混动船舶动力分析
这篇文章最初是由我们的电力应用产品经理 Bernhard Grasel 先生发表在《电动和混合动力船舶技术国际杂志》上。
你可以通过这个链接在线阅读原文: 混合船分析。
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提高船只效率和转向使用可持续能源的动力传动系统非常重要，一些分析家认为混合动力推进系统可以节省高达20% 的燃料。但是，这些基于实验室的预测与现实使用情况相关吗？
电力推进已经成为全球帆船快速增长的趋势。对于这些应用来说，电驱动器有几个好处，包括改进的可控性，更少的维护，以及大大减少噪音和振动。然而，真正的优势在于运作效率非常高。在任何情工况下，电动马达都可以产生螺旋桨所需的精确功率。与传统的推进系统相比，柴油发动机必须一直工作，因此往往会有明显的损耗。
纯电动船可输出2千瓦至10千瓦。动力系统可由一个或两个发动机组成，通常这些船也是太阳能驱动，这增加了他们的航程，使得他们可能在没有电力的情况下低速继续行驶。
Dewesoft R8D 功率分析仪是这种新一代电动和混合动力船的效率理想分析工具。这种先进的功率分析器技术，可多点测量交流和直流电源。下图2，是具体的测量配置。
这个案例，是在驱动过程中，测量动力链上多个节点的交流和直流电力(马达，电池组，太阳能电力和辅助负载)，充电过程也被监测。这可让工程师能清晰确定和对比 不同船只电力系统中充电和放电的损失，非常重要。图1(左)是一个图表，描述了一个典型的电动船从总能量到螺旋桨的效率变化。
在这个例子中，电动船有很好的效率水平，54% 的能量可用于螺旋桨。相比之下，柴油驱动的船只在某些操作点的效率水平只有10% 。值得注意的是，新一代柴油发动机在理想工况下的效率可以达到40% 左右(不包括螺旋桨效率)。
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描述 |
效率 |
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充电/放电 |
30-90% |
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电池 |
60-96% |
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电动机 |
70-99% |
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螺旋桨 |
40-70% |
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柴油发动机 |
10-45% |
表1: 推进子系统组件效率
混合动力船测试
考虑三种不同的混合动力配置：串行，并行，柴油机与电力混合。串行混合动力船有一个电动马达，是专门用去驱动传动轴和直流发电机的。这种推进系统的优点是可以把发电机安装在生活仓外面，并且有一个强大和高效率的辅助载荷单元。
串行混合应用功率可达2~10千瓦，可由1个或2个电机驱动。
并行混合动力系统在同一轴上配置电动机和柴油发动机。
该系统的优点是技术紧凑。在这里，电动马达在柴油机运转时充当发电机。
并行混合动力船功率可达4~450 千瓦。
对于柴油-电力推进系统，船上一轴装备大型柴油机，另一轴上装备电机。电机和柴油发动机独立运行。
柴油发动机燃烧分析和动力系统电力分析可以在发动机正常工作时采集数据和分析。
Dewesoft R8D 用于这个分析系统，可同时实现燃烧分析和功率分析两个功能，电力分析可针对多个节点进行交流或直流分析。
测试大型蒸汽船和巡航船可能是所有船舶效率测试中最具有挑战性的，特别是考虑到有几个柴油发动机、发电机和马达——所有这些都需要大量的测量数据。然而，这种分析也可以用 Dewesoft R8D 功率分析仪完成，它可以同时测量超过64个通道(电压、电流和机械参数)。
电气设备通常以不同的频率和电压运行，这要适当的硬件和软件进行采集，R8D可以完全同步测量所有的信号获得较好数据结果。
表1显示了动力子系统中不同部件的典型效率。可以注意到，与电动发动机相比，柴油发动机的效率非常低，在某些情况下，效率有时会降至20％以下
但是，如果将电力推进与传统推进比较，则还需要考虑电池的充电/放电过程。 如果使用非常便宜的电池和充电设备，则充电/放电过程的总体效率可能约为30％，这相当于能源的巨大浪费。 如果同时考虑电池和电动机的效率，则整个系统的效率最终可能会低于柴油发动机所达到的效率。
不过，必须注意的是，现代柴油船具有废热回收系统，该系统可利用船上的废气产生电能，并提高总体运行效率。 而且，效率分析还表明，直流发电机实际上比交流发电机更高效。
当今混合动力技术在船舶应用中的最大优势是减少了发动机运行时间，从而降低了维护成本。 例如，对于以中速行驶的小型帆船，柴油发电机的运转率不到40％。 在较低速度下，柴油发电机仅需运行20％的时间，否则，如果船上装有太阳能，则通常根本不需要操作柴油发电机。因此，混合动力船的功耗平衡点通常低于1000小时。
1、船舶动力系统
