電,也可以在電動(dòng)機(jī)模式正常推進(jìn)。通過(guò)柴油機(jī)推進(jìn)特性、電機(jī)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性、螺旋槳推進(jìn)特性三者的合理匹配設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)的主機(jī)/PTO/PTH/Boost功能。齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其中M1、M2為主機(jī)傳動(dòng)離合器,電機(jī)端無(wú)離合器。

圖1 齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

2.2 齒輪箱各工作模式狀態(tài)

船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)在低負(fù)荷時(shí)采用電力推進(jìn)模式(PTH)、軸帶發(fā)電模式(PTO),高負(fù)荷時(shí)采用主機(jī)推進(jìn)模式、混合推進(jìn)模式(Boost),可有效提升主機(jī)負(fù)荷率及效率,降低燃料消耗,減少排放污染。各工作模式齒輪箱、離合器狀態(tài)如下。

1)主機(jī)推進(jìn)模式。柴油機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)螺旋槳。此時(shí)軸帶電機(jī)隨動(dòng)不工作,由柴油機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)螺旋槳航行,齒輪箱減速比5.90∶1。柴油機(jī)不可逆轉(zhuǎn),通過(guò)齒輪箱倒車(chē)離合器、順車(chē)離合器進(jìn)行換向,實(shí)現(xiàn)船舶前進(jìn)、后退。柴油機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)可以覆蓋中速-中高速區(qū)間,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力裝置中等至中高等功率輸出。

2)PTO模式。柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳,同時(shí)帶動(dòng)軸帶電機(jī)發(fā)電。柴油機(jī)在推進(jìn)螺旋槳的同時(shí)利用富余功率驅(qū)動(dòng)軸帶電機(jī)進(jìn)行小功率PTO發(fā)電,電機(jī)按發(fā)電模式勵(lì)磁,主機(jī)推進(jìn)減速比5.90∶1,主機(jī)至電機(jī)發(fā)電增速比～1∶1.68。本船日常用電功率較小,一方面由于目標(biāo)船螺旋槳在中低轉(zhuǎn)速段吸收功率相對(duì)較小,柴油機(jī)有富余功率帶動(dòng)軸發(fā)給全船電網(wǎng)供電;另一方面本船 PTO模式設(shè)置了轉(zhuǎn)速區(qū)間,僅在中低轉(zhuǎn)速段使用,在較高轉(zhuǎn)速下不再使用 PTO模式,從而保證在較高轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)的輸出功率用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳。

3)PTH模式。柴油機(jī)脫開(kāi),軸帶電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳。齒輪箱內(nèi)主機(jī)離合器脫開(kāi),柴油機(jī)不運(yùn)行。電機(jī)勵(lì)磁模式為電動(dòng)勵(lì)磁,電機(jī)動(dòng)力輸出減速比9.90∶1。電機(jī)側(cè)未設(shè)離合器,齒輪箱無(wú)換向功能,電機(jī)直接通過(guò)變頻器換向,實(shí)現(xiàn)船舶前進(jìn)、后退。PTH模式僅在低轉(zhuǎn)速段使用,輸出功率不超過(guò)電機(jī)額定功率。PTH模式時(shí),軸帶電機(jī)開(kāi)啟前需啟動(dòng)齒輪箱電動(dòng)滑油泵機(jī)組進(jìn)行供油潤(rùn)滑。

4)Boost模式。柴油機(jī)與軸帶電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)螺旋槳。柴油機(jī)推進(jìn)減速比5.90∶1,電機(jī)推進(jìn)減速比9.90∶1,柴油機(jī)與軸帶電機(jī)通過(guò)齒輪箱實(shí)現(xiàn)并車(chē),聯(lián)合驅(qū)動(dòng)螺旋槳航行。在Boost模式下,動(dòng)力裝置在高轉(zhuǎn)速段、高負(fù)荷段運(yùn)行,可達(dá)到設(shè)計(jì)最大負(fù)荷。

3 模式切換設(shè)計(jì)及特點(diǎn)分析

3.1 典型模式切換設(shè)定

結(jié)合上、下水設(shè)計(jì)工況,以及經(jīng)濟(jì)性考慮,在設(shè)計(jì)工況滿足要求的情況下對(duì)目標(biāo)船運(yùn)行的模式進(jìn)行設(shè)計(jì),推薦運(yùn)行模式見(jiàn)表2。

表2 各運(yùn)行區(qū)間內(nèi)模式方案

目標(biāo)船營(yíng)運(yùn)有4種航行模式,按排列組合理論上應(yīng)有12種切換操作,為了簡(jiǎn)化模式切換裝置,便于船員操作,模式切換控制裝置設(shè)定6種典型切換操作,即主機(jī)→Boost模式、Boost→主機(jī)模式、PTO→主機(jī)模式、主機(jī)→PTO模式、Boost→PTH模式、PTH→Boost模式,其他切換過(guò)程可在此基礎(chǔ)上通過(guò)2次最多3次轉(zhuǎn)換即可達(dá)到目的。比如PTO→PTH模式可以先進(jìn)行PTO→主機(jī)模式,然后再進(jìn)行主機(jī)→Boost模式,最后進(jìn)行Boost→PTH模式。在模式切換時(shí)不需要船員對(duì)主機(jī)、齒輪箱、軸帶電機(jī)等工作狀態(tài)逐一確認(rèn),船舶電網(wǎng)系統(tǒng)及各控制部件通過(guò)軟件協(xié)同操作,可降低切換模式的難度,從而提高船舶模式切換的效率。

實(shí)船模式切換試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3?？梢?jiàn)6種基礎(chǔ)切換過(guò)程中主機(jī)→PTO模式切換用時(shí)最短,為2.5 s,理論上而言PTO→PTH模式需經(jīng)過(guò)3次轉(zhuǎn)換過(guò)程,切換用時(shí)最長(zhǎng)。

表3 模式切換試驗(yàn)結(jié)果

3.2 并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)模式切換功能實(shí)現(xiàn)

常規(guī)船舶并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)里的軸帶電機(jī)一般通過(guò)彈性聯(lián)軸節(jié)、離合器和減速齒輪箱傳遞動(dòng)力,電機(jī)側(cè)PTH離合器需采取柔性接排技術(shù)[7],在各運(yùn)行模式之間切換時(shí),還需合理控制離合器力矩導(dǎo)入、發(fā)動(dòng)機(jī)力矩與電機(jī)力矩協(xié)調(diào)等[8],避免出現(xiàn)離合器熱負(fù)荷過(guò)大、傳動(dòng)軸系劇烈沖擊等現(xiàn)象。

目標(biāo)船混合動(dòng)力系統(tǒng)采用不同以往的齒輪箱傳動(dòng)模式,不設(shè)電機(jī)側(cè)離合器,既可簡(jiǎn)化齒輪箱結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),還可縮短了切換時(shí)間,并可保證平穩(wěn)切換,提高目標(biāo)船在長(zhǎng)江復(fù)雜航道航行的可靠性和安全性。

不同運(yùn)行模式切換的中間狀態(tài)均為空檔狀態(tài),即主離合器脫排、軸帶電機(jī)轉(zhuǎn)速為零,在由A運(yùn)行模式向B運(yùn)行模式切換時(shí),均會(huì)先轉(zhuǎn)換為該中間狀態(tài),而后自中間狀態(tài)轉(zhuǎn)換為B運(yùn)行模式的過(guò)程中,系統(tǒng)會(huì)控制相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)(如軸帶電機(jī)的發(fā)電模式或電動(dòng)模式、軸帶電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制或轉(zhuǎn)矩控制),這樣可以有效限制接排過(guò)程的沖擊,完成平穩(wěn)切換。

對(duì)于主機(jī),其只具有轉(zhuǎn)速控制方式。對(duì)于軸帶電機(jī),其具有轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制兩種方式,具體可根據(jù)運(yùn)行模式(PTH或Boost)進(jìn)行切換。PTH模式時(shí),軸帶電機(jī)為轉(zhuǎn)速控制,此時(shí)為軸帶電機(jī)單獨(dú)推進(jìn);Boost模式時(shí),軸帶電機(jī)為轉(zhuǎn)矩控制,因齒輪箱電機(jī)側(cè)無(wú)離合器、僅在主機(jī)側(cè)有主離合器,其轉(zhuǎn)速跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)速變化,通過(guò)控制軸帶電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)助推。

發(fā)-電并車(chē)(即軸帶電機(jī)與主機(jī)并車(chē))時(shí),主機(jī)會(huì)降速至怠速、主離合器脫排,軸帶電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸降低為零、同時(shí)切換為轉(zhuǎn)矩控制,而后在主機(jī)怠速狀態(tài)下主離合器合排,軸帶電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化。

電-發(fā)并車(chē)(即主機(jī)與軸帶電機(jī)并車(chē))時(shí),軸帶電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸降低為零、同時(shí)切換為轉(zhuǎn)矩控制,主機(jī)啟動(dòng)至怠速后主離合器合排,軸帶電機(jī)轉(zhuǎn)速隨主機(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化。

運(yùn)行模式之間切換過(guò)程中,直流母排電壓均為750 V,交流電網(wǎng)通過(guò)日用逆變電源供電,逆變電源輸出電壓、頻率均能穩(wěn)定在400 V、50 Hz,交流側(cè)THD值不超過(guò)5%。

3.3 Boost模式并車(chē)控制原理

并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的并車(chē)控制是關(guān)鍵技術(shù)之一,為確?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)能在模式切換尤其是涉及Boost模式切換時(shí)安全平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)發(fā)-電并車(chē)和電-發(fā)并車(chē),目標(biāo)船Boost模式并車(chē)控制原理設(shè)計(jì)如下。

并車(chē)之前,離合器處于脫排狀態(tài),切換裝置向PMS發(fā)送重載問(wèn)詢,PMS檢測(cè)在網(wǎng)功率滿足重載需求后反饋重載允許;切換裝置向推進(jìn)遙控發(fā)送變頻器Boost模式指令,推進(jìn)遙控改變變頻器模式為Boost模式后反饋模式完成;PMS重載與變頻器Boost模式均完成后,控制手柄可以向正車(chē)或倒車(chē)方向推動(dòng),若控制手柄向正車(chē)方向推動(dòng)且超過(guò)合排點(diǎn)時(shí),主推進(jìn)控制系統(tǒng)控制正車(chē)離合器合排,此時(shí)保持主機(jī)處于合排轉(zhuǎn)速狀態(tài),且軸帶電機(jī)并未以電動(dòng)機(jī)形式投入工作(此時(shí)僅是變頻器與PMS的工作模式符合Boost模式控制要求,無(wú)轉(zhuǎn)矩輸出),當(dāng)控制手柄繼續(xù)加大至一定值時(shí),軸帶電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式投入工作(提供輸出轉(zhuǎn)矩);若控制手柄向倒車(chē)方向推動(dòng)時(shí),其控制原理與正車(chē)相同。

4 模式切換安全措施要求

通常采用柴油機(jī)和電池組的混合動(dòng)力系統(tǒng)可以通過(guò)模糊邏輯控制策略對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行控制管理[9],模式切換過(guò)程完全由軟件控制完成。目標(biāo)船模式切換涉及主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鋰電池等多個(gè)動(dòng)力源系統(tǒng)。鑒于長(zhǎng)江散貨船船型及航道特點(diǎn),對(duì)操縱性要求高,為避免切換過(guò)程帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn),運(yùn)行模式的選擇及切換的時(shí)機(jī)由船員根據(jù)實(shí)際情況而定,決策權(quán)在人,不允許在急流、過(guò)壩、庫(kù)區(qū)、過(guò)橋、船舶避讓、進(jìn)出港等水況復(fù)雜或船舶擁擠航段進(jìn)行模式切換。

為避免模式切換時(shí)出現(xiàn)動(dòng)力輸出中斷現(xiàn)象,確保船舶在機(jī)動(dòng)航行時(shí)船舶始終保持動(dòng)力,兩舷推進(jìn)軸系的運(yùn)行模式切換不同時(shí)進(jìn)行,分開(kāi)控制,即左舷與右舷分開(kāi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作。模式切換時(shí)需保證至少船的一舷推進(jìn)器有動(dòng)力輸出,即切換舷處于空檔狀態(tài),非切換舷處于主機(jī)/PTO/PTH/Boost模式正車(chē)低速狀態(tài)。只有在切換舷完成模式切換之后,才可操作切換舷主推進(jìn)遙控系統(tǒng)控制手柄。

模式切換安全措施的實(shí)現(xiàn)以軟件控制與人為管理相結(jié)合的方式進(jìn)行,一方面通過(guò)軟件設(shè)置聯(lián)鎖條件(切換舷空擋、非切換舷正車(chē)低速前進(jìn)檔),使系統(tǒng)在不滿足聯(lián)鎖條件的情況下,不能切換,保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行;另一方面在船舶管理上,操作現(xiàn)場(chǎng)布置警示標(biāo)牌等方式,提醒船員注意模式切換裝置的應(yīng)急操作流程及注意事項(xiàng),以避免現(xiàn)場(chǎng)的誤操作情況。模式切換裝置通過(guò)與主推進(jìn)遙控系統(tǒng)、變頻器、PMS進(jìn)行信號(hào)交互,在軟硬件設(shè)計(jì)中設(shè)置切換聯(lián)鎖條件及包括切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、運(yùn)行模式錯(cuò)誤等故障情況的聲光報(bào)警功能。