霍克蓄电池远洋船舶辅助动力系统的电池改装以实现燃料与成本节约

削减温室气体(GHG)排放的紧迫性，以及国际海事安排(IMO)和欧盟(EU)不断扩展的监管结构，使得商场对具有本钱效益且易于施行的船只动力功率解决计划发生了前所未有的需求。本研讨针对远洋船只辅佐动力体系的改装计划展开查询，要点讨论将其间一台柴油发电机替换为锂离子电池组的可行性。选用等效电路模型对电池行为进行建模，并开发根据规矩的动力办理体系（EMS）以完成体系组件间的功率分配。为探求所提出混合动力计划的功能，针对多种电池标准展开了四次航行模仿。成果表明电池容量与燃料费（Gas）耗费及发动机运转时刻呈正相关，船只辅佐体系的平均节能量别离到达5.43%和29.44%。可行性研讨评价了该船剩下寿数周期内的本钱与节约效益，确认最优电池标准时指出较小电池组更具经济可行性。研讨成果突显了改装计划在短期内满意日益严厉的脱碳要求方面的潜力。
削减温室气体排放的火急需求已不可避免地影响到海运业——这一承当全球交易最大比例的职业（马士基·麦克-金尼·穆勒零碳航运中心，2022）。全球船只每年耗费约3亿吨化石燃料（联合国贸发会议，2022），其导致的温室气体排放（包括二氧化碳[CO2]和甲烷[CH4]）在2012至2018年间增长了9.6%，占全球人为排放总量的2.89%（国际海事安排，2020）。最重要的是，官方猜测显现到2050年，航运活动发生的排放量或许到达2008年水平的130%。
作为回应，国际海事安排（IMO）制定了减排战略，其间论述了若干方针并定时修订。到2030年将单位运送作业的二氧化碳排放量较2008年水平下降40%，以及到2050年完成温室气体净零排放的成果尤为杰出（International Maritime Organization, 2023）。过去十年间选用的技能与运营办法清单令人瞩目：动力功率规划指数（EEDI）与现有船只能效指数（EEXI）、船只能效办理计划（SEEMP）、数据收集体系（DCS）、碳强度方针（CII），以及正在制定的净零结构（NZF），均旨在引导航运业转向更可持续的展开途径。
欧盟在航运业脱碳方面也采取了重要的监管行动。2021年，欧盟经过了"减碳55%"一揽子计划，旨在到2030年将温室气体排放量较1990年水平削减55%。该计划包括将海运业归入欧盟排放交易体系（ETS）以及推出《海运燃料法规》。后者旨在促进停靠欧盟港口的船只增加运用可再生及低碳燃料（European Commission, 2023）。
这一快速变化的环境给职业利益相关方，尤其是船东带来了前所未有的挑战。他们有必要敏捷提高现有船队的运营功率，并为充满不确认性的未来格局做好预备(Shih, 2021; Saxon等, 2022)。航运界正广泛讨论代替燃料、优化船体线型、风力辅佐混合推动体系、燃料电池使用、空气光滑技能以及船载碳捕集等计划——这些办法被证实能明显提高新造船只的环保功能(DNV AS, 2023)。另一方面，现有船队可用的解决计划在数量和效果上都较为有限。先进的防污涂料、节能设备的设备以及船上操作实践的优化（例如更好地利用主辅机和锅炉）可在必定程度上下降燃料耗费。但是，对于许多船只而言，此类办法尚不足以满意逐年严厉的法规要求。
在燃料耗费精打细算的布景下，船只——特别是已在运营中的船只——需求易于施行且具本钱效益的解决计划，这些计划既能完成明显节能，又能与上述办法协同发挥作用。本文提出的船只动力设备改造计划符合这些标准，并能充分发挥混合动力体系的优势。
混合动力装备经过整合多种动力的优势，促进了不同动力之间的协同协作（Damian等，2022）。经过引入储能体系（ESS），可选用读档均衡技能优化内燃机的运转工况。此外，该装备能有用利用风能、太阳能等可再生资源——这些资源固有的间歇性特征原本是其使用短板。上述特性有助于下降化石燃料耗费，然后削减有害排放（Geertsma等2017年，Kanellos等人、Ramli等人（2015）的研讨表明，经过将瞬态负荷（这些工况下硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）和颗粒物排放明显升高）的供电任务分配给储能体系（ESS），可进一步下降此类排放（Rakopoulos和Giakoumis，2006）。此外，发动机运转时刻的削减还能有用下降噪声，然后减轻航运运送对环境和社会的负面影响。最终，混合动力技能可与岸电体系（AMP）有用结合，经过港口终端为船只供应电力需求和/或电池充电。该解决计划能进一步下降排放与噪声污染，这亦是DNV（2023）猜测未来数年欧洲首要港口将强制要求多数船只配备该体系的根本原因。
为探求船只混合动力体系的优势，学界已展开广泛研讨。针对不同体系架构与多样化的配对类型，研讨者们进行了深入分析。除更常见的电池与光伏（PV）模块解决计划外，多种动力方式已被整合使用，包括燃料电池（Bassam et al., 2017, Hemdana et al., 2019, Vieira et al., 2022, Xie et al., 2024）、超级电容（Chen et al., 2016, Bennabi et al., 2021, Zhao, 2022, Li et al., 2024, Barone et al., 2024）、风能（Wang et al., 2024b, Wang et al., 2025, Zhang et al., 2025, Liu et al., 2025, Liang et al., 2026）以及飞轮储能（Hou et al., 2018, Lan et al., 2016）。
很多研讨会集在混合动力推动体系上，研讨对象包括渡轮（Wu and Bucknall，2020；Wu et al.，2021）、拖船（Zhu et al.，2018；Roslan et al.，2023；Yang et al.，2025）、海洋工程船（Barcellos，2013；Herdzik，2013；Valera and Atutxa-Lekue，2018）、科考船（Jang and Kim，2026）以及军舰（Castles et al.，2009；Sulligoi et al.，2012），这些研讨均环绕推动体系主题展开。除上述船只外，混合动力推动设备也在小型船只中得到研讨，例如渔船（Xiang and Yang，2021；Kim，2025）、挖泥船（Zhan et al.，2015）和休闲船（Beatrice et al.，2022）。
其他研讨已将重视范围从单纯推动体系扩展到辅佐读档供应领域。该办法已使用于散货船（Dedes等，2012；Dedes等，2016）、滚装船（Arabnejad等，2024）、海军舰艇（Mitropoulou等，2020）、海上作业船（Zahedi等，2014）、游轮（Wang等，2021；Ghimire等，2022；Wu等，2024；Wang等，2024a；Ding等，2025）、科考船（Capasso等，2016）、渡轮（Letafat等，2020；Dall'Armi等，2021；Roy等，2023；Maloberti和Zaccone，2026；Manias等，2026）、拖船（Kalikatzarakis等，2018）以及游艇（Bosich和Sulligoi，2013）和休闲船只（Han等，2014；Chen等，2020；Saadeldin等，2026）。
最终但相同重要的是，少量研讨聚焦于混合动力电源体系，专门针对辅佐电力需求展开。Ovrum与Bergh（2015年）探求了在小型散货船电力体系中加装电池对燃油耗费及运营支出的影响。研讨经过模仿船只装卸作业时的充放电过程，确认了最优电池组容量，并开宣布两种操控战略。作者指出，该混合动力计划每年可节约相当于电池本钱三分之一的费用。Lan等人...（2015年）的研讨还引入了太阳能电池板，并提出了一种优化电池板与蓄电池容量的新办法。该研讨选用多方针粒子群优化算法（MOPSO）与非支配排序遗传算法（NSGA-II）相结合的混合算法，以油轮为事例进行验证，完成了最高达28.5%的燃料本钱下降。Dolatabadi与Mohammadi-Ivatloo（2018）则经过根据危险的随机办法，确认了由相同组件构成的油轮混合动力体系的最优容量装备。本研讨将任务构建为混合整数线性规划（MILP）问题，其间太阳辐射模仿选用蒙特卡洛办法完成。
Tang等人(2018)将混合动力体系的最优能量调度问题建模为大规模大局优化(LSGO)问题，并选用粒子群优化算法进行求解。经过与其它前沿算法的功能对比表明，该计划具有更低的运转本钱。该海洋动力体系除光伏阵列、蓄电池和柴油发电机外，还选用了AMP设备。Yuan等人(2018)则针对纯汽车卡车运送船(PCTC)的动力体系提出了实践改造计划。电池组和光伏面板被设备在船上，试验成果显现每年可节约高达4%的燃料费。Si等人（2022）提出了一种用于散货船电力体系优化装备的多性向办法。作者还整合了风力涡轮机和燃料电池，并将延伸硬件寿数归入优化方针。此外，研讨提出了一种根据量子核算的双方针能量办理体系，该办法被证明优于其他办法，可下降本钱和排放。最终，Kistner等人（2022）以邮轮为事例，研讨了一个由液化天然气（LNG）驱动的固体氧化物燃料电池（SOFC）和电池组成的涣散式混合体系。经过施行规划优化并选用根据规矩的能量办理体系，报告显现每年输电体系本钱下降起伏达76%。
如上所述，现有研讨绝大多数聚焦于触及船只推动的混合动力体系以及新建船只场景，这类场景下船载体系可从规划阶段进行优化。因此，这些研讨在改装场景和辅佐电力体系中的直接适用性较为有限。此外，技能经济层面的讨论往往不够深入，且针对近期出台及即将施行的脱碳法规所带来的效益鲜少触及。从办法论角度看，实践运转数据或根据航线的模仿使用较为有限，而诸多提出的能量办理体系都具有明显的核算复杂性特征。最终，在专门研讨辅佐负荷的大多数文献中，学者们考虑的是包括多重动力（常触及光伏体系）的混合动力构型。这不只增加了体系复杂度，还或许因空间与操作约束（例如货物装卸作业期间的损害危险）使得该解决计划对多种配对而言不可行。
针对上述局限性，本研讨讨论了将一艘超大型远洋船只在其寿数中期阶段将常规动力体系改装为混合动力装备的计划，要点重视辅佐负载供电问题。此项工作的动机源于船东对实用且经济可行解决计划的需求，这些计划既能下降燃料耗费与排放，又能助力船只满意极具挑战性的脱碳要求。研讨提出了一种可快速使用于现有船队的简洁且本钱效益明显的解决计划。
将锂离子（Li-ion）电池组集成至动力体系中以代替其间一台柴油发电机，旨在提高辅佐发电功率，并规划了核算本钱低廉的根据规矩的能量办理体系（EMS）来操控混合动力装备。经过包括船只全运转状况的航程模仿，体系性地讨论和评价了电池容量对燃油耗费、二氧化碳排放及发电机运转时长的影响。最终，经过详细的技能经济分析确认了最具财务可行性的电池标准，并量化了在新法规结构下潜在的节约本钱。
本文其余部分的结构安排如下：第2节论述配对原始电力体系组件、所选电池模块以及用于模仿其运转的模型；第3节阐明所规划能量办理体系的原理；第4节详细分析测试的电池标准、混合动力体系主张计划的模仿流程与成果，并包括可行性研讨；第5节给出总结性论述。