Optimization design and sensitivity analysis of diesel/battery hybrid propulsion system for polar icebreaker

Table 1. Operating profile of the icebreaker in single sailing cycle
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Table 1. Operating profile of the icebreaker in single sailing cycle
时间段航速v/kn 冰级时间段航速v/kn 冰级
第0~30天 12 0 第36~39天 3 4
第30~32天 5 1 第39~42天 3 5
第32~33天 3 2 第42~44天 5 1
第33~36天 3 3 第44~74天 12 0

Table 2. ship size and model parameters

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Table 2. ship size and model parameters

参数名称	数值	参数名称	数值
船宽B/m	22.3	推力系数因子1${K_{{T1} } }$	−0.224 6
电池寿命${ {{B} }_{\rm{life} } }$/年	5	推力系数因子2${K_{{T2} } }$	−0.411 2
柴油机单位成本${c_{\rm{engine}}}$/(元·kW−1)	250	推力系数因子3${K_{{T3} } }$	0.511 5
电机单位成本${c_{\rm{motor}}}$/(元·kW−1)	32	船长L/m	122.5
发电机单位成本${c_{\rm{g}}}$/(元·kW−1)	350	水线面船长${L_{\rm{wl}}}$/m	116
冰浮阻力系数${C_{\rm{b}}}$	0.5	破冰船总质量M/kg	1.4×106
除冰阻力系数${C_{\rm{c}}}$	1.11	螺旋桨数量${N_{\rm{P}}}$	2
破冰阻力系数${C_{\rm{r}}}$	2.73	弗劳德数幂指数p'	1.157
吃水深度d/m	7.85	强度因子幂指数q	1.54
排水量DT/t	13 990	电池初始荷电量SOC0/%	95
重力加速度g/(m·s−2)	9.8	基准柴油机排量${V_{\rm{d0}}}$/L	11.427
锂电池年通货膨胀率${g_{\rm{bat}}}$	0.03	基准电机转子体积${V_{\rm{r0}}}$/L	34.4
运营成本的通货膨胀率${g_{\rm{ope}}}$	0.03	破冰船运营总年限Y/年	25
年利息率${I_{\rm{a}}}$	0.05	发电机效率${\eta _{\rm{gen}}}$	0.97
扭矩系数因子1${K_{{Q}1}}$	−0.046 6	冰密度${\rho _{i}}$/(kg·m−3)	880
扭矩系数因子2${K_{{Q}2} }$	0.005 9	海水密度${\rho _{\rm{w}}}$/(kg·m−3)	1.025×103
扭矩系数因子3${K_{{Q}3} }$	0.045

Table 3. variation range of design variables

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Table 3. variation range of design variables

设计变量	变化范围
减速比i	1～50
主机排量${{V}_{\rm{d}}}$/L	1Vd0～6 Vd0
电机转子体积${{V}_{\rm{r}}}$/L	1 Vr0～5 Vr0
螺旋桨直径D/m	3～5
电池包数量$Nu{m_{\rm{b}}}$/个	0～12 000
最大荷电状态SOCmax /%	65～95
最小荷电状态SOCmin /%	5～40

Table 4. Comparison of simulation results of design schemes
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Table 4. Comparison of simulation results of design schemes
方案序号年油耗量/t 生命周期总成本/元纯电航行总里程/h
R 3 098.83 6.050 6×10⁷ 587.42
Q 3 172.14 4.003 6×10⁷ 0
B 3 111.89 4.695 7×10⁷ 554.53
P 3 171.8 4.003 3×10⁷ 0

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Wenlong DU, Fengxiang GUO, Li CHEN. Optimization design and sensitivity analysis of diesel/battery hybrid propulsion system for polar icebreaker[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(5): 127

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