摘 要

随着经济的快速发展伴随着能源短缺和污染排放严重问题的出现，在航运业，发展新型能源动力技术成为研究重点。本文以2000HP港口拖轮的混合动力系统进行设计为背景，开展了对油电混合动力系统进行选型和分析，对整船动力系统的布置设计进行研究，最后将完整的油电混合动力系统在simulink中进行建模和仿真，验证模型的可行性。

关键词：油电混合动力系统；；选型；建模仿真

Abstract

With the rapid development of economy and the emergence of serious problems of energy shortage and pollution emissions, the development of new energy power technology has become the focus of research in the shipping industry. Based on the design of the hybrid power system of the tugboat in 2000HP port, this paper carries out the selection and analysis of the oil-electric hybrid power system, and studies the layout design of the whole ship power system. Finally, the complete oil-electric hybrid power system is modeled and simulated in simulink to verify the feasibility of the model.

Key Words：Oil-electric hybrid power system；Type selection；Modeling and simulation

目 录

1. 绪论……………………………………………………………………
   1. 课题研究背景…………………………………………………………
   2. 课题研究意义…………………………………………………………
   3. 混合动力相关技术的发展现状………………………………………
   4. 混合动力船的国内外研究现状………………………………………
   5. 本文主要研究内容……………………………………………………
2. 油电混合动力船的选型与设计……………………………………

2.1 混合动力系统的运行模式……………………………………………

2.1.1 机械推进模式……………………………………………………

2.1.2 电力推进模式……………………………………………………

2.1.3 混合动力推进模式………………………………………………

2.2 混合动力系统的配置模式……………………………………………

2.2.1 系统结构…………………………………………………………

2.2.2 工作方式…………………………………………………………

2.3 混合动力系统传动结构分析…………………………………………

2.3.1 串联式混合动力系统……………………………………………

2.3.2 并联式混合动力系统……………………………………………

2.3.3 混联式混合动力系统……………………………………………

2.4油电混合动力船部件选型……………………………………………

2.4.1 性能要求…………………………………………………………

2.4.2 机-桨-船匹配原理………………………………………………

2.4.3 主机功率与航速的关系…………………………………………

2.4.4 主机功率…………………………………………………………

2.4.5 超级电容组参数…………………………………………………

2.4.6 减速器参数………………………………………………………

2.4.7 螺旋桨参数………………………………………………………

2.4.8 结果汇总…………………………………………………………

2.5 本章小结………………………………………………………………

第3章 油电混合动力系统建模与仿真………………………………………

3.1 模块化建模……………………………………………………………

3.2 simulink仿真模型……………………………………………………

3.3 仿真条件………………………………………………………………

3.4 仿真结果………………………………………………………………

3.5 本章小结………………………………………………………………

第4章 并联式混合动力系统控制策略研究…………………………………

4.1 逻辑控制策略……………………………………………………………

4.2 模糊控制策略………………………………………………………………

4.3 基于优化理论的控制策略……………………………………………………

第5章 总结与展望……………………………………………………………………

5.1 总结………………………………………………………………………….

• 1. 展望…………………………………………………………………………

第一章 绪论

1.1课题研究背景

近些年来，在社会经济得到快速发展的同时也伴随着环境污染、能源短缺等问题的出现。由于化石燃料日益枯竭并且能源危机还有能源之争持续升级再加上地球的生存环境也在不断的处于恶化之中，随着每年对化石燃料这类不可再生能源的大量开采使用，能源短缺问题开始加剧，化石燃料价格也随之不断的上涨，加上从2015年1月1日开始，在所谓的硫排放控制区(SECA)实行更严格的排放标准。在此之后，许多沿海地区只能使用含硫量为0.1%的燃料，这意味着购买燃料需要增加的额外成本[1]。航运排放严重影响了沿海地区空气质量，而且对距离海洋数百公里的内陆地区也造成的一定的影响，人类排放大量的二氧化碳等各种有害气体使得全球慢慢变暖，世界上各地的极端气候出现次数越来越高。航运污染现状如下图所示。

因此，人们开始将目光转向了各类清洁可再生替代的能源资源。从研究上可以表明，全世界航运业的CO2排放占了全世界温室气体总排放量的百分之四 ，而且人类总污染源的15%和10% 来自于全世界航运交通工具每年产生的有害气体像NOx 、SOx 等[2]。特别是在城市人口密度比较高的港口、码头和内河区域，各类不同规格、类型的船舶所造成的噪声污染、水质污染、空气污染等各类环境污染很大程度对我们的生活环境产生非常有害的影响。目前航运业对环境所造成的危害和污染问题不容忽视，已经成为时下重点关注问题。国际海事组织(IMO)还有众多的国家及地区正在积极的实施各种有效的政策和措施来降低船舶的污染，解决航运业的高污染问题 。为解决船舶污染现状，洁净可再生能源应用于船舶领域中无疑成为了最佳选择，并且具有很好的发展前景。目前太阳能、风能、核能还有燃料电池等这类清洁能源其实已经具备了在船舶上应用的条件，而值得注意的是在各类清洁可再生能源应用于船舶的各类技术方案中，单独依靠一种能源的应用模式并不是最优的。依据船舶自身航行工况、营运特点和性能要求的不同，相对应的引用满足其要求的多种不同类型能源混合应用的这类混合动力船舶已经成为当前船舶发展的一个主要研究方向。“混合动力船舶”可以解释为以两种以上的储能装置、动力源或者能量转换装置作为动力来源，并且动力源中至少有一种可以提供电能的船舶。混合动力技术可以有效缓解技术不成熟与能源环境污染问题之间的矛盾，为船舶从传统的机械推进过渡到绿色推进提供了一种可行性方案[3]。并且，混合动力船舶的最大亮点是兼具了纯绿色电动船舶、柴电电力推进船舶的优点：对比于纯绿色电动船舶，混合动力船舶初期的投资成本较低，续航能力强[4]；对比于柴电电力推进船舶，可以根据工况变化切换对应的运行模式，保证在不同工况下柴油机都工作在高效率区域，提高了燃油经济性。

在关于混合动力发展政府出台的一系列行业政策方面，在2020年两会的《政府工作报告》中也重点提出，“加快淘汰老旧机动车，对高排放机动车进行专项整治，鼓励使用清洁能源汽车”政府还通过其他途径鼓励新能源汽车、混合动力汽车的发展，制定了相应的优惠补贴政策。在船舶领域，着力实现船舶新能源化，大力发展以混合动力推进模式的新能源动力形式。

1.2课题研究意义

在上述的背景下，为应对当前发展环境的变化。在船舶领域，为节约不可再生能源消耗通过采取改进和优化船舶动力系统的措施来减少各类污染排放，节能减排，减少能耗和排放，实现绿色发展[5]。目前太阳能、风能、海洋能、核能、新型燃料等新型能源单独应用于船舶动力系统中还有很多技术限制，发展尚不成熟，电能对比于其他绿色能源具备较高的有效性和实用性，并且其他类型的新能源作为动力都是采用“先发电、再电力推进”的思路，最终转化的还是电能，因此采用电力推进方式更加受到关注和重视。而电动船也无法成为主流，因为动力电池的功率密度、能量密度有限再加上初期投资成本较高，所以还不足以单独的作为动力源使用，在这种情况下，为缓解动力电池技术发展不成熟的问题，推出了混合动力船作为现阶段兼顾环保性和实用性的折中选择，并且在现实工作中，混合动力系统自身操纵性能好、适合船舶航行工况多变的环境、机动性好、减少振动和噪声污染、燃油利用率与航运经济性都较高[6]。在船舶混合动力系统的选型上，通过对混合动力系统各部件进行合理的设计和匹配，设计出最佳的机桨船匹配，提供好的系统性能，进行可靠性设计，最后进行分析和评估，可以大大的解决了船舶在不同工况下运行的功率需求，最终提高了船舶动力推进的机动性和可靠性，大大降低了初期的投资费用和维修保养的频率，有效的减轻了船体的振动噪声，应用前景广泛，因此成为相关部门的重点研究对象。

1.3混合动力相关技术的发展现状

近年来，由于电机和储能电池装置技术的飞速发展和进步，使得混合动力技术随之也得到快速发展。混合动力技术是指两个以上的驱动方式组合而成的动力技术解决可靠方案。当前在车辆领域已经得到成熟的应用，它可以有效的提升动力设备的燃油经济性、灵活性、动力性，达到减少能耗和排放的效果。混合动力广义上被定义为油电混合动力，动力源由内燃机、电机构成，在油电混合动力系统中，内燃机稳定输出功率，电机由柴油发电机提供电能，电机调速简便、工作范围广，有效解决了内燃机在低转速的工况下无法稳定工作输出的缺点。与此同时，储能装置的充放电起到了削峰填谷的作用，避免了内燃机转速大范围波动，有利于内燃机稳定运转工作。由于船舶与汽车都是机动设备，而且在动力配置上具有一定的相似性，因此可以借鉴参考汽车领域内的相关技术并且移植到船舶上，在技术层面上来说是可行的。当前在汽车领域内新能源技术的应用取得了一定的成功，在各类新能源技术中，混合动力技术是最具有亮点的，混合动力技术在保证动力性和长续航的同时，还能有效减少能耗、排放，解决各类污染问题，节能减排，实现绿色发展，因此混合动力技术是同时兼具了动力性能和绿色环保的最优技术方案。广义上混合动力被定义为具有两种及以上的不同类型动力源组合，但通常所说的混合动力是指内燃机、电机组成的动力系统。它的工作模式：功率需求较大时，工作在混合动力推进模式，即内燃机、电机一起驱动；功率需求较小时，内燃机驱动并将多余的功率转移到发电机发电，然后向电池充电；当功率需求更小时，内燃机停止工作，电动机单独运转；功率需求为负值，即为制动情况时，内燃机停止工作，发电机工作向电池充电，回收多余的制动能量。以上就是混合动力技术目前的发展现状，目前这类技术在国内外还处在不断探索和研究的阶段。

1.4混合动力船的国内外研究现状

在全球范围内混合动力船当前的种类有超级电容-柴油混合动力船、燃料电池-柴电混合动力船、储能电池-柴电机组混合动力船、LNG-柴油混合动力船以及LNG-蓄电池混合动力船这几种。不同种类的混合动力船舶适应于不同的航行区域、营运特点及航行需求，不管是哪种类型的混合动力船舶，其混合动力装置结构都很复杂，技术的实现难度也较大，并且涉及到内燃机、电动机以及能量控制管理等多个重要环节。目前在世界上，混合动力相应的解决方案和技术由世界上少数几家国际大公司牢牢掌握着，例如Rolls-Royce、Wärtsilä、Maschinenfabrik Augsburg Nürnberg、ABB等。其中，Rolls-Royce一直专注于在油电混合动力技术方面的研发工作，值得注意的是混合动力技术目前已经在港口拖轮、行政船上得到了应用，例如libas混合动力渔船、MTU混合动力系统船舶、“Color Hybird”混合动力渡轮。在2017年12月，Wärtsilä公司的HY混合动力港口拖轮得到中国船级社的船型AIP认可，未来将提供二十八米港口拖轮、二十九点五米港口拖轮、三十米护航拖轮三种尺寸的拖轮。瓦锡兰HY混合动力拖轮有机械推进或混合动力推进两种模式，在减少能耗和排放的同时，还减少了拖轮在工作中的噪声[7]，船型如下图所示。