匡曙龍，楊一鵬，邱長(zhǎng)青，李 鵬

應(yīng)用研究

多航態(tài)無(wú)人艇混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

匡曙龍，楊一鵬，邱長(zhǎng)青，李 鵬

（船舶綜合電力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064）

以未來(lái)海上智能化作戰(zhàn)為牽引，發(fā)展跨介質(zhì)平臺(tái)，滿足跨介攻擊智能化作戰(zhàn)需求。本文開展了多航態(tài)無(wú)人艇混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，對(duì)于混合動(dòng)力系統(tǒng)存在多種運(yùn)行模式而言，各工作模式的切換控制相較于單一工作模式控制更為復(fù)雜。根據(jù)無(wú)人艇不同航態(tài)及任務(wù)需求設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)切換模式方案，實(shí)現(xiàn)了快速、穩(wěn)定的工作模式切換功能。驗(yàn)證了混合動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，提升了系統(tǒng)效率。

跨介質(zhì) 多航態(tài)無(wú)人艇 可靠性 混合動(dòng)力系統(tǒng)

0 引言

多航態(tài)無(wú)人艇是一種集水面艦艇與水下航行器于一體的新型智能無(wú)人艇，能夠根據(jù)任務(wù)需求實(shí)現(xiàn)水面、半潛、水下全潛三種航態(tài)的自主切換，具有水面高速航行的特點(diǎn)，迅速進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)后轉(zhuǎn)場(chǎng)撤退；又具有水下航行器的隱身特性，利用桅桿與水面基站進(jìn)行連接通信，從而實(shí)現(xiàn)信息交互和隱蔽的目的，可長(zhǎng)時(shí)間對(duì)目標(biāo)海域進(jìn)行潛伏偵測(cè)。無(wú)人艇智能控制系統(tǒng)快速切換航態(tài)功能，完成環(huán)境信息感知，提高任務(wù)執(zhí)行機(jī)動(dòng)性[1～3]。

動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)與智能控制系統(tǒng)相輔相成，以滿足無(wú)人艇水面和水下工作要求，針對(duì)不同工況和運(yùn)動(dòng)特性設(shè)計(jì)高功率密度的混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，為有限的空間提供更高的動(dòng)力，兼顧多航態(tài)下工作環(huán)境和動(dòng)力需求[4,5]。智能控制系統(tǒng)幫助混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)快速響應(yīng)，保證系統(tǒng)切換的快速性、穩(wěn)定性和可靠性，使得整個(gè)混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)安全運(yùn)行，通過(guò)混動(dòng)控制策略提高系統(tǒng)的使用壽命和續(xù)航能力。

本文首先進(jìn)行了混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行模式分析。無(wú)人艇由電力推進(jìn)模式驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保、零排放、高隱身性的目的；無(wú)人艇由柴油機(jī)模式驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少，系統(tǒng)可靠性最高，不存在復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)模式組合，避免了加速過(guò)程中的遲頓；無(wú)人艇由機(jī)電模式驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)輸出最大功率，機(jī)電深度混合，系統(tǒng)較為復(fù)雜，并且柴油發(fā)電機(jī)組、動(dòng)力電池系統(tǒng)相互冗余，供電冗余性高[6,7]。然后進(jìn)行了混動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了不同工作模式下的驅(qū)動(dòng)方式和工作流程。最后對(duì)不同模式之間的切換進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行模式分析

多航態(tài)無(wú)人艇主要具備噸位小、航速高、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)。無(wú)人艇處于水下低速航行時(shí)，一旦遇到緊急情況，需浮至水面立刻進(jìn)入中高速航行模式，并且保證足夠的動(dòng)力儲(chǔ)備，以確保無(wú)人艇在高速航行時(shí)快速機(jī)動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)需求。

1.1 混合動(dòng)力模式

混合動(dòng)力模式的設(shè)計(jì)目的在于提高各工況下的混合動(dòng)力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率，提高熱機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)提升使用無(wú)人艇低速航行的隱身性。從而在充分滿足航行以及用電負(fù)載需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保、高隱身性的目的。

1）無(wú)人艇水下低速航行

當(dāng)無(wú)人艇水下低速航行時(shí)，主要通過(guò)電力推進(jìn)模式驅(qū)動(dòng)無(wú)人艇運(yùn)行。在動(dòng)力電池電量充足的情況下由無(wú)人艇動(dòng)力電池供電提供推進(jìn)動(dòng)力，以及供應(yīng)本艇交流負(fù)載用電，此時(shí)處于零排放運(yùn)行模式。水下低速航行時(shí)動(dòng)力電池供電能量流向示意如圖1所示。

圖1 水下低速航行時(shí)動(dòng)力電池供電能量流向示意圖

當(dāng)動(dòng)力電池處于電量不足的情況下，自動(dòng)浮出水面切換至柴油機(jī)動(dòng)力模式。

2）無(wú)人艇水面提速航行

當(dāng)無(wú)人艇水面提速至經(jīng)濟(jì)航行速度時(shí)，由兩臺(tái)柴油機(jī)組供電提供推進(jìn)動(dòng)力，兩臺(tái)電機(jī)可轉(zhuǎn)換為軸帶發(fā)電模式，為無(wú)人艇交流負(fù)荷用電。同時(shí)，通過(guò)動(dòng)力電池吸收富裕功率，維持動(dòng)力電池的存儲(chǔ)電量不低于設(shè)定的最低電量。此時(shí)，該工況與柴油動(dòng)力模式一致，水面提速航行時(shí)柴油機(jī)動(dòng)力模式系統(tǒng)能量流向示意如圖2所示。

圖2 水面提速航行時(shí)柴油機(jī)動(dòng)力模式系統(tǒng)能量流向圖

3）無(wú)人艇水面高速航行

當(dāng)無(wú)人艇推進(jìn)檔位進(jìn)入高速航行時(shí)，無(wú)人艇工作模式切換為兩臺(tái)主推進(jìn)柴油機(jī)和兩臺(tái)軸發(fā)電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)動(dòng)力電池處于電量不足的情況下，自動(dòng)降速至經(jīng)濟(jì)航行速度，水面高速航行時(shí)柴油機(jī)與動(dòng)力電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式系統(tǒng)能量流向示意如圖3所示。

圖3 水面高速航行時(shí)柴油機(jī)與動(dòng)力電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式系統(tǒng)能量流向示意圖

1.2 其他工況模式

1）低功耗待機(jī)工況

低功耗待機(jī)工況下，軸帶變頻模塊處于帶電就緒狀態(tài)，推進(jìn)輸出功率為0。此時(shí)無(wú)人艇主要負(fù)載為日用負(fù)荷以及部分航行負(fù)載。根據(jù)動(dòng)力電池容量剩余度，可分為2種供電模式：一種是電池電量充足的情況下，可以采用動(dòng)力電池提供全艇用電模式；另一種是若電池電量到限制容量（限制值可設(shè)定），則切換至單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組供電模式。

2）停泊工況

停泊工況下，無(wú)人艇?？吭诖a頭。此時(shí)可通過(guò)碼頭交流岸電箱為無(wú)人艇供電，通過(guò)無(wú)人艇交流電網(wǎng)為直流電網(wǎng)進(jìn)行供電，然后通過(guò)電池充放電控制模塊進(jìn)行電池充電管理，無(wú)需在碼頭配置電池專用充電樁，減少了碼頭的改造成本。

能量管理系統(tǒng)可以控制電池充放電控制模塊對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行健康充電管理，充分延長(zhǎng)動(dòng)力電池的使用壽命；同時(shí)監(jiān)測(cè)電池充電過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)，進(jìn)行充電保護(hù)管理，提升設(shè)備安全性。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

2.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略

本文混動(dòng)控制采用邏輯控制策略，針對(duì)電池剩余容量、航速需求，設(shè)置門限值，保證滿足本艇工況的情況下，將發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)限制在高效區(qū)間內(nèi)。以電機(jī)作為系統(tǒng)的“靈活因素”，在低負(fù)荷時(shí)代替發(fā)動(dòng)機(jī)工作，較高負(fù)荷時(shí)以發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行以提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在效率較高的區(qū)間內(nèi)。

本文中主柴油機(jī)和動(dòng)力電池有四種工作狀態(tài)可供選擇，不同的工作模式對(duì)應(yīng)不同的主柴油機(jī)狀態(tài)和動(dòng)力電池狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1所示。

表1 主柴油機(jī)與動(dòng)力電池工作狀態(tài)

根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)和混合動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，在何種條件下執(zhí)行何種模式，每種模式下柴油機(jī)和電機(jī)輸出功率各占多少、在轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速平面上處于哪個(gè)工作點(diǎn)，是控制策略所要解決的問(wèn)題，如圖4所示。

圖4 基于控制策略的混合動(dòng)力系統(tǒng)圖

針對(duì)無(wú)人艇航行規(guī)則設(shè)定：以SOC、航速為變量劃分區(qū)塊，決定電機(jī)、柴機(jī)的功率分配，根據(jù)需求航速?zèng)Q定模式的切換。

當(dāng)無(wú)人艇處于水下低速航行時(shí)，航速低于某限值且SOC高于30%，電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；

當(dāng)無(wú)人艇處于水面提速航行時(shí)，SOC低于30%，主柴油機(jī)單一驅(qū)動(dòng)，并提供額外的轉(zhuǎn)矩給電機(jī)，此時(shí)主柴油機(jī)負(fù)荷足，工作條件好，燃油經(jīng)濟(jì)性高，電機(jī)以發(fā)電方式工作，并采用恒流模式給電池組充電；SOC大于85%，主柴油機(jī)單一驅(qū)動(dòng)，主柴油機(jī)額定功率較大，采用恒壓限流給電池組充電至SOC達(dá)到100%后停止充電。

當(dāng)無(wú)人艇處于水面高速航行時(shí)，SOC大于30%，電機(jī)、柴油機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)；當(dāng)電量不足時(shí)，這一模式不能實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)航速處于低速與中低速時(shí)或電量均處于中等水平時(shí)，系統(tǒng)保持原有工作模式不變，避免頻繁切換引起的損耗。

圖5 主柴油機(jī)與動(dòng)力電池的工作狀態(tài)切換

工作狀態(tài)切換取決于無(wú)人艇負(fù)載條件和動(dòng)力電池電量?jī)?chǔ)備，可以根據(jù)一定的邏輯規(guī)則自動(dòng)選擇，如圖5所示。

2.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)控制方案

1）動(dòng)力電池單一驅(qū)動(dòng)功能

混合動(dòng)力控制柜應(yīng)在外部指令給定純電動(dòng)模式工況下，實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇純電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的功能如圖6所示。

圖6 動(dòng)力電池單一驅(qū)動(dòng)功能

當(dāng)遙控系統(tǒng)給定水下航行任務(wù)時(shí)，混合動(dòng)力控制柜控制模式切換為純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式，軸發(fā)變頻器運(yùn)行模式處于電機(jī)模式。

混動(dòng)控制器接收本地或遙控控制啟停指令，接收到啟動(dòng)指令后，首先啟動(dòng)齒輪箱滑油泵，滑油泵啟動(dòng)并確認(rèn)油壓建立后，可啟動(dòng)軸帶變頻器控制軸帶電機(jī)跟隨轉(zhuǎn)速給定指令進(jìn)行功率輸出。

純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式下，應(yīng)實(shí)時(shí)判斷電池電量以及電池輸出電壓，當(dāng)電池電量低情況下，應(yīng)限制輸出功率，當(dāng)電池電量過(guò)低時(shí)，應(yīng)停止軸帶變頻器并禁止啟動(dòng)。

2）主柴油機(jī)單一驅(qū)動(dòng)功能

當(dāng)無(wú)人艇處于水面提速航行狀態(tài)時(shí)，混合動(dòng)力控制柜應(yīng)在外部指令給定主機(jī)推進(jìn)模式工況下，實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇主機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的控制功能如圖7所示。

當(dāng)遙控系統(tǒng)給定主機(jī)模式時(shí)，混合動(dòng)力控制柜控制模式切換為主機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，當(dāng)工況切換完畢后，軸發(fā)變頻器運(yùn)行模式切換為軸帶發(fā)電模式。

圖7 主柴油機(jī)單一驅(qū)動(dòng)功能

混動(dòng)控制器接收到本地或遙控控制啟停指令后，啟動(dòng)推進(jìn)主機(jī)，隨后控制齒輪箱主機(jī)側(cè)離合器合排，合排后主機(jī)可根據(jù)遙控指令進(jìn)行轉(zhuǎn)速輸出。主機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下，主機(jī)富裕功率通過(guò)軸帶驅(qū)動(dòng)變頻器進(jìn)行軸帶發(fā)電，一方面提供逆變電源直流供電，另一方面為電池進(jìn)行儲(chǔ)能。

3）主柴油機(jī)與動(dòng)力電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)功能

當(dāng)無(wú)人艇處于水面高速航行狀態(tài)時(shí)，混合動(dòng)力控制柜處于主機(jī)驅(qū)動(dòng)模式及軸發(fā)變頻器運(yùn)行模式處于電機(jī)模式，如圖8所示，動(dòng)力電池采用冗余電源設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了無(wú)人艇在全速航行模式下的供電連續(xù)性，提升無(wú)人艇航行安全性。動(dòng)力電池一方面給逆變電源供電用于無(wú)人艇交流負(fù)載用電，另一方面可作為在網(wǎng)柴油發(fā)電機(jī)組的供電熱備電源，避免軸發(fā)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)故障切換機(jī)組時(shí)所帶來(lái)的短時(shí)失電，增強(qiáng)了系統(tǒng)的供電連續(xù)性，提高了航行的安全性。

圖8 主柴油機(jī)與動(dòng)力電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)功能

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述分析的正確性，在Matlab軟件中對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，如圖9所示。

圖9 混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

其中電池組選用277 Ah磷酸鐵鋰電池，截止電壓670 V，SOC為70%，額定電壓650 V，能量容量為175 kWh。柴油機(jī)1 350馬力，電機(jī)額定功率100 kW，輸入為三相交流電壓400 V，頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)速1 500 rpm。另有負(fù)載及逆變電源，電壓650 V，工作電流20 A。

1）PTO（發(fā)電機(jī)模式）工作模式仿真

直流電抗器電感量為200 mH，直流母線電壓650 V，充電電流30 A，負(fù)載電流20 A。

如圖10所示，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，充電電流29 A，紋波電流小于4 A，母線電壓紋波小于1 V。

圖10 電機(jī)PTO發(fā)電模式電流變化曲線

2）PTO模式到停機(jī)狀態(tài)

如圖11所示，電機(jī)由PTO模式轉(zhuǎn)為PTI（電動(dòng)機(jī)模式）模式需先停機(jī)，再進(jìn)行模式切換，電機(jī)停機(jī)后，電池由充電30 A，轉(zhuǎn)為20 A放電，為負(fù)載提供電能。電流在0.05 s內(nèi)有40 A波動(dòng)。

圖11 電機(jī)由PTO模式轉(zhuǎn)為停機(jī)狀態(tài)電流變化曲線

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)多航態(tài)無(wú)人艇混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真分析可知，水下低速巡航工況下，無(wú)人艇由電力推進(jìn)模式驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保、零排放、高隱身性的目的；水面提速航行工況下，使用柴油機(jī)動(dòng)力模式，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最少，系統(tǒng)可靠性最高，并且從低速加速至中高速過(guò)程中僅由柴油機(jī)直接加速，不存在復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)模式組合，避免了加速過(guò)程中的遲頓；水面高速航行工況下，系統(tǒng)輸出最大功率，機(jī)電深度混合，系統(tǒng)較為復(fù)雜，并且柴油發(fā)電機(jī)組、動(dòng)力電池系統(tǒng)相互冗余，供電冗余性高；系統(tǒng)的動(dòng)力源依次根據(jù)推進(jìn)功率變換而依次進(jìn)行組合，確保從每個(gè)模式切換至下一個(gè)模式時(shí)，系統(tǒng)的功率儲(chǔ)備裕量，以此提高系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性，提升系統(tǒng)效率。

[1] 曹曉光, 肖飛, 高巍. T—CRAFT:美軍新型變形雙體概念艦[J]. 環(huán)球軍事, 2010(19): 46-47.

[2] 孟慶國(guó), 田正東. 國(guó)外海軍新概念艦艇研究綜述[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2011(05): 139-145.

[3] 林龍信, 張比升. 水面無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展與作戰(zhàn)應(yīng)用[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018.

[4] 夏琦, 王奎, 韓志強(qiáng),等. 能量管理系統(tǒng)在混合動(dòng)力船舶的應(yīng)用和前景分析[J]. 中國(guó)科技論文, 2017, 12(022): 2637-2640.

[5] 張敏敏, 康偉. 一種混合動(dòng)力電動(dòng)船舶能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)水運(yùn)(下半月), 2011(12): 67-69.

[6] 肖能齊, 徐翔, 周瑞平. 船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理控制策略[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 41(1): 8.

[7] 徐振峰. 柴電混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)方案評(píng)估研究[D]. 武漢理工大學(xué), 2018.

Design of hybrid power system for multi-navigation unmanned craft

Kuang Shulong, Yang Yipeng, Qiu Changqing, Li Peng

（Key Laboratory of Marine Integrated Power Technology, Wuhan 430064, China）

U664.82

A

1003-4862（2021）05-0060-05

2021-11-05

匡曙龍（1994-），男，助理工程師。研究方向：無(wú)人動(dòng)力系統(tǒng)。E-mail：kuangshulong@163.com