船用混合动力技术研究

杜一民

[摘    要]随着航运业的不断发展，我国经济建设也在稳步开展，但是随之而来的是环境污染问题。在用船方面依靠柴油机的发电技术来促进航运业的发展是远远不够的，该技术不仅会严重污染环境，而且对排放有更严格的限制。而越来越多的人开始关注，使用电池驱动和柴油机驱动双结合的混合动力技术，作为更切实可行的混合动力技术支持。除此之外，随着石油资源越来越稀缺的情况，大气污染和环境污染更加严重，国家不仅将大量的资金投入绿色发展建设中，而且还要求航运业采用更严格的排放标准。基于此，文章主要介绍目前国内航运业的发展现状，分析油电混合动力的主要配置和并联式混合动力系统，最后说明混合动力传播的工作模式，为我国航运业使用油电混合动力技术提供更有价值的参考意见。

[关键词]航运船只;混合动力;技术发展;运行系统;配置形式

[中图分类号]U664.1 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）03–00–03

Analysis of Marine Hybrid Technology

Du Yi-min

[Abstract]With the continuous development of the shipping industry， China's economic construction is also growing steadily， but the attendant problem is environmental pollution. In terms of ship use， it is far from enough to rely on the power generation technology of diesel engine to improve the development of the shipping industry， and this technology will not only seriously pollute the environment， but also have stricter restrictions on emissions. More and more people begin to focus on the use of battery driven and diesel driven hybrid technology as a more practical support for the use of hybrid technology. In addition， with the increasing scarcity of oil resources， air pollution and environmental pollution become more serious. The state not only invests a lot of funds in green development and construction， but also requires stricter emission standards in the adoption of shipping industry. Based on this， this paper mainly introduces the current development status of domestic shipping industry， analyzes the main configuration of oil electric hybrid and parallel hybrid system， and finally explains the working mode of hybrid transmission， so as to provide more valuable reference for the use of oil electric hybrid technology in China's shipping industry in the future.

[Keywords]shipping vessel; hybrid; technological development; operation system; configuration form

為了应对绿色发展所提出的节能减排要求，国内航运使用的柴油发电机要受到严格的排放管理，不仅如此，各地区之间能源匮乏的情况也不相同，要想保证本地区的经济发展，就需要寻找清洁能源来代替柴油发电机，才能够保证地区的发展健康稳定。与此同时，也在寻找新型的动力技术来缓解航运的压力，提高对船只的利用率。目前仅仅依靠柴油发电来提高我国航运业的发展是远远不够的，并且随着排放要求不断严格，我国航运业的发展也会越来越困难，电池驱动和内燃机驱动两种混合动力技术，已然成为一种新型的动力技术，不仅可以缓解航运业发展的压力，还能够整合不同的资源，对于我国航运业发展以及保护环境都有极大的益处。我国对于动力方面提出的要求不仅仅是在航运用船方面，更是要对自然环境起到保护和防治作用，特别是对重要水源地进行常态化的严密监控，同时还需要船用进行升级改造。绿色发展已经成为我国目前的重要趋势，因此绿色航运同样也成为我国在航运业发展的重点，油电混合动力就是能够完成绿色航运的重要技术保障。

1 船用混合动力系统发展情况

混合动力系统在20个世纪就已经出现，并且在随着社会的不断发展进步，混合动力系统也会有所进步，在发电机的基础上确保闭合轴带电机与齿轮箱之间的离合器有更好的结合，这样的系统构造能够将多余的能量传输到交流电网中，保证有充足的电能供其他设备使用。采用使用混合电力计数时，闭合辅助电机与电机之间的离合器进行变频带动辅助电能传输，从而带动轴带电机加速至额定转速，在并入船用电网中完成一整个电力传输过程，实现轴带电机的电动动能，这也是目前混合动力系统发展的主要技术结构。随着近几年对于混合动力系统的研究加深，混联式混合电力系统是在并联式混动系统的基础上再增加一个发电机，确保能够为整个机体提供更充足的机械能和电能，并且同时还能够不断蓄电，这样就可以保证系统在工作的情况下达到高效率的动力输出效果。然而这样的混联式混合动力系统操作难度较大，技术要求高且成本和投资较高，目前在国内的航运业很少应用。

随着大功率机器的出现，在信息化的背景下，要采用数字信息号进行处理，这就使得混合动力系统又进一步发展，不仅有强大的变频轴带混合系统进行运作，并且在该系统的帮助下还可以用电机改变电能的传输方式，采取不同频道的变频器去调节交流电压转化成变频电压信号。想要保证变频器所带来的影响，就需要做到对电机混合动力系统做到转速度的控制，从而实现经济环保的运行模式，同样这也是绿色行业发展的最高要求。

近几年，随着电力事业的不断发展以及技术保障的支持，国家对于绿色发展节能环保的要求也会越来越高，船只的动力系统同样也需要控制，保证绿色航运业的有效发展。与传统的船只相比，混合电力系统的船只运作方式不仅可以提高动力系统的运行速度，还可以控制船只的排污排放，可以说混合动力系统是目前最好的动力技术，这对于我国未来发展具有重要的影响。通过多年的研究可以得知，不同类型的能源替代会有不同的节省耗油的潜能。在柴油发电的时代，要做到节能排放是非常困难的，但是使用柴油发电与电能两种形式相结合的情况下，会极大地降低油耗。目前，很多发达国家都开始应用混合电力技术，这对于船舶的动力系统是非常有益处的，这也证实了目前的动力系统中混合电力技术的前景较好。

2 船用混合动力技术的配置形式

2.1 串联式混合动力系统

采用串联式的混合动力系统，主要是以电机和内燃机作为基础，通过发电机和蓄电池等零部件进行调节，其主要动力就是靠内燃机的功率来保证整个系统能够运作起来，但是一旦超出过内燃机的存在量时，就会改变电子的输出，给电动机带来不小的压力。只想靠内燃机进行大规模的发电是不可能的，大负荷的功率必须靠发电机，根据发出的电驱动，保证整个电动机能够带动船只的运作。当船处于运作和加速度的状态时，要利用一定荷载运行的发电机，当发电机也无能为力时，就需要提供蓄电池中的电能，当轮船处于低速状态时，就需要让电池组驱动电机，以此来保证内燃机和电动机能够为串联式混合动力系统双向发展。

2.2 并联式混合动力系统

采用并联式混合动力系统，主要是由电机、内燃机、充电器以及变压器几部分组成，它与串联混合动力系统的组成部分相似，但不同的是主要是通过电动机和内燃机同时驱动螺旋转，用内燃机给蓄电池蓄电，相对串联式的混合电力系统结构虽然较为单一简单，但是想要靠一套更加复杂的机械系统来保证整个系统能够运作是非常困难的，要在系统的运行过程中保证船只的航行安全。因此并联式的混合动力系统还需要设计更加优秀变速器来保证整个系统拥有更高效的运作性能，这对于完成整个混合动力系统的运行是非常重要的。这也是并联式混合动力系统的核心部分，因此更需要在并联式上多下功夫，确保电力系统能够为整个船只的运作提供充足的动力。

2.3 混联式混合动力系统

采用混联式混合动力系统，主要是由电机、内燃机、蓄电池、发电机、动力分离装置、变压器以及转换器等零部件組成。这类动力系统，主要是依靠电动机和内燃机的驱动来带动整个船桨，与此同时也可以通过多个动力分离装置将内燃机的电能为电动机供应电力，同时还能够给蓄电池充电，这样一来就可以保证整个动力系统有充足的动力可以为整个船只输送电能。实际上，理论和实践已经证明，混联式混合电力系统在这样的设计中。以低速度高效率的输出方式，保证整个动力系统以更好的输出方式提供电能。因此，这样的混联式混合动力系统能够在任何工作状态下，都进行高效率的输出，这也是未来我国航运业发展主要的混合动力技术，确保该技术能够为我国的经济发展提供高质量的技术支持。

3 船用混合动力技术为航运业带来的优势

混合动力对于船只常规的发电和运行都具备非常强大的优势，相比于常规的动力技术混合的方式，可以凭借对于能量的控制和管理，做到整体性能的大幅度提高。通过分析不同功率的需求，可以为不同类型的船只制定能量管理的方案，同时不同的系统在控制过程中也可以根据负荷和功率来保证驱动的能力。不同的驱动模式需要不同的动力支持，而这样的方式既会增加了自由选择的程度，而且还能够保证在所有的工作状态下，能够让船只在航行的时候更加安全。混合动力技术的发展优势，就在于不仅能够提高船只的运行效率，还能够进一步保证船只运作的绿色环保，通过对整个船只的控制达到节能环保、降低排放的效果。如果要用蓄电池设备中的电能来驱动整个发电机，可保证能够与内燃机达到共同驱动匹配的效果。于是内燃机便可以在多种工作状态下依旧保持工作最优配置，并且在储存电能方面依旧充满多余的能量，因此在许多航运发展有特殊要求的情况下，都可以运用混合动力技术作为支撑，关掉内燃机，实现静音运作，就可以保证零排放无污染，从而为我国航运事业的发展提供更多的保障。

混合船只电动技术具有很强的发展潜能和发展优势，虽然目前的技术还不够先进，并且在投资费用上较高，但是对于我国未来航运业的发展具有重要的现实意义，不仅可以促进我国航运业的发展，提高船只的工作效率，还能够明显减少燃料燃油的消耗和碳排放，实现绿色发展。

4 混合动力船只的工作模式

混合动力系统一般包括柴油发电机机组、配电柜主机以及绸带发电机，通过这些零部件可以控制整个储能系统，确保电池和电容管理更加健全完善，这类混合动力系统的工作模式主要有3种。本文主要分析的就是混合动力系统下船只的工作模式，确保不同类型的船只有更好的工作性能。

4.1 轴带电模式

轴带发电机的主要工作模式就是通过发电机自主机轴获取能量，向储能系统输入能量。船只在起步阶段，内燃机并不能在低速的模式下输出较大的动力，但是电机可以在低速的状态下高效地完成整个输送电力任务，混合动力系统就是利用电机在启动时低速的状态下保证蓄电池能够有充足的电力，启动整个轴带发电机，这时的内燃机不参与任何动力输出，目的就是在低速的状态下能够做到节能减排。

4.2 轴带电动联合驱动模式

轴带电动机由组成系统获取一定的电能后，向主机输送大量能量，确保整个电动机进行整体驱动输送更多的动力。船只在中低速行驶阶段时，要保证电机在低速的时候保持高效率的输出。因此，船只就要在中低速状态时，保证整个混合动力系统使用蓄电池有充足的电能，为电动机的高效驱动输送动力，但如果此时的蓄电池电量不足，那么整个电机的动力就会来源于内燃机的带动，通过发电输送一定的动力，因此让整个蓄电池保持充足的电能是非常有必要的，既能够提高整个系统的工作效率，又能够达到绿色发展的排放要求。

4.3 轴带电动单独驱动模式

轴带电单独驱动的模式是指通过相应的系统向整个轴带电机输送大量的能力，保证轴带电动机能够代替主机进行运行，在此时就可以让柴油发电机机组进行组装和运行提供大量的能量。船只在正常的状态下会因为负荷较大的情况，使得内燃机的转速较高，油耗较低，系统正是以内燃机动力作为整个支持，确保动力源来源充足，让内燃机产生直接的动力驱动整个船只运行。另外，还需要注意船只的运行情况，确保船只的工作效率和驱动模式相匹配，即便是在负荷较低的情况下，也能够将动力合理分配到各个系统中。发电机或蓄电池都要存在相应的工作，才能够保证整个系统能将多余的电力转化为动力，确保船只的输出功率达到最优配置。

5 结语

当今电子技术的快速发展，为整个行業的蓬勃向上提供了充足的技术支持，对于航运业来说将会以新型技术确保船只能够有更高效的动力支持。混合动力技术的发展与进步，会为船只的推进系统提供更多的优势。比如，电机的高效率、机械化轻量化以及高性能的工作优势，使得电力转化效率能够得到明显提高。随着资源日益匮乏和环保意识的增强，越来越多的国家开始重视对环保和绿色发展的重要性，有很多的动力学研究专家，将目光放在了混合动力上，想通过混合动力系统的模式，为目前我国航运业的发展提供更强大的技术支持，通过不断切换和组装内燃机与发电机的配置，保证整个动力系统有更优化的安排，从而保证船只能够高效率的输出，低能耗低排放的排出。总而言之，混合动力技术将会为我国整个航运业的发展带来新的生机，将整个船舶工程行业的发展推向高潮。

参考文献

[1] 胡斌，吴国栋，王绍远，徐振洋.船用电池系统主动均衡控制研究[J].船舶工程，2021，43（3）：91-95，104.

[2] 程湘裕.混合动力渔船的节能技术研究[D].上海：上海海洋大学，2020（10）：364.

[3] 褚适庚.船用燃料电池的混合动力系统研究[D].大连：大连海事大学，2019.

[4] 夏敬停，李绍海，赖琛.船舶并联式油电混合动力系统设计[J].船舶工程，2019，41（5）：34-39，72.