一种新型船用混合动力系统设计

柴油机
发电机
控制器
电动机
传动系统
并联式混合动力系统的基本结构如图 2 所示， 系统有电动机和柴油机两套动力系统，既可以单独 驱动螺旋桨，也可以共同驱动螺旋桨，电动机同时还 承担发电机功能向蓄电池充电。柴油机、电动机、传 动系统三者之间的功率传递依靠行星齿轮实现。并 联式结构最大的缺陷就是，由于没有独立的发电机， 所以在蓄电池电力不足的情况下只能依靠柴油机一 边给蓄电池充电一边驱动船舶，船舶的动力性能也 会随之下降。
《装备制造技术》2018 年第 07 期
一种新型船用混合动力系统设计
陈勇军
（先进储能材料国家工程研究中心，湖南 长沙 410205）
摘 要：随着航运业的不断发展，随之带来了愈发明显的环境污染问题，而在船用领域，单纯依靠柴油机的技术提升来满 足排放要求已经越来越困难，使用电池驱动和柴油机驱动的混合动力技术成为当前较为可行的解决方案。本文根据船用 特性，全新设计了一套船用混动系统和动力切换控制机构，为混合动力船的发展提供一个全新的技术方案。 关键词：混合动力船；混合动力系统；动力切换系统；具体方案
中图分类号：U664.16
文献标识码：A
文章编号：1672-545X（2018）07-0047-04
随着石油资源紧缺现象的日渐突出，以及大气污 染和环境污染的日益加重，国家正投入巨额资金大力 推动绿色交通，目前已经在乘用车领域取得了巨大成 效。在航运领域，国家依照《环保法》对内河湖泊、风景 区、特别是重要水源地进行常态化严密监控，要求对 现有各类污染源进行升级改造甚至强制关停，绿色航 运已是大势所趋，而油电混合动力船作为绿色航运的 主要发展方向是行业近期的研究重点。
2）船舶中低速行驶阶段，船舶运行阻力小，柴油 机只能在低功效区间工作，而电动机在中低速时效 率较高，此时由高效的电动机驱动螺旋桨前进，但如 果此时蓄电池电量不足，则由柴油机驱动螺旋桨并 同时带动电机给蓄电池充电。
3）船舶正常行驶阶段，航速稳定，柴油机可在较 高转速的经济工况下工作，此时由柴油机直接驱动螺 旋桨。过程中根据船舶运行时的状态，在负荷较低时， 柴油机部分动力被分配给发电机进行充电；在负荷较 高时，电动机和柴油机按比例同步进行功率输出。
新混动结构具有电机单独驱动、柴油机单独驱 动、柴油机单独驱动并充电、柴电联合驱动四种工作 模式，可按照实际工况的变化进行智能切换，以达到 良好的动力性、燃油经济性和排放性能。
1）船舶起步阶段，柴油机无法在低速区输出较
大扭矩，但是电动机在低速区可以大扭矩输出，此时 蓄电池提供电力启动，柴油机不参与动力输出。
柴油机
转矩分离与合成装置
传动系统
蓄电池
控制器
电动机/发电机
图 2 并联式结构图
混联式混合动力系统的基本结构如图 3 所示， 是在并联式混动系统基础上增加了一个发电机，柴 油机可通过机械能和电能两种途径同步驱动传动系 统并且还能同时给蓄电池充电，这样就能保证系统 在所有工况下都可以高效率地进行动力输出，但这 套系统结构和控制策略复杂，技术难度较大，且成本 高，目前在国内应用较少[1]。
混动工作模式的切换取决于船舶负载、航速、蓄 电池 SOC 状态等多方面因素，可以人工切换，也可以 根据预设的控制逻辑自动切换，目前常用基线控制 逻辑见图 6[2]。
S0C
100%
80%
2 新型船用混合动力系统设计方案
为保护北江生态环境，在 2016 年，公司开展了豪 华游船的油电混合动力改装项目，参考国内外混合动 力船的研究成果和使用状况，以柴油机和电动机作为 主机的并联式结构还是首选。分析目前常用并联混动 结构，如图 4，发现该套系统的部件多，占用空间大， 原有船体动力仓难以布局，因此，设计了一套适用于 内河小型船舶的油电混合动力系统新方案。
柴油机
转矩分离与合成装置
传动系统
发电机
控制器
电动机
蓄电池
蓄电池
图 1 串联式结构图
图 3 混联式结构图
收稿日期：2018-04-01 作者简介：陈勇军（1970-），男，湖南娄底人，工程师，大专，研究方向：船用混动系统结构和新能源电池包结构。
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Equipment Manufacturing Technology No.07，2018
柴油
高弹联 双轴 高弹联 万向
机 离合器轴器 电机 轴器 轴 齿轮箱
输出轴
图 5 新型并联混动系统结构图
柴油机用于提供燃油动力，双轴伸电机即可作 为柴油机的动力传动轴，又可作为混合动力系统的 电力动力源。两个高弹联轴器分别位于电机两端，可 以有效避免电机受到震动冲击。自动同步离合器是 超越离合器和齿式联轴器结合体，作为柴油机与电 机之间的连接部件，即可实现柴油机与电机的联动 与脱离，使柴油机动力能够平滑地传递到电机轴，又 能防止电机“倒拖”柴油机引起事故。
传动系统
柴油机 SSS 离合器
蓄电池
Hale Waihona Puke 控制器 电动机减速器 2减速器 1
螺
转矩合成器
旋
桨
图 4 船用并联混动系统
新设计方案如图 5 所示，系统由柴油机、自动同 步离合器、高弹联轴器、双轴电动机、万向轴、齿轮箱 和输出轴等部件组成。动力传递路线为，柴油机的输 出端连接自动同步离合器的一端，自动同步离合器的 另一端通过第一联轴器连接电机的输入端，电机的输 出端通过第二联轴器和万向轴连接齿轮箱的输入端， 齿轮箱的输出端连接螺旋桨。柴油机、自动同步离合 器、电机、万向轴和齿轮箱依次同轴排列放置。
1 船用油电混合动力系统现状
油电混合动力系统不是把电动机和柴油机简单 组合在一起就可以，而是要利用二个动力源的能耗 特点以及工作特性，各展所长，互补不足，通过控制 策略的运用来达成最佳驱动效果。从动力组合结构 分析，油电混合动力系统可分成 3 类系统架构：串联 式、并联式和混联式。
串联式混合动力系统的基本结构如图 1 所示， 系统通过一个较小功率的柴油机来驱动发电机发出 电力，当轮船处于启动、加速、高载荷运行等大扭矩 输出工况时，由柴油机和蓄电池共同向电动机提供 电能；当轮船处于低速巡航、怠速的工况时，则由柴 油机向蓄电池充电，蓄电池直接驱动电动机。在串联 式结构中，柴油机的机械能只有转换成电能才能使 用，系统整体能量传递效率较低。