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智能船舶混合动力和推进系统的设计和控制发展综述
1. 导言
像许多其他行业一样，航运业也承受着降低其对环境影响的巨大压力。如果不采取任何措施，到2050年，CO2的排放量预计将增加50-250％，实现全球升温2°C的目标。此外，航运业已占全球NOx 排放量的15％，如果不采取任何措施，预计还会增加。但是，动力和推进系统的进步以及能源管理的改善的措施可以极大地减少CO2和NOx的排放。
为了实现这些进步，国际海事组织马尔波尔法规对船舶排放物施加了越来越严格的限制。首先，国际海事组织马尔波尔附件VI对输出功率超过130 kW的柴油发动机的加权循环氮氧化物（NOx）排放设定了限制。例如，2011年1月以后建造的被称为Tier 2的船舶上的柴油发动机，对于高速发动机，限制为7.7 g / kWh，对于非常低速的发动机，限制为14.4 g / kWh。从2016年1月开始，在排放控制区域中，这些限制分别降至2.0 g / kWh和3.4 g / kWh。这些限制目前仅针对发动机的NOx生产，而不是整个船舶的推进和发电。但是，针对汽车每英里NOx生产的发展以及公众对确定现实驾驶条件下的标准的强烈抗议可能会导致未来的运输法规限制每英里NOx的生产。尽管如此，减少柴油机推进和发电中NOx排放的最重要研究领域是NOx减排技术，例如废气再循环（EGR）和选择性催化还原后处理（SCR）。其次，国际海事组织马尔波尔法规为降低新船的能效设计指数（EEDI）设定了目标。EEDI是货船每吨货物和每英里产生的CO2排放量的量度。与2013年推出时的基准货船相比，新货船的EEDI将从10％降低到2030年的30％。其他船型也在采取类似措施。因此，未来几年中，用于未来船舶的推进装置和发电厂必须大大减少燃料消耗和排放。
同时减少燃油消耗和排放的压力不断增加，船舶的运行状况也日益多样化：近海船舶执行许多任务，例如运输和关键动态定位（DP）操作；重型起重机船（例如，Priveering Spirit）在各种海上作业中表现出更高的容量和复杂性；海军舰船在公海执行传统的巡逻行动，但也部署在沿海行动中；拖船在拖曳时需要全力拉动，在运输或待命期间要求动力有限。由于这些不同的运行情况，动力和推进装置必须在许多性能标准上表现良好，例如：
1.燃料消耗；
2.排放；
3.辐射噪声；
4.推进能力；
5.机动性；
6.舒适，因为最小的噪音，振动和气味；
7.因发动机热负荷和机械负荷而引起的维修费用；
8.购买成本。
此外，如常规所做的那样，多样化的运行状况使得难以在船舶设计阶段针对特定工作点优化动力装置和推进装置。因此，自1990年代以来，对于各种类型的船舶，例如游轮和首都船，例如HNLMS鹿特丹，动力和推进配置已经适应了具有电动推进功能的各种运行状况。但是，尽管电驱动在低速时效率更高，但它会在发电机，功率转换器，变压器和电动机等电气组件中引入额外的5-15％的推进功率转换损耗。
效率和适应性对各种运行状况的权衡取舍导致了越来越多的动力和推进架构，其可归纳如下：
bull;机械推进、电力推进或两者的混合组合；
bull;采用内燃机、燃料电池、储能或混合组合发电；
bull;交流或直流配电。
随着系统架构复杂度的增加，控制的自由度也随之增加。但是，大多数先进的推进架构仍使用相同的传统控制策略：固定的组合器曲线，固定的频率生成器，基于规则的电池使用和操作员控制的配置设置。相反，在航海和汽车领域的研究表明，具有传统控制功能的先进架构不会显着降低燃油消耗或排放，而系统的成本和复杂性却会增加。
然而，尚未开发出用于海事应用的高级控制策略。然而，在优化电 池部署和智能使用DC架构方面的有限研究表明，智能控制策略可以减少10％到35％的油耗和排放。几乎没有涉及对其他标准的影响的分析。因此，迫切需要对智能控制策略进行整体研究和开发，以提高各种标准的性能，以实现高级架构对未来智能船的好处。为了指导这项研究，必须对每种架构的适用控制策略及其在上述标准下的性能进行审查。
虽然对汽车混合动力电动汽车的结构及其控制策略有广泛的评论，对于船舶的动力和推进架构及其控制策略尚缺乏这样的审查。此外，并联，串联和串联-并联的分类混合动力电动汽车不适用于船舶的动力和推进结构，因为船舶可以具有多个推进发动机，电动推进马达，柴油发电机，燃料电池和储能系统。因此，本文概述了混合动力和推进架构及其在船舶上的控制策略的开发和应用。本文将推进拓扑分为机械推进，电力推进和混合动力以及燃烧电源，电化学电源，储能电源和混合电源中的电源系统拓扑。此外，本文还回顾了混合架构，例如混合动力与混合动力电源和直流混合动力的混合动力电源。对于所有这些动力和推进架构，本文回顾了其优点和挑战，在船舶上的应用以及控制策略。由于对船舶的这些高级体系 结构和控制策略的研究有限，因此每个部分还回顾了地面微电网和混合动力汽车技术的相关文献。最后，本文总结了动力和推进系统架构的发展，优点，缺点和应用趋势，并在本节中回顾了可用的控 制策略及其优点。
2. 机械推进
在19世纪之前，船由桨和帆推动。然后，蒸汽机的发展导致了机械推进的引入。在19和20世纪，驱动发动机从往复式蒸汽机和蒸汽轮机发展为柴油机，在某些应用中还发展为燃气轮机。
提出了具有机械推进力的现代船舶的典型架构图2.原动机（1）（通常为柴油发动机或燃气轮机）直接或通过齿轮箱（2）驱动推进器（3）（通常为螺旋桨）。替代性的原动力是蒸汽轮机与（核）蒸汽提升设备和燃气轮机的组合。但是，由于柴油船的燃油效率高，因此大多数船舶都在使用柴油发动机，因此本文仅针对柴油发动机。
需要一个单独的交流电网(6)来产生和分配辅助负荷(5)的电力，例如变速驱动(4)、暖通空调(HVAC)和其他任务关键和辅助系统。柴油、汽轮机或燃气轮机发电机(7)给这个电网供电。
对于低速柴油机驱动的大型货船，不需要变速箱，可通过发动机旋转实现换向。另一方面，小型船舶确实需要一个变速箱来降低发动机速度，因为它们是由中高速柴油发动机驱动的。该变速箱也可用于换向轴旋转。
最常用的推进器是固定螺距螺旋桨(FPP)。它需要一个可逆的发动机或变速箱来停止和倒车。或者，一个可控螺距螺旋桨(CPP)可以提供负推力，以停止和逆转。其他推进器有水射流、表面穿孔螺旋桨、旋翼螺旋桨、桨轮、鲸鱼尾和磁力动力推进装置。此外，推进和转向可以结合在导向推进器中。然而，这一审查将仅限于螺旋桨，尽管同样的原则和控制策略也适用于其他推进器。因此，接下来将更详细地介绍FPP和CPP的特点。
2.1. 固定螺距螺旋桨
当机械推进装置中的推进器为FPP时，船舶的阻力、螺旋桨和变速箱决定了柴油机的负载特性。此负载特性称为螺旋桨曲线 。在图3中绘制了三条螺旋桨曲线，分别表示柴油机在试验工况、设计工况和非设计工况下所经历的载荷。
螺旋桨曲线已绘制在发动机工作罩。这个操作包线显示了发动机所能传递的最大功率随发动机转速的变化。此外，图3显示发动机的特定油耗(证监会)作为发动机速度和交付的功率的函数。这一具体图是从一个典型的中速柴油机的二次拟合模型中推导出来的。
螺旋桨曲线、工作包络图和证监会等高线图表示静止状态，不加减速。在固定条件下工作时，柴油机以恒定的发动机速度提供恒定的功率输出。例如，设计速度可以在1125的操作点实现。 rpm和2500 千瓦。在此设计条件下，比油耗为191g/千瓦时。另一方面，在恶劣的天气和船体污垢的非设计条件下，设计速度将达到1125 rpm和3000 千瓦，平均比油耗193 g/千瓦时。
然而，在动力条件下，如在恶劣天气下航行和转弯时，实际载荷在螺旋桨曲线的平均操作点附近波动。中所示的非设计条件图3表示负载的平均增长。为了防止过载引起平均负荷的波动，螺旋桨曲线与发动机工作包络之间需要有足够的裕度。这可以通过选择一个具有更高评级的引擎来实现。
然而，过高的发动机增加了推进装置的成本，增加了燃料消耗，因为平均操作点现在可能与接近最大负荷线的最佳油耗有更大的距离。或者，选择一个在部分负载中具有更宽的工作包络的发动机最近已经成为可能。可以通过顺序涡轮增压、废弃门或可变涡轮机几何学来实现更宽的工作包络。例如，当废气流量太低时，顺序增压(STC)通过关闭涡轮增压器来扩大工作包络。
总之，FPP所面临的挑战是匹配柴油机、变速箱、螺旋桨和船舶阻力，使其能够在发动机的转速范围内安全运行。船舶的最低航速受发动机最低航速限制。对于倒车，发动机或变速箱都需要是可逆的。
2.2. 可控螺距螺旋桨
为了克服上述挑战，可以使用cpp。因为螺旋桨螺距引入了额外的控制度。降低螺距会降低螺旋桨推力，降低发动机在一定轴速下所吸收的功率。这允许推力降低到最低发动机转速和全螺距值以下。此外，反向螺距可以使推力被逆转，而不逆转发动机或变速箱。因此，CPP直接提高了操纵性，控制策略可以用来提高性能。
2.3. 机械推进的好处和挑战
机械推进在设计速度（最高速度的80％至100％）之间特别有效。在这个范围内，柴油发动机在其最有效的工作点工作(见图3)。此外，机械推进由主机、变速箱和螺旋桨三个功率转换阶段组成，从而降低了转换损耗。因此有效的运行会导致较低的功率输出，也将导致NOx的排放降低。最后，由于机械推进器的复杂性低，因此其购买成本低。这证明了机械推进在运输船上的应用是正确的，如对无人油轮进行的能量分析所示，该油轮将其88％的能量转换为主要柴油发动机中的能量。因此，本研究得出的结论是，对于这些船型，通过回收废气和冷却水中的余热来产生辅助电力和供热，可以最好地减少燃料消耗和排放。
然而，匹配发动机的设计速度也修正了工厂行为的其余操作包。CPP可以在增加系统复杂性的前提下增加额外的控制自由度。然而，机械推进面临以下挑战：
bull;机动性受到发动机的操作范围的限制。CPP可提高机动性，但仍限于防止发动机超载。
bull;高的静态和动态发动机负荷可以增加发动机所需的维修工作量。采用适当控制策略的CPP可以降低静、动态负荷。
bull;当航行速度低于最高速度的70%时，机械推进的燃油效率和高排放率很低，因为发动机的油耗明显增加到额定功率的50%以下(见图3).
bull;机械推进的可用性很差，因为传动系统中任何部件的失效都会直接导致动力损失。
bull;主推进发动机的NOx排放量取决于其在工作范围内的工作点。在汽车领域，柴油发动机的研究表明，在世界协调的轻型汽车测试周期（WLTC）期间，NOx排放随着加速曲线的增加而大大高于当前的欧6标准80 mg / km，在新的欧洲行驶周期（NEDC）中进行了评估， 负载更恒定。荷兰国防科学院的一台300 kW MAN4L20 / 27研究 型发动机在未采用NOx减排技术的情况下进行了NOx测量，证实了这 一趋势，如图1所示。图4来自Linden。同样，由于涡轮迟滞导致气缸温度升高，因此在加速过程中柴油机的机械推进可能会导致高NOx排放。在这种情况下，船舶的NOx排放量可能以g / kWh 的速率高于指定的Tier 2或Tier 3标准。
bull;由于从发动机到螺旋桨的机械传输路径，辐射噪声性能受到限制， 尽管隔离措施可以改善这种情况。
bull;空化引起的辐射噪声性能受到限制，特别是在动态条件下，但是 可以通过CPP和适当的控制策略来改善。
2.4机械推进的应用
引入蒸汽机后，大多数船舶都采用了机械推进。为了迎接上面列出的挑战，在许多应用中，各种电气体系结构已经取代了纯机械推进。但是，对于大多数情况下以单一巡航速度航行的船舶而言，机械推进仍然是首选的架构，因为其在满负荷下的燃油效率很高。这样的船类型的例子是货船和快速船员供应商。
利用机械推进，在某些操作模式下，其他类型的船舶将在发动机的运行范围内以低功率运行。例如，在运输过程中，拖船只需要拖曳所需最大功率的20％，而近海船舶在DP期间的功率非常低。对于这些类型的船，机械推进将导致较差的燃料消耗和高排放。因此，可以考虑电动或 混合动力推进以提高部分负荷的燃油效率。但是，全球范围内有超过50％的拖船是由机械推进装置构成的。
可替代地，具有有限数量的不同操作模式的船舶可以通过带有离合器的变速箱受益于具有多轴和/或一个轴上的多个发动机的机械推进。这些引擎可以是相同类型或不同类型。具有多个发
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