摘 要

发展低碳经济，减少污染，已成为当前社会各界发展的新目标，随着船舶数量急剧增长，排放问题日益严重，作为世界上最为主要的运输方式之一，在上述背景的驱动之下，船舶低碳环保的新型动力发展也迫在眉睫，各国都在进行船舶新型动力的研究，船舶技术的发展，本质上就是动力系统的革新，与传统意义上的机械动力与电力推进相比。混合动力电动船舶有着污染小、噪声低、拥有好的续航能力和经济效益等特点，采用混合动力的船舶可以提高船舶航行的可靠性、环保性、经济性、操纵性柴电混合动力系统可满足船舶多工况下经济运行的需求。

船舶动力系统是维持船舶正常航行的重中之重，其动力系统主要由船舶主机、轴系及轴系附件、传动设备和螺旋桨组成。船舶动力系统的成本为船舶设备总成本的三分之一 ，鉴于动力系统的重要地位，对于动力系统的设计需要考虑多种因素。包括它的稳定性，可靠性，节能效果等等。因此，船舶动力系统的技术的发展和创新，已经成为了全球造船大国的关注重点。

对于传统的柴油机单一动力源系统,对环境造成很大的生态污染和噪声污染,而且由于机械振动和机械噪声的产生会给乘客造成强烈的不舒适感。在此基础上,本文设计了以油电混合系统为源动力的小型客船,利用锂离子电池组合柴油机两种动力源带动推进系统,最终达到推进船舶前进的目的。随着电池业的发展,锂离子电池己经是作为高性能电池的代表了,它具有其它电池无法比拟的优点,单体工作电压高、比能量大、循环寿命长以及安全性能好等特点。

论文主要以一艘五百客位客船作为母型船，进行了柴电混合系统动力设计，全船以超级电容—柴油机作为动力系统的主要结构，对柴油机型号的选择以及超级电容进行选型，设计出一整套柴电混合动力系统，研究结果表明，柴电混合动力系统具有充分运用主机功率，提高主机利用率，有利于增强船舶操纵性，从而有利于船舶在各种特殊水域航行，同时在主机出现故障的情况下，可以采用电力推进，以此使得船舶航行更加安全可靠。

Abstract

With the depletion of global petroleum energy and environmental pollution becoming increasingly serious, how to achieve the energy saving of construction machinery and improve the emission quality of construction machinery have caused widespread concern of construction machinery manufacturers and users, building a low-carbon society, and developing a low-carbon economy. Reducing pollution has become a new goal for all sectors of society. With the dramatic increase in the number of ships, emissions have become increasingly serious. As one of the world’s most important modes of transport, driven by the aforementioned background, the new type of low-carbon and environmentally friendly ships The development of power is also imminent. All countries are conducting research on new types of ship power. The development of shipbuilding technology is essentially the innovation of power systems, compared with the traditional sense of mechanical power and electric propulsion. The hybrid electric ship has the characteristics of small pollution, low noise, good endurance and economic benefits, and the use of a hybrid ship can improve the reliability of ship navigation, environmental protection, economy, and maneuverability. The demand for economic operation under multiple operating conditions.

The ship power system is the core part of the ship's navigation. It is mainly composed of the ship's main engine, shafting, shafting accessories, transmission equipment and propellers (propellers). As a major ship equipment, the value of the ship power system is 35% of the cost of all equipment, and the power system accounts for about 20% of the total ship price. In addition, factors such as system reliability, energy saving, and economy need to be considered. Therefore, the development of marine power systems has become the focus of attention of the global shipbuilding industry, and it is also the key to competition among the world's major shipbuilding nations.

The paper mainly uses a passenger ship with 500 passengers as the mother ship, and carries out the power design of the diesel-electric hybrid system. The superstructure-superdiesel-diesel is adopted as the main structure of the power system, and the model of the diesel engine and the selection of the super capacitor are selected. A set of diesel-electric hybrid power systems was designed to calculate the timing of super-capacitors in the slow speed regulation process. The results show that the diesel-electric hybrid power system can fully utilize the power of the host and improve the utilization ratio of the host, which is beneficial to enhancing the maneuverability of the ship. This will facilitate the navigation of the ship in various special waters. At the same time, in the event of a host failure, electric propulsion can be used to make the navigation of the ship safer and more reliable.

目录

摘要 4

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外的研究现状分析 1

1.2.1国外的混合动力船舶 1

1.2.2国内的混合动力船舶发展 2

1.2.3总结 2

1.2.4课题主要研究内容及工作 2

第二章 混合动力系统在船舶应用的优势分析 2

2.1.单一柴油机动力系统的发展历程 2

2.2单一柴油机动力系统的优缺点分析： 3

2.3混合动力系统在船舶上的应用优势 4

第三章 柴油机-超级电容混合动力系统组成和设计 4

3.1 柴油机-超级电容混合动力系统的组成配置 4

3.2.混合供电电源储能系统的组成 5

3.2.1蓄电池选型 6

3.2.2超级电容选型 6

3.2.3锂离子电池组与超级电容混合储能方案 8

3.3推进电机及其控制系统 10

3.3.1升压变换器 10

3.3.2升压变换器的选型 11

3.3.3 逆变器选型选型设计 11

3.3.4推进电机选型设计 14

3.3.5.推进电机的启动、调速和制动控制 14

3.3.6.推进电机控制策略-交流调压变频控制模式 15

3.3.7推进系统的操作与保护 17

3.4本章小结 18

第四章 混合动力船舶能源系统控制模型设计 18

4.1客船的相关参数选型 19

4.2 超级电容混合动力船舶推进系统图设计 20

4.3本章小结 21

第五章 系统的经济型排放性分析 21

5.1经济性分析 21

5.2排放性分析 22

5.3 本章小结 23

第6章 总结与展望 24

6.1全文总结 24

6.2 后续工作展望 24

致 谢 26

第一章 绪论

本章概述了混合动力发展及其推广的目的与意义，简述了目前国内外混合动力发展的现状，进行了总结与归纳，从而提出了本论文的研究内容与设计基础

1.1 研究背景

柴油机作为一种传统的原动机，仍然在世界上应用最为广泛，柴油机在工作时产生的各种有害气体以及温室气体，导致了严重的环境污染，同时也是全球气候变暖的重要诱因，据统计，挪威1998年向国际海事组织提供的资料估计，船舶每年NO_X排放量达602万吨，占世界排放总量的7%；SO_X达634万吨，占世界排放总量的4%。到2020年，全球航运业CO₂排放量将达到1.4×10⁹吨，普通的柴油机设计使其在最接近最优化输出时运转的效率达到最佳，然而普通的发动机在低速运转或高负荷运转时效率较低，在上述工况下工作会使发动机寿命缩短，排放也会增加，使污染加剧，维护费用增多，混合动力装置的应用，使辅助内燃机驱动模块运行速度恒定，带动发电机给送电至电网，通过电网送电至驱动发电机，通过运用智能控制系统管理运营，可以通过当前运行所需的发电量来控制发电柴油机的运行，因此可以按照运行所需的不同速度来控制发电柴油机运行达到最优运转，同时，传统的柴油机在运行时会产生大量的噪音，影响船员的工作和休息，所以寻找新型的船舶动力已经成为目前世界主流的船舶动力发展方向。

1.2 国内外的研究现状分析

1.2.1国外的混合动力船舶

混合动力船舶通常以两种或两种以上储能器、或能量转换器作为传播的推进动力源。混合动力船舶技术，目前仍有较大的发展空间，出于不断研究和发展的阶段。 在国外，有不少科研机构，对于混合动力源的设计有了自己的一套方案和见解。U31 号潜艇搭载了世界上第一艘柴电混合动力系统，于2003 年在德国基尔港试航成功。2010 年1月， GREENLINE33 混合动力游艇在意大利横空问世，该游艇混合了电池组、柴油机和太阳能动力，引起了人们的广泛关注。

1.2.2国内的混合动力船舶发展

混合动力船舶在国内的研究处于起步初期阶段，成功的案例并不多见。 国内第一艘燃料电池试验船 “天翔 1 号”。 在2015年于上海海事大学成功研制，该船的推进器功率为1470W，14km每小时航速下续航时间达到五小时。

1.2.3总结

混合动力之所以目前发展较为缓慢是由于两个方面。1.混合动力系统数学控建立2.能源系统较为复杂，在这些方面国内在此方面与国外相比还有着相当大的差距。因此，开展本课题的研究十分必要。

1.2.4课题主要研究内容及工作

1、了解混合动力船舶的发展历程。

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