船用混合動力技術研究

杜一民

[摘 ? ?要]隨著航運業的不斷發展，我國經濟建設也在穩步開展，但是隨之而來的是環境污染問題。在用船方面依靠柴油機的發電技術來促進航運業的發展是遠遠不夠的，該技術不僅會嚴重污染環境，而且對排放有更嚴格的限制。而越來越多的人開始關注，使用電池驅動和柴油機驅動雙結合的混合動力技術，作為更切實可行的混合動力技術支持。除此之外，隨著石油資源越來越稀缺的情況，大氣污染和環境污染更加嚴重，國家不僅將大量的資金投入綠色發展建設中，而且還要求航運業采用更嚴格的排放標準?；诖?，文章主要介紹目前國內航運業的發展現狀，分析油電混合動力的主要配置和并聯式混合動力系統，最后說明混合動力傳播的工作模式，為我國航運業使用油電混合動力技術提供更有價值的參考意見。

[關鍵詞]航運船只;混合動力;技術發展;運行系統;配置形式

[中圖分類號]U664.1 [文獻標志碼]A [文章編號]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

為了應對綠色發展所提出的節能減排要求，國內航運使用的柴油發電機要受到嚴格的排放管理，不僅如此，各地區之間能源匱乏的情況也不相同，要想保證本地區的經濟發展，就需要尋找清潔能源來代替柴油發電機，才能夠保證地區的發展健康穩定。與此同時，也在尋找新型的動力技術來緩解航運的壓力，提高對船只的利用率。目前僅僅依靠柴油發電來提高我國航運業的發展是遠遠不夠的，并且隨著排放要求不斷嚴格，我國航運業的發展也會越來越困難，電池驅動和內燃機驅動兩種混合動力技術，已然成為一種新型的動力技術，不僅可以緩解航運業發展的壓力，還能夠整合不同的資源，對于我國航運業發展以及保護環境都有極大的益處。我國對于動力方面提出的要求不僅僅是在航運用船方面，更是要對自然環境起到保護和防治作用，特別是對重要水源地進行常態化的嚴密監控，同時還需要船用進行升級改造。綠色發展已經成為我國目前的重要趨勢，因此綠色航運同樣也成為我國在航運業發展的重點，油電混合動力就是能夠完成綠色航運的重要技術保障。

1 船用混合動力系統發展情況

混合動力系統在20個世紀就已經出現，并且在隨著社會的不斷發展進步，混合動力系統也會有所進步，在發電機的基礎上確保閉合軸帶電機與齒輪箱之間的離合器有更好的結合，這樣的系統構造能夠將多余的能量傳輸到交流電網中，保證有充足的電能供其他設備使用。采用使用混合電力計數時，閉合輔助電機與電機之間的離合器進行變頻帶動輔助電能傳輸，從而帶動軸帶電機加速至額定轉速，在并入船用電網中完成一整個電力傳輸過程，實現軸帶電機的電動動能，這也是目前混合動力系統發展的主要技術結構。隨著近幾年對于混合動力系統的研究加深，混聯式混合電力系統是在并聯式混動系統的基礎上再增加一個發電機，確保能夠為整個機體提供更充足的機械能和電能，并且同時還能夠不斷蓄電，這樣就可以保證系統在工作的情況下達到高效率的動力輸出效果。然而這樣的混聯式混合動力系統操作難度較大，技術要求高且成本和投資較高，目前在國內的航運業很少應用。

隨著大功率機器的出現，在信息化的背景下，要采用數字信息號進行處理，這就使得混合動力系統又進一步發展，不僅有強大的變頻軸帶混合系統進行運作，并且在該系統的幫助下還可以用電機改變電能的傳輸方式，采取不同頻道的變頻器去調節交流電壓轉化成變頻電壓信號。想要保證變頻器所帶來的影響，就需要做到對電機混合動力系統做到轉速度的控制，從而實現經濟環保的運行模式，同樣這也是綠色行業發展的最高要求。

近幾年，隨著電力事業的不斷發展以及技術保障的支持，國家對于綠色發展節能環保的要求也會越來越高，船只的動力系統同樣也需要控制，保證綠色航運業的有效發展。與傳統的船只相比，混合電力系統的船只運作方式不僅可以提高動力系統的運行速度，還可以控制船只的排污排放，可以說混合動力系統是目前最好的動力技術，這對于我國未來發展具有重要的影響。通過多年的研究可以得知，不同類型的能源替代會有不同的節省耗油的潛能。在柴油發電的時代，要做到節能排放是非常困難的，但是使用柴油發電與電能兩種形式相結合的情況下，會極大地降低油耗。目前，很多發達國家都開始應用混合電力技術，這對于船舶的動力系統是非常有益處的，這也證實了目前的動力系統中混合電力技術的前景較好。

2 船用混合動力技術的配置形式

2.1 串聯式混合動力系統

采用串聯式的混合動力系統，主要是以電機和內燃機作為基礎，通過發電機和蓄電池等零部件進行調節，其主要動力就是靠內燃機的功率來保證整個系統能夠運作起來，但是一旦超出過內燃機的存在量時，就會改變電子的輸出，給電動機帶來不小的壓力。只想靠內燃機進行大規模的發電是不可能的，大負荷的功率必須靠發電機，根據發出的電驅動，保證整個電動機能夠帶動船只的運作。當船處于運作和加速度的狀態時，要利用一定荷載運行的發電機，當發電機也無能為力時，就需要提供蓄電池中的電能，當輪船處于低速狀態時，就需要讓電池組驅動電機，以此來保證內燃機和電動機能夠為串聯式混合動力系統雙向發展。

2.2 并聯式混合動力系統

采用并聯式混合動力系統，主要是由電機、內燃機、充電器以及變壓器幾部分組成，它與串聯混合動力系統的組成部分相似，但不同的是主要是通過電動機和內燃機同時驅動螺旋轉，用內燃機給蓄電池蓄電，相對串聯式的混合電力系統結構雖然較為單一簡單，但是想要靠一套更加復雜的機械系統來保證整個系統能夠運作是非常困難的，要在系統的運行過程中保證船只的航行安全。因此并聯式的混合動力系統還需要設計更加優秀變速器來保證整個系統擁有更高效的運作性能，這對于完成整個混合動力系統的運行是非常重要的。這也是并聯式混合動力系統的核心部分，因此更需要在并聯式上多下功夫，確保電力系統能夠為整個船只的運作提供充足的動力。

2.3 混聯式混合動力系統

采用混聯式混合動力系統，主要是由電機、內燃機、蓄電池、發電機、動力分離裝置、變壓器以及轉換器等零部件組成。這類動力系統，主要是依靠電動機和內燃機的驅動來帶動整個船槳，與此同時也可以通過多個動力分離裝置將內燃機的電能為電動機供應電力，同時還能夠給蓄電池充電，這樣一來就可以保證整個動力系統有充足的動力可以為整個船只輸送電能。實際上，理論和實踐已經證明，混聯式混合電力系統在這樣的設計中。以低速度高效率的輸出方式，保證整個動力系統以更好的輸出方式提供電能。因此，這樣的混聯式混合動力系統能夠在任何工作狀態下，都進行高效率的輸出，這也是未來我國航運業發展主要的混合動力技術，確保該技術能夠為我國的經濟發展提供高質量的技術支持。

3 船用混合動力技術為航運業帶來的優勢

混合動力對于船只常規的發電和運行都具備非常強大的優勢，相比于常規的動力技術混合的方式，可以憑借對于能量的控制和管理，做到整體性能的大幅度提高。通過分析不同功率的需求，可以為不同類型的船只制定能量管理的方案，同時不同的系統在控制過程中也可以根據負荷和功率來保證驅動的能力。不同的驅動模式需要不同的動力支持，而這樣的方式既會增加了自由選擇的程度，而且還能夠保證在所有的工作狀態下，能夠讓船只在航行的時候更加安全?；旌蟿恿夹g的發展優勢，就在于不僅能夠提高船只的運行效率，還能夠進一步保證船只運作的綠色環保，通過對整個船只的控制達到節能環保、降低排放的效果。如果要用蓄電池設備中的電能來驅動整個發電機，可保證能夠與內燃機達到共同驅動匹配的效果。于是內燃機便可以在多種工作狀態下依舊保持工作最優配置，并且在儲存電能方面依舊充滿多余的能量，因此在許多航運發展有特殊要求的情況下，都可以運用混合動力技術作為支撐，關掉內燃機，實現靜音運作，就可以保證零排放無污染，從而為我國航運事業的發展提供更多的保障。

混合船只電動技術具有很強的發展潛能和發展優勢，雖然目前的技術還不夠先進，并且在投資費用上較高，但是對于我國未來航運業的發展具有重要的現實意義，不僅可以促進我國航運業的發展，提高船只的工作效率，還能夠明顯減少燃料燃油的消耗和碳排放，實現綠色發展。

4 混合動力船只的工作模式

混合動力系統一般包括柴油發電機機組、配電柜主機以及綢帶發電機，通過這些零部件可以控制整個儲能系統，確保電池和電容管理更加健全完善，這類混合動力系統的工作模式主要有3種。本文主要分析的就是混合動力系統下船只的工作模式，確保不同類型的船只有更好的工作性能。

4.1 軸帶電模式

軸帶發電機的主要工作模式就是通過發電機自主機軸獲取能量，向儲能系統輸入能量。船只在起步階段，內燃機并不能在低速的模式下輸出較大的動力，但是電機可以在低速的狀態下高效地完成整個輸送電力任務，混合動力系統就是利用電機在啟動時低速的狀態下保證蓄電池能夠有充足的電力，啟動整個軸帶發電機，這時的內燃機不參與任何動力輸出，目的就是在低速的狀態下能夠做到節能減排。

4.2 軸帶電動聯合驅動模式

軸帶電動機由組成系統獲取一定的電能后，向主機輸送大量能量，確保整個電動機進行整體驅動輸送更多的動力。船只在中低速行駛階段時，要保證電機在低速的時候保持高效率的輸出。因此，船只就要在中低速狀態時，保證整個混合動力系統使用蓄電池有充足的電能，為電動機的高效驅動輸送動力，但如果此時的蓄電池電量不足，那么整個電機的動力就會來源于內燃機的帶動，通過發電輸送一定的動力，因此讓整個蓄電池保持充足的電能是非常有必要的，既能夠提高整個系統的工作效率，又能夠達到綠色發展的排放要求。

4.3 軸帶電動單獨驅動模式

軸帶電單獨驅動的模式是指通過相應的系統向整個軸帶電機輸送大量的能力，保證軸帶電動機能夠代替主機進行運行，在此時就可以讓柴油發電機機組進行組裝和運行提供大量的能量。船只在正常的狀態下會因為負荷較大的情況，使得內燃機的轉速較高，油耗較低，系統正是以內燃機動力作為整個支持，確保動力源來源充足，讓內燃機產生直接的動力驅動整個船只運行。另外，還需要注意船只的運行情況，確保船只的工作效率和驅動模式相匹配，即便是在負荷較低的情況下，也能夠將動力合理分配到各個系統中。發電機或蓄電池都要存在相應的工作，才能夠保證整個系統能將多余的電力轉化為動力，確保船只的輸出功率達到最優配置。

5 結語

當今電子技術的快速發展，為整個行業的蓬勃向上提供了充足的技術支持，對于航運業來說將會以新型技術確保船只能夠有更高效的動力支持?；旌蟿恿夹g的發展與進步，會為船只的推進系統提供更多的優勢。比如，電機的高效率、機械化輕量化以及高性能的工作優勢，使得電力轉化效率能夠得到明顯提高。隨著資源日益匱乏和環保意識的增強，越來越多的國家開始重視對環保和綠色發展的重要性，有很多的動力學研究專家，將目光放在了混合動力上，想通過混合動力系統的模式，為目前我國航運業的發展提供更強大的技術支持，通過不斷切換和組裝內燃機與發電機的配置，保證整個動力系統有更優化的安排，從而保證船只能夠高效率的輸出，低能耗低排放的排出?？偠灾?，混合動力技術將會為我國整個航運業的發展帶來新的生機，將整個船舶工程行業的發展推向高潮。

參考文獻

[1] 胡斌，吳國棟，王紹遠，徐振洋.船用電池系統主動均衡控制研究[J].船舶工程，2021，43（3）：91-95，104.

[2] 程湘裕.混合動力漁船的節能技術研究[D].上海：上海海洋大學，2020（10）：364.

[3] 褚適庚.船用燃料電池的混合動力系統研究[D].大連：大連海事大學，2019.

[4] 夏敬停，李紹海，賴琛.船舶并聯式油電混合動力系統設計[J].船舶工程，2019，41（5）：34-39，72.