一种新型船用混合动力系统设计
关于船舶混合动力系统的发展与应用
关于船舶混合动力系统的发展与应用1. 引言1.1 船舶混合动力系统的概念船舶混合动力系统是指在船舶上同时使用不同种类的动力装置来驱动船体前进的动力系统。
这种系统结合了传统的燃油动力和电动动力，以实现更高效率和更环保的船舶运行方式。
船舶混合动力系统的核心思想是根据船舶的不同工况和性能要求，灵活地选择和切换不同的动力装置，以最大程度地提高整体效率和降低运行成本。
船舶混合动力系统的优势在于可以灵活地选择不同动力装置来适应不同的航行工况，如低速巡航、高速航行、靠泊、停泊等，从而达到节能减排的目的。
混合动力系统还可以提高船舶的动力输出效率，减少噪音和振动，提升航行平稳性和舒适性。
船舶混合动力系统的出现不仅符合航运业的可持续发展要求，也是船舶动力技术的一个重要突破，将为船舶运输行业带来革命性的变革和发展。
1.2 船舶混合动力系统的意义船舶混合动力系统的意义在于提高船舶的能源利用效率，减少二氧化碳和其他有害气体的排放，推动船舶行业朝着更加环保和可持续的方向发展。
随着全球环境问题日益严重，航运业也受到了越来越多的关注，要求船舶在减少污染和节约能源方面承担更多责任。
船舶混合动力系统可以结合多种不同的动力来源，如传统的柴油引擎、液化天然气发动机和电动机等，根据航行的需求灵活调整使用不同的动力源，以达到最佳的节能和减排效果。
这样不仅可以降低燃料成本，提高船舶的经济性，还可以减少温室气体和大气污染物的排放，对保护海洋环境和改善空气质量都具有积极的意义。
船舶混合动力系统的意义还在于推动船舶技术的创新和发展，促使船舶制造商和船东不断提高船舶的环保水平，积极应对国际和国内环保法规的要求，为航运业可持续发展提供技术支持和解决方案。
船舶混合动力系统的意义不仅在于个体船舶的节能减排，更在于对整个航运行业的引领和影响，促使其向着更加绿色和环保的方向发展。
2. 正文2.1 船舶混合动力系统的技术原理船舶混合动力系统是指将多种不同类型的动力装置结合在一起，以实现更高效的动力传递和更低的燃料消耗。
某型电力推进LNG双燃料动力船燃气供应系统设计
LNG双燃料动力船的供气系统FGSS因其服务对象不同，在不同的动力装置中会有不同的特点。
就目前船舶LNG 燃料动力装置技术现状而言，有两种技术路线：高压LNG 燃气柴油机动力和低压LNG 燃气柴油机动力。
在高压供气系统中，300bar 左右燃气压力由LNG 增压泵获得。
LNG 从燃料舱储罐中被低压泵输出后经高压泵对其进行增压，增压以后的LNG 再用乙二醇水等进行加温汽化，然后送至GVU 单元中进行流量调节，最终送至高压双燃料低速二冲程柴油机主机中。
同时，该高压供气系统也可以向四冲程双燃料发动机提供6bar 的燃气。
低压供气系统，可以给比较早发展的四冲程双燃料发动机提供6bar 燃气，也可以设计成向近些年新发展WIN G&D 公司的XDF 型低速二冲程柴油机（包括MAN 公司正在研发的ME-GA 型）提供16bar 燃气。
某型船动力装置配置如常规的双燃料DFDE 电力推进装置一样，某型船动力系统上海振华重工（集团）股份有限公司 谷林春某型电力推进LNG 双燃料动力船燃气供应系统设计绿色技术 Green Technology采用双燃料柴油机发电，经配电板、变压器、变频器、推进电机以及减速齿轮箱推动螺旋桨产生动力。
双燃料柴油机采用四冲程中速DF机，船舶电站采用三相690V/50Hz电制，电推主机采用两台4.5MW吊舱式推进电机。
主发电机选型方案为：WARTSILA 6L 34/40DF×4，港口停泊发电机为MAN 23/30DF×1。
动力装置燃气供应系统GHTT双燃料动力船舶的FGSS系统主要功能是向双燃料柴油机提供满足一定压力、温度和流量需要的燃气。
从船用燃气供应系统的组成环节来看，需要有加注环节、储存环节、汽化环节以及向DF机供气（GVU）环节。
在设计上，将该系统储存环节泄漏的热量降至最低，以确保尽可能长的舱内LNG保持时间。
本项目船的燃气供应系统FGSS主要组成包括：LNG加注站、LNG燃料储罐及连接空间TCS、LNG燃料泵、LNG汽化器、燃气加热器、BOG压缩机、燃气缓冲罐、GVU燃气阀组、N2吹洗管线、乙二醇水泵、乙二醇水加热器、乙二醇膨胀柜、通风系统、控制系统、可燃气探测系统以及火灾报警系统组成。
船舶新燃料LNG_动力系统改装的设计分析
2023年·第4期·总第205期船舶新燃料ＬＮＧ动力系统改装的设计分析马超超１ 郑 健１ 郑志敏２（１． 中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 ２０００１１； ２． 意大利船级社（中国）有限公司 上海 ２０００４０）摘 要：…随着国际社会对低碳减排日益重视，液化天然气（liquefied…natural…gas,…LNG）燃料作为目前最重要的过渡清洁能源受到较多关注，已有一些船东开始对船队进行清洁燃料动力改装，但对于大型船舶新燃料动力系统的改装有一定考验与难度。
该文以15…000标准箱大型集装箱船LNG 动力改装为例，以LNG 燃料舱、主机、发电机及锅炉、供气系统、加注系统和辅助系统等为主要研究对象，分析研究新燃料系统改装的一些设计方法，为当下新燃料动力系统的船只改装提供设计方法作为参考。
关键词：船舶新燃料；低碳减排；LNG 动力；改装；设计方法中图分类号：U664.1………文献标志码：A………DOI ：10.19423/ki.31-1561/u.2023.04.089Design and Analysis of Retrofitting of New Fuel LNG Power System for ShipsMA Chaochao 1 ZHENG Jian 1 ZHENG Zhimin 2(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China ；…2. RINA(China) Co., Ltd., Shanghai 200040, China)Abstract: With the increasing emphasis of the international community on low-carbon and emission reduction, LNG fuel, as the most important transitional clean energy, has received more attention. Some shipowners have begun to retrofit their fleets with clean fuel power, but there are some difficulties in the retrofitting of fuel power systems for large ships. The LNG power retrofitting of a 15 000 TEU large container ship has been examined to analyze and study several design methods for the retrofitting of the new fuel system by focusing on the LNG fuel tank, main engine, generator and boiler, gas supply system, filling system and auxiliary system. This study can provide a design method as a reference for the ship retrofitting of the new fuel power system.Keywords:…new fuel for ships; low-carbon and emission reduction; LNG power; retrofit; design method收稿日期：2023-05-16；修回日期：2023-06-12基金项目：上海市科委科技创新行动计划（20dz1207002）作者简介：马超超（1986-），男，本科，工程师。
柴电混合动力船舶推进系统方案评估
3
能效优化建议
针对能效较低的推进系统，提出能效优化的建议 ，提高船舶的节能性能。
05
基于环境影响的评估方案
环境影响评估模型的建立
基于生命周期评估法
01
从原材料开采、生产制造、使用运营、报废处理等环节分析不
同推进系统的环境影响。
建立环境影响评估指标体系
02
包括大气环境、水环境、土壤环境、资源消耗、生态影响等方
及建议
01
引言
研究背景和意义
柴电混合动力船舶推进系统是一种节能、环保的船舶动力系统，具有高效、低排 放、低噪音等优点，符合当前船舶工业的发展趋势。
随着全球船舶市场的不断扩大和船队规模的不断增长，柴电混合动力船舶推进系 统的应用也越来越广泛，因此对其进行方案评估具有重要的现实意义和实际应用 价值。
06
基于安全性的评估方案
安全性评估模型的建立
建立综合考虑船舶运行环境、船体结构、推进系统性能等因素的安全性评估模型， 采用层次分析法、风险矩阵等方法对各因素进行权重赋值。
设立不同工况下的安全性评估指标，包括航速、航程、风浪等级等，根据实际运行 需求，对不同工况进行安全性评估。
结合专家意见和历史数据，对各因素进行综合分析，构建适用于混合动力船舶的安 全性评估模型。
05
04
环保性能优化
建议通过选择低排放和低噪音的发动 机、减少废弃物排放等方式优化环保 性能。
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考虑推进系统的效率
在建立评估模型时，需要充分考虑推进系统的效率，包括传统柴油 机、电动机、柴电混合动力系统等。
能量损失的量化
通过对各种推进系统的能量损失进行量化，能够更准确地评估不同 系统的能效。
不同推进系统的能效对比分析
小功率内河船舶油电混合动力系统的建模及仿真研究
小功率内河船舶油电混合动力系统的建模及仿真研究席龙飞;张会生【摘要】本文提出了一种可用于内河小艇的混合动力系统.按照模块化建模思想,建立了混合动力系统中各典型部件的数学模型,并在Simulink平台上建立了该系统的动态仿真模型.针对该混合动力系统的运行特点,利用所建的模型进行系统动态性能仿真分析,实现了电机起动和柴电联合驱动的工作过程,验证了模型的可行性.这能为小型内河船艇的新能源改造提供一种解决方案,也为混合动力船的理论研究和控制策略设计提供一种实用的建模方法.【期刊名称】《机电设备》【年(卷),期】2014(031)002【总页数】5页(P23-27)【关键词】船舶;混合动力;建模;仿真【作者】席龙飞;张会生【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240;上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】U664.16随着国内智能电网和港口岸电设施的不断发展，内河船舶的电动化有望成为未来的发展趋势。
于是，在近年来国内光伏产业大规模发展的背景下，一大批以太阳能电动系统为主体的油电混合动力船面世了。
但是这些“混合动力船”通常只能实现电动机和柴油机的交替驱动，而优化机桨匹配、实现双机并联等多模式工作的特性并未得到体现。
因此，本文针对某型内河公务艇的工作特点和功率需求，结合舰船联合推进技术、汽车混合动力技术的思想，提出一种新的船舶油电混合动力系统。
内河公务艇一般功率较小，多数时间航行在拥挤、多桥的航道内，需要频繁加减速，特别适合混合动力系统多模式工作的特性。
本文的主要内容是建立该系统的动态性能仿真模型，并进行仿真分析，为油电混合动力船在动力系统设计和控制策略设计方面进一步优化研究提供基础。
本文引入动态贝叶斯网络理论，提出基于动态性和可修复性的可靠性建模分析技术。
在模型方面，用贝叶斯网络能有效地刻画系统的动态行为、修复行为。
在此基础上建立系统任务可靠性数学模型，运用MATLAB软件中贝叶斯网络工具箱并编写MATLAB计算语句，输入有关元件致命性故障的故障率与修复率进行求解，实现推进装置的任务可靠性数值仿真。
新能源船舶动力系统研发项目可行性分析报告
新能源船舶动力系统研发项目可行性分析报告一、项目背景随着全球对环境保护的重视和对可持续发展的追求，传统船舶动力系统所带来的环境污染和能源消耗问题日益凸显。
新能源船舶动力系统作为一种创新的解决方案，具有巨大的发展潜力和市场需求。
在此背景下，开展新能源船舶动力系统的研发项目具有重要的战略意义。
二、项目目标本项目旨在研发一种高效、可靠、环保的新能源船舶动力系统，以满足船舶行业对节能减排和可持续发展的需求。
具体目标包括：1、提高船舶动力系统的能源利用效率，降低燃料消耗和运营成本。
2、减少船舶尾气排放，降低对环境的污染，符合国际和国内的环保标准。
3、增强船舶动力系统的可靠性和稳定性，提高船舶的航行安全性。
三、市场分析1、市场需求随着全球航运业的发展和环保法规的日益严格，对新能源船舶动力系统的需求不断增长。
特别是在短途航运、内河航运和沿海渔业等领域，新能源船舶具有广阔的应用前景。
2、竞争态势目前，新能源船舶动力系统市场仍处于发展初期，竞争相对较小。
但随着技术的不断进步和市场的逐渐成熟，未来可能会有更多的企业进入该领域，竞争将逐渐加剧。
3、市场趋势未来，新能源船舶动力系统将朝着高效、智能、集成化的方向发展，同时，与新能源相关的配套设施和服务也将不断完善。
四、技术可行性分析1、现有技术基础目前，新能源技术在汽车、航空等领域已经取得了一定的成果，为新能源船舶动力系统的研发提供了借鉴和参考。
同时，船舶工程领域的相关技术也在不断发展和进步，为项目的实施提供了技术支持。
2、关键技术难题新能源船舶动力系统的研发面临着一些关键技术难题，如电池能量密度和充电时间、燃料电池的成本和寿命、电力推进系统的效率和可靠性等。
然而，通过与科研机构和高校的合作，以及持续的研发投入，这些技术难题有望逐步得到解决。
3、技术路线选择综合考虑各种新能源技术的特点和应用前景，本项目拟采用以电池和燃料电池为主，结合超级电容和混合动力技术的方案，以实现船舶动力系统的高效、可靠和环保运行。
船用多系统集装箱式动力电池单元及其系统架构
船用多系统集装箱式动力电池单元及其系统架构
船用多系统集装箱式动力电池单元及其系统架构是指一种适用于船只的动力电池组装单元和其所使用的系统架构。
这种船用多系统集装箱式动力电池单元通常由多个动力电池模块组成，这些模块装在一个集装箱中。
每个模块都包含多个电池单元，并通过连接器连接在一起。
系统架构通常包括以下组件：
1. 动力电池模块：由于船舶需要大量的能量储存，因此采用多个动力电池模块，并将其安装在集装箱中，以满足需求。
2. 电池管理系统（BMS）：BMS用于监控、控制和管理动力电池的工作状态。
它可以监测每个电池单元的电压、电流和温度，以确保它们的工作在安全范围内。
3. 能量转换系统：能量转换系统将储存的电能转换为机械或电动能源，以供船只使用。
它包括逆变器、DC-DC转换器和电机驱动器等组件。
4. 控制系统：控制系统负责监控和控制船舶的能量管理。
它可以根据需求调整能量转换系统的工作模式，并优化能量利用率。
5. 冷却系统：由于动力电池在工作过程中会产生热量，因此需要一个冷却系统来控制温度。
这可以通过液体或风扇冷却来实现。
船用多系统集装箱式动力电池单元及其系统架构的设计有助于提高船只的能源效率和可靠性。
它允许动力电池的模块化和可扩展性，并提供了先进的能量管理
功能，以满足不同类型船只的需求。
船舶柴电混合动力系统轴带电机不同起动方式的仿真研究
船舶柴电混合动力系统轴带电机不同起动方式的仿真研究张艺川1,2，赵同宾1,2，周晓洁1,2，郭丰泽1,2(1. 上海齐耀科技集团有限公司，上海 200090；2. 中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090)摘要: 柴电混合动力推进系统的电力推进（PTH）模式是将轴带电机作为电动机运行并单独驱动螺旋桨推进，作为紧急推进的一种有效方式，能加强船舶运行的可靠性。
在切换至 PTH 模式时，轴带电机不能自启动，必须借助其他方式。
应用 AMESim 软件，对船舶柴电混合动力系统进行建模并稳态校核，仿真计算 PTH 模式下轴带电机不同起动方式对系统性能的影响，研究轴带电机稳定起动的控制策略。
仿真结果可为船舶柴电混合动力系统的设计提供参考和指导。
关键词：动力系统；柴电混合；轴带电机中图分类号：U664 文献标识码：A文章编号： 1672 – 7619(2016)S1 – 0134 – 05 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.S1.024Simulation study on performance of diesel-electric hybrid propulsionsystem in booster modeZHANG Yi-chuan1,2, ZHAO Tong-bin1,2, ZHOU Xiao-jie1,2, GUO Feng-ze1,2(1. Shanghai Qi Yao Science and Technology Group Co. Ltd. , Shanghai 200090, China;2. Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 200090, China)Abstract: PTH Mode means that shaft generator independently drives propeller in Diesel-Electric Hybrid Propulsion System, which can be used in case of emergency and enhance ship reliability. As shaft generator cannot start by itself, it must rely on other device. This study, based on a verified model in AMESim, simulates the system performance by different start-ing methods in PTH mode. Moreover, it designs strategies about steady starting of shaft generator. Results of this study can be used as design reference of Diesel-Electric Hybrid Propulsion System.Key words: propulsion system；diesel-electric hybrid；shaft generator0 引言柴电混合动力推进是由柴油机和轴带电机混合推进的新型动力模式。
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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。