破冰船柴电混合动力系统优化设计及敏感性分析

杜文龙，郭凤祥，陈俐*

1 上海交通大学 动力装置及其自动化研究所，上海 200240

2 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240

0 引 言

北极所蕴藏的丰富油气储量和矿产资源加速了各国开展极地运输和科考活动的步伐[1-2]。作为关键设备，极地破冰船承担着破冰护航、紧急救援的重要角色，但也面临着能耗高、排放污染高和噪声严重等问题[3]。目前，现役极地破冰船的动力系统以柴电推进系统为主[4-5]，但在破冰船航行或作业过程中，柴油发电机组须持续提供动力，所以无法在港口和极区水域实现局域零排放或超低噪声运行，这将对生态环境造成严重影响。

近年来，随着储能电池和柴油机混合动力系统的迅速发展，因其巨大的节能减排潜力，已在陆基微电网、新能源以及中小型船舶等领域开展了广泛的研究工作[6-8]。然而，由于破冰船的极地航行周期长、环境恶劣，冰载荷变化频繁且幅度较大[9]，目前尚无柴电混合动力系统优化设计方面的文献报告。

鉴于锂电池能量密度和循环寿命的提高，及其在低温工况下的研究成果问世，增加了其应用于极地船舶的可行性[10-11]。针对低温循环工况，刘中孝等[12]和马瑞骏等[13]发现磷酸铁锂电池在–10 ℃低温下的放电容量可达常温电池容量的90.14%，在理论上可以满足极地船舶的夏季能耗需求。如果将锂电池应用于极地破冰船的柴电混合动力系统，并利用储能装置在负载变化时的“削峰填谷”作用来提高柴油机的燃油效率，且支持零排放的纯电推进航行模式，必将进一步提升极地破冰船的节能减排潜力。……