王同春
中国船舶集团有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003
摘 要：传统的小型无人艇、UUV、USV等平台一般采用柴油机推进。但由于柴油机自身的振动及噪声，使其在声纳探测等应用领域的发展受到了严重制约。为解决小型无人艇、UUV、USV等平台的减振降噪问题，本文提出一种新型油电混合动力系统。该系统主要由高速柴油机、永磁发电机、整流器、蓄电池组及其控制器、推进电机等部分组成，不仅体积小、重量轻，与传统的柴油机推进系统相比，可根据不同的作业任务调整工作模式，从而大大降低了平台在声纳探测等应用场景下的噪声。本文首先介绍了该电力推进系统的组成及工作原理，并就整流技术、配电模式、蓄电池管理、电力推进、能源综合管控等方面进行研究，对提出的电力推进系统设计方案进行了详细阐述。
关键词：减振降噪；电力推进；永磁同步电机；矢量控制
1 引 言
传统的小型无人艇、UUV一般采用柴油机直接驱动螺旋桨，其优点是功率密度大、操控性好、适应性强、维修保障方便；但其缺点也不容忽视：由于柴油机振动及噪声幅值偏高，导致平台自身噪声极高，减振降噪十分困难，当声纳探测作业时矛盾尤其突出。为解决小型无人艇、UUV、USV等平台减振降噪的难题，采用全电力推进方案十分必要。本文题研究的“电力推进系统”要求体积小、重量轻、噪声低、适应性强，能在各种平台间通用。
本研究拟采用高速柴油机与永磁同步发电机成套，以大幅减小机组尺寸重量。就通气管状态下柴油机工作稳定性、安全性、适应性等方面进行研究；通过理论计算柴油发电机组的振动、扭转振动参数，选择适宜的弹性联轴节；在变转速及变工况条件下测试机组的振动、噪声及扭转振动参数；测定柴油发电机组的负载特性、电压调整率等重要参数，为电力变流装置设计输入提供技术支撑；将柴油发电机组安装到特定的独立舱段，采用强迫水冷，测定柴油发电机组的背压、散热、油耗、输出功率等工作边界。
就整流技术、配电模式、蓄电池管理、电力推进、能源综合管控等方面进行研究。根据机组的输出特性及推进器需求，合理定义整流器的工作参数；为减轻系统重量，拟采用直流配电模式，以省除较重的工频变压器；拟采用二次锂离子电池为系统储能；拟采用永磁同步电动机驱动螺旋桨，电机控制器采用矢量变频控制技术；对发电输出、整流、蓄电池充放电、推进电机启动、运行及制动等环节全程全模式下进行最优化能量管控。
开展推进电机及其控制器技术方案研究；完成相关技术设计、开发、试验等工作。推进电机与螺旋桨高度集成，尽可能减小尺寸、减轻重量。
根据机组、整流器、蓄电池控制器、电机控制器等被控设备的特性，选择可靠顶用的控制模式、选用适宜的控制硬件及软件算法，确保能量转换平顺，设备工作安全。
2 系统组成及工作原理
2.1系统组成
电力推进系统由以下分系统组成：
a) 柴油发电机组 1套；
b) 整流器 1套；
c) 蓄电池控制器 1套；
d) 蓄电池组 1套；
e) 电机控制器 2套；
f) 电力无轴推进器 2套；
g) 监控单元 1套。
2.2 电力推进系统工作原理
下面以UUV为例描述电力推进系统工作原理。UUV可用于探测作业，其重量一般不超过10t，由大型辅助船携带。执行任务前，由辅助船提供电力，将蓄电池充电至标准电压；到达工作区域边缘时，辅助船停航抛锚，将“UUV”吊放入水，然后通过遥控方式启动柴油发电机组，待柴油机转速稳定后，整流器工作，将发电机输出的交流电变换为全系统工作所需的多种直流电；蓄电池控制器为蓄电池充电，蓄电池处于浮充状态；变频调速器接收监控单元指令，能“四象限”工作，控制推进器“正转/反转”、“加速/减速”。
进入工作区域区后，UUV声纳开机，发现可疑目标后，UUV减速，关闭柴油机，由蓄电池给推进器供电，探测声纳在“静音”状态下进一步搜索，进而识别可疑目标。探测结束后，再次启动柴油机，UUV高速回航，接近辅助船时，柴油机关机，在蓄电池驱动下缓缓靠近捕捉架，捕捉架锁定后，推进器关机，进而UUV断电，将UUV捕捉回辅助船。
电力推进系统框图如图1所示。
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图1 电力推进系统框图
2.3 电气原理
柴油发电机组输出的三相460V/200Hz电力经整流器整流为平滑的DC700V供给直流母线。电机控制器是直流供电的可回馈式变频器，它既可以从直流母线取电，驱动推进器电机，也可以在推进器电机制动时将制动能量回馈给直流母线。蓄电池控制器在发电机组运行正常时给电池组充电，当柴油发电机组异常或停机时，提供后备电力驱动推进电机工作。监控单元从柴油发电机组和蓄电池组双路取电，监控单元接受上位控制器的指令，监控整流器、电机控制器以及蓄电池控制器的运行。
2.4 工作模式
电源系统依据实际工况有以下几种工作模式。
2.4.1 正常工作模式
正常工作模式下，柴油发电机发电，2台推进电机在电机控制器控制下运行，蓄电池处于浮充状态。能量流向如图2所示。
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图4 蓄电池供电时能量流向
2.4.4 蓄电池组维护模式
蓄电池组长期运行在充电状态容易导致电池组损坏，需要对蓄电池进行定期维护，定期维护一般是对蓄电池进行放电。放电可以在柴油发电机组运行或停机状态下进行。蓄电池组维护模式下系统的能量流向同图4所示。
3 方案及技术指标
UUV对设备尺度和重量有严格要求，因此，需尽一切可能减重。相比较而言，同功率的柴油机转速越高，重量越轻。3000rpm的柴油机较为适宜，输出功率1000kW的柴油机大致重量为3000kg左右。发电机采用三相交流永磁同步发电机，额定转速3000rpm，4对极，输出额定功率1000kW，输出电压460V/200Hz。为减轻发电机重量，采用永磁机，提高发电机频率，是2种极佳的技术手段。永磁机无需励磁，因此不需要励磁绕组，使发电机结构更简单，进而减轻了其重量。提高输出电源的频率，可以大大减少发电机定子所需铁磁材料的数量。为了提高发电机输出频率，一是采用了3000rpm的柴油机，一般船用辅机为1500rpm；二是增加了发电机的极对数，本电机为4对极，而一般船用电机为2对极。当然，发电机的设计和制造工艺更复杂。
3.1 柴油发电机组成套方案
柴油发电机组主要由柴油机、发电机、高弹联轴器及公用底座等组成，见图5。
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图5 柴油发电机组组成示意图
UUV共有三类航行状态，一是探测状态下的拖曳航行，二是非拖曳状态下UUV自由航渡，三是在某些特殊工况下（例如回收UUV时的水面航行、区域机动等）航行状态。探测航速为4kn～10kn，最高自航航速一般大于20kn, 经济航速不应低于15节，最低航速为2kn。因此UUV的航速范围为2kn～20 kn，对应的总功率要求为30 kW～1000 kW，对于柴油发电机组而言，应确保在上述功率范围内正常工作。
3.1.1柴油机主要技术性能
拟选用意大利菲亚特公司生产的柴油机，该公司柴油机重量轻、尺寸小、转速高、功率密度大。
柴油机主要技术性能见表1。
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3.1.2 发电机主要技术性能
现有船用成熟发电机组最小重量达到2400kg，最小长度达3100mm，不满足UUV重量轻、体积小的总体要求，需研制发电机，根据总功率要求，发电机效率应达95%以上，对永磁发电机主要技术性能要求见表2。
表2 发电机主要技术性能
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图6 三相PFC整流电路
3.2.2 整流器功能
a) 将三相交流永磁发电机输出进行可控整流变换，维持直流母排电压稳定；
b) 保证直流母排向动力蓄电池稳定充电；
c) 保证直流母排向两台永磁同步推进电机可靠供电；
d) 推进电机制动时，确保母排电压安全；
e) 采集主要工况参数，上传至中央控制单元，实现报警与保护；
f) 根据指令或工况对电源工作模式进行切换，对发电机功率进行分配；
g) 根据工况对电源冷却系统进行控制。
3.2.3 整流器技术指标
整流器主要技术指标见表3。
表3 整流器主要技术指标
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3.3 蓄电池及控制器方案
3.3.1 蓄电池控制器原理
蓄电池控制器的主电路原理图如图7所示。蓄电池控制器的核心的BMS（电池管理系统），在BMS的控制下，实现蓄电池组的充电、放电及日常维护。
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图7 蓄电池控制器主电路
3.3.2 蓄电池配置
选用CAM72磷酸铁锂电池，电池配置及单体电池参数见表4和表5。
表4 电池系统参数
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3.3.3电池成组设计
200KWh储能系统电池由2个电池簇组成，每簇容量100KWh；每个电池簇由18个电池组组成，每个电池组包含2并12串24支72Ah电池，每簇安装在1个电池柜体。
系统设计功率二极管，分为充电和放电回路，其作用是防止簇与簇间在上电或下电时产生环流。
3.3.4 电池管理系统
电池管理系统负责电池系统的电压、电流等信息采集，接触器等器件开合控制，负责与上位机系统的通信，将电池信息传递到上位机，实时了解电池系统信息。
（1）电池组管理单元
该单元集电池运行信息监测采集、均衡管理、故障诊断等功能于一体。设计紧凑合理，高度集成，各单元间采用隔离技术绝缘性能好，可靠性、安全性高。每一个模块可对16串电池进行监测和维护，可连接多路温度传感器，与上一级电池簇管理单元采用CAN连接。
（2）电池簇管理单元
该模块主要是对整簇电池的运行信息收集，采集整簇电池的总电压和电流，对电池簇出现的异常进行报警和保护；能根据安全处理规则的要求对电池簇进行保护，确保电池系统的安全、稳定运行，当电池严重过压、欠压、过流（短路）、漏电（绝缘）等异常故障情况出现时，储能系统管理单元发出命令至该单元，控制整组电池的开断，避免电池被过充、过放和过流。
（3）电池系统管理单元
该模块对电池簇管理单元上传的电池实时数据进行数值计算、性能分析、报警处理及记录存储，此外，可实现与充放电设备、监控系统等进行通信，将电池信息上传或接收系统指令。
3.3.5 蓄电池保护方案
（1）BMS保护
a)具备系统上电自检功能；
b)具备单体电池电压、电池组电压、温度、电流等多重保护功能；
c)具备管理整个充放电过程功能，对充电、放电全过程进行保护；
d)具备绝缘电阻检测及预警功能；
e)具备电池簇及各单体电池SOC测量功能，对系统进行SOC保护；
f)具备对单体电池的主动无损均衡功能，提高电池系统一致性。
（2）电气保护
a)具备断路器，可进行过流或断电保护；
b)具备高压接触器，并通过BMS进行控制，对系统进行全面的开关保护；
c)设置有直流熔断器，可进行短路保护。
3.4 推进电机及电机控制器方案
3.4.1 电动机技术路线
交流电动机与直流电动机相比：交流电机相对于直流电机结构简单、体积小、重量轻，且交流变频同步电机没有换向火花对过载能力的限制，电机可以具有更大的动态加速电流；同步电动机与异步电动机相比：异步电动机的激磁功率必须通过定子侧获得，因此，定子电流始终是滞后的，其功率因数一般在O．8左右，其功率因数比较低，由于异步电机功率因数低于同步电机，视在功率高于同步电机，故异步电机调速的变换器容量比同步电机大；若为了提高其功率因数，异步电机须尽可能将电机气隙减少，但减少气隙要求电机制造工艺具有更高的加工精度，而细长结构的挠度也限制了气隙的减少，使大功率变频调速异步电机的设计和制作更加困难，所以异步电机常常设计成较大的定子和转子铁芯直径，电机结构短粗，异步电机的转动惯量和尺寸要比同步电机大，动态响应也差。因此针对潜航器要求，交流调速永磁同步电动机比较适合作为推进电机，其具有如下优势：
a) 永磁同步电动机无励磁损耗，具有明显的节能效果。由于定、转子同步，转子铁心没有铁耗。因此，永磁同步电动机的效率比电励磁同步电动机和异步电动机都更高，而且不需要从电网吸取滞后的励磁电流，从而节约了无功，提高了电机的功率因数。
b) 稀土永磁同步电动机与异步电动机相比尺寸大为减小，为高密度、高效率的电动机；
c) 永磁同步电动机具有较硬的机械特性，对于因负载变化而引起的电机转矩变化具有较强的抑制作用；
d) 永磁同步电动机的转速与电源频率间始终保持准确的同步关系。控制电源频率就能控制电机的转速。
3.4.2 电机控制器工作原理
推进系统采用永磁同步电机，永磁同步电动机主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。定子和一般的三相感应电机类似，采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度，转子上贴有磁性体。定子绕组接通对称三相电源后在定转子气隙中建立起旋转磁场，与磁极产生的磁场相互作用产生力矩，使转子与旋转磁场同步旋转，在此过程中编码器实时向控制器反馈转子的位置和速度用于电机控制。其控制的基本原理如图8。
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图8 永磁同步电机控制基本原理图
图8中U-V-W坐标系是以永磁同步电机彼此互差120°的定子三相绕组作为坐标轴建立的静坐标系。α-β坐标系为平面内两坐标轴相互垂直的静坐标系，它的α轴与A轴重合，β轴超前α轴90°。d-q坐标系为与转子同步旋转的动坐标系，其d轴位于转子励磁磁链方向，q轴超前d轴90°。从静止坐标系U -V –W和α-β上看，合成定子电流矢量在空间以电源角频率旋转从而形成旋转磁场，是时变的，从动坐标系d-q上看，则合成定子电流矢量是静止的，即从时变量变成了时不变量，从交流量变成了直流量。这样就可以在d-q坐标系内对交流伺服系统进行类似直流伺服系统的控制,最后将控制参数反变换到U-V-W坐标系即实现了交流伺服系统的控制。
矢量控制理论使交流电机的控制获得了质的飞跃。矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦，将交流电机的控制过程等效为直流电机的控制过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著改善和提高，从而使交流调速取代直流调速成为可能，采用矢量控制的电机控制器原理框图如图9所示。
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图10 电机控制器主电路原理图
3.4.3 推进电机技术指标
推进电机主要技术指标见表6。
表6 推进电机主要参数
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图12 中控单元原理框图
4 结束语
本文为解决传统柴油机推进小型无人艇、UUV、USV等平台由柴油机的振动、噪声带来的减振降噪问题，提出了一种新型油电混合动力推进系统。该系统可根据作业任务调整工作模式。航行模式采用柴油机推进，保证较高航速下的功率需求，并同时为蓄电池充电。声纳探测模式采用电力推进，由蓄电池为推进电机供电，减小平台的振动及噪声，提高声纳探测效率。本文详细阐述了该电力推进系统的设计方案，根据小型无人平台空间、载重有限的特点，以及声纳探测工况下对振动噪声的严格要求，以体积小、重量轻、振动小、噪声低以及安全可靠为目标，分别对高速柴油机、永磁发电机、整流器、蓄电池组、推进电机以及监控单元进行了详细设计，对小型无人平台电力推进系统具有重要的工程参考价值。
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