CN103072681B - 船舶多能源混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种船舶多能源混合动力系统，其包含：电路连接动力负载的主动力系统和辅助动力系统；电路连接主动力系统和辅助动力系统的多能源动力监控系统，其对主动力系统和辅助动力系统的工作进行监视和控制；当船舶航行中，主动力系统的输出功率大于船舶动力负载所需要的功率，则主动力系统将剩余功率存储于辅助动力系统；当主动力系统的输出功率小于船舶动力负载所需要的功率，则主动力系统与辅助动力系统一同向动力负载提供推进功率。动力电池的充放电对柴电机组功率起到削峰填谷的作用；电网所需的峰值功率由柴电机组、太阳能电池、风力发电机及动力电池共同提供，减小了柴油机的容量和体积。

Description

船舶多能源混合动力系统

技术领域

本发明涉及一种动力系统，具体涉及一种船舶多能源混合动力系统。

背景技术

环境污染和能源紧缺已经成为制约世界经济发展的主要问题，针对这两大问题混合动力系统应运而生。水路运输具有运载能力大、成本低、生产率高、能耗少、投资省的优点，是在干线运输中起主力作用的运输形式，但是大量使用传统的柴油机驱动船舶会对自然环境造成很大影响，因此，发展混合动力船舶具有非常重大的意义。

中国专利200710036259.1公开了一种基于超级电容混合动力的船舶电力推进系统，其主要动力来源是超级电容以及电池堆；中国专利200820155772.2公开了一种用于船舶电力推进系统的供电系统，其供电系统包括与推进控制系统相连的超级电容组以及电池堆，上述专利取消了常规的柴电机组，利用蓄电池和超级电容作为船舶的主动力来源，这样可以实现废气的零排放，但是需经常靠岸充电，续航能力差，一旦超级电容和蓄电池的储能用尽，后果将是非常严重的。中国专利2010103000192.X公开了一种包括柴油机-发电机组、配电系统、推进电机及推进器的电力推进系统，该专利中的推进器使用可调螺距螺旋桨，这样虽然省去了变频器，但是可调螺距螺旋桨的效率并不是很高，这样会使船舶的机动性和可操作性变差。中国专利201110053681.4公开了一种以动力电池作为电力推进系统主电源、以柴电机组作为辅助电源的混合动力船舶电力推进系统；中国专利201120270563.4公开了一种动力电池作为主电源，太阳能光伏电池和由燃油发动机带动发电机作为辅助电源的多能源混合动力的船舶电力推进系统。上述两个专利中均采用动力电池作为主动力源，当电池电量即将耗尽时启用柴电机组，提供动力并且为电池充电。由于受电能存储容量限制，动力电池的续航能力十分有限，因此需要柴电机组频繁启动，这样就使该系统节能减排的效果大打折扣。

发明内容

本发明提供一种船舶多能源混合动力系统，适合航行于江河与湖泊水域的中小型客渡船，具有高续航能力、同时节能减排。

为实现上述目的，本发明提供一种船舶多能源混合动力系统，该混合动力系统输出端电路连接船舶的动力负载；其特点是，该混合动力系统包含：

分别电路连接动力负载输入端的主动力系统和辅助动力系统；

分别电路连接主动力系统和辅助动力系统的多能源动力监控系统，该多能源动力监控系统用于对主动力系统和辅助动力系统的工作进行监视和控制；

当船舶航行中，主动力系统的输出功率大于船舶动力负载所需要的功率，则主动力系统将剩余功率存储于辅助动力系统；当主动力系统的输出功率小于船舶动力负载所需要的功率，则主动力系统与辅助动力系统一同向动力负载提供推进功率。

上述的多能源动力监控系统包含混合动力控制器以及电路连接该混合动力控制器的控制面板；

上述混合动力控制器用于分别电路连接并实时监控主动力系统的各个变流器和辅助动力系统中的各个变流器。

上述的主动力系统包含：

第一交流/直流变流器，其直流端电路连接所述的动力负载，上述混合动力控制器实时监控第一交流/直流变流器的工作状态；

电路连接第一交流/直流变流器交流端的400V交流母排；以及，

电路连接在该400V交流母排上的柴电机组。

上述的辅助动力系统包含：

风力发电机，用于将风能转换为交流电能输出；

第二交流/直流变流器，其电路连接风力发电机输出端；

太阳能电池，用于将太阳能转换为直流电能输出；

第一直流/直流变流器，其电路连接太阳能电池的输出端；

双向变流器，其一端分别电路连接第二交流/直流变流器与第一直流/直流变流器的直流端，另一端电路连接动力负载；以及，

动力电池，其电路连接双向变流器；

上述混合动力控制器实时监控第二交流/直流变流器、第一直流/直流变流器和双向变流器的工作状态；

在船舶航行时，当主动力系统的功率大于动力负载的功率，则主动力系统将剩余功率对动力电池进行充电；当动力负载的功率大于主动力系统的功率，则动力电池放电，与主动力系统一同为动力负载提供推进功率；

在船舶停靠或低速航行时，太阳能电池可通过第一直流/直流变流器对动力电池充电；风力发电机可通过第二交流/直流变流器对动力电池充电。

上述动力负载包含若干组推进系统，每组推进系统包含电路连接主动力系统和辅助动力系统的第一直流/交流变流器，电路连接该第一直流/交流变流器交流端的推进电机，通过转轴连接推进电机的变速箱，以及通过转轴连接变速箱的螺旋桨；

上述混合动力控制器实时监控第一直流/交流变流器的工作状态。

上述混合动力系统还包含有530V直流母排，其分别与上述第一交流/直流变流器和双向变流器的直流端电路连接；上述的动力负载电路连接在该530V直流母排上。

上述混合动力系统还包含有电路连接在530V直流母排上的第二直流/交流变流器；

上述第二直流/交流变流器的交流端电路连接有220V交流母排，该220V交流母排上电路连接船舶上的导航通信设备及其他负载。

上述太阳能电池处设有用于控制太阳能电池板面转动的活动机构，以及控制该活动机构运动的太阳能跟踪系统；该太阳能跟踪系统包含：

光敏电阻，其设置于太阳能电池面板上的，探测光强信号并输出；

微处理器，其接收光敏电阻输出的光强信号，并输出控制信号，使控制太阳能电池正对太阳光最强的方向；

伺服电机，其机械连接太阳能电池的活动机构，接收微处理器输出的控制信号并对活动机构进行活动控制。

上述风力发电机尾部设有尾翼板，该尾翼板与风力发电机风轮旋转面垂直、与风向平行，当风向变化时尾翼板跟随风向转动保证与风向平行。

该混合动力系统还包含有岸电箱，其通过电缆电路连接400V交流母排，用于船舶靠岸时连接岸电对动力电池进行充电。

本发明船舶多能源混合动力系统和现有技术相比，其优点在于，本发明风力发电机和太阳能电池输出的电能可直接存储于动力电池；船舶在低速航行或靠泊等待乘客时，推进功率较小或为零，柴电机组功率大于电网负载功率，动力电池处于充电状态，存储柴电机组的多余电能；船舶在高速航行时，推进功率较大，柴电机组功率小于电网负载功率，动力电池处于放电状态，释放存储的电能，与柴电机组共同为推进电机提供推进功率，因此，动力电池的充放电对柴电机组功率起到削峰填谷的作用；柴电机组的额定功率只需要满足船舶电网需求的平均功率即可，电网所需的峰值功率由柴电机组、太阳能电池、风力发电机及动力电池共同提供，减小了柴油机的容量和体积；

本发明采用柴电机组作为主电源，太阳能电池、风力发电机及动力电池作为辅助电源。本发明令柴油机始终工作在最佳工作区带动发电机发电，提高柴油机的效率并且减少废弃物的排放；

本发明中由于整个电力系统由多种电源供电，如果某种电源出现故障，船舶仍可以依靠其他电源维持航行，提高了船舶的可靠性；

本发明在风力发电机的尾部设置调向机构使风力发电机始终对准风向，实现最大限度的获取风能；

本发明在太阳能电池板上设置太阳能跟踪系统，实现最大限度的吸收太阳能，这样使得船舶最大限度的使用清洁能源，减少化石燃料的消耗。

附图说明

图1为本发明船舶多能源混合动力系统的系统原理框图；

图2为本发明船舶多能源混合动力系统在船舶靠泊充电时的能量走向示意图；

图3为本发明船舶多能源混合动力系统在船舶等待乘客时的能量走向示意图；

图4为本发明船舶多能源混合动力系统在船舶低速航行时的能量走向示意图；

图5为本发明船舶多能源混合动力系统在船舶高速航行时的能量走向示意图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，公开了一种适合航行于江河与湖泊水域的中小型船舶（客渡船）的多能源混合动力系统的实施例，该船舶采用混合动力系统提供的电力推进。混合动力系统包含：混合动力源、530V直流母排22和多能源动力监控系统。混合动力源通过530V直流母排22连接船舶的动力负载28，向动力负载28提供电能以推动船舶前进。多能源动力监控系统输出端分别电路连接混合动力源，用于对混合动力源各部分的电源输出进行控制。

本实施例中，动力负载28即为船舶的推进系统，其包含一对直流/交流（DC/AC）变流器15、23，一对推进电机（M）19、24，一对变速箱20、25、一对螺旋桨21、26，组成左舷右舷双推进系统，同样也可采用单推进系统或多推进系统。其中，直流/交流变流器15输入端电路连接530V直流母排22，输出端电路连接推进电机19，推进电机19通过转轴连接变速箱20，变速箱20输出通过转轴连接螺旋桨21；直流/交流变流器23输入端电路连接530V直流母排22，输出端电路连接推进电机24，推进电机24通过转轴连接变速箱25，变速箱25输出通过转轴连接螺旋桨26。直流/交流变流器15、23将530V直流母排22上的电能分别送给推进电机19、24，推进电机19、24则分别通过变速箱20、25驱动螺旋桨21、26旋转。

本系统的混合动力源包含有主动力系统、辅助动力系统和岸电箱8。

主动力系统包含由柴电机组27、400V交流母排9和第一交流/直流（AC/DC）变流器12。柴电机组27包含有同轴连接的柴油机（ICE）1与发电机（G）2，柴油机1驱动发电机2输出电能。发电机2与400V交流母排9通过电缆连接。第一交流/直流变流器12输入端电路连接400V交流母排9，输出端电路连接530V直流母排22，400V交流母排9即通过第一交流/直流变流器12与530V直流母排22电路连接，实现柴电机组27与动力负载28之间连通。柴油机1驱动发电机2发电，发电机2发出的电能先送到400V交流母排9，再通过第一交流/直流变流器12送到530V直流母排22作为船舶的主动力源，向动力负载28提供电能。

辅助动力系统包含风力发电机3、太阳能电池5、太阳能跟踪系统、第二交流/直流（AC/DC）变流器4、第一直流/直流（DC/DC）变流器6、动力电池7，以及双向变流器（双向DC/DC）13。

风力发电机3输出端电路连接第二交流/直流变流器4输入端，第二交流/直流变流器4输出端电路连接双向变流器13，双向变流器13另一端电路连接530V直流母排22。风力发电机3通过第二交流/直流变流器4，再通过双向变流器13与530V直流母排22连接，实现风力发电机3通过第二交流/直流变流器4及双向变流器13将电能送到530V直流母排22，从而向动力负载28提供电能。

太阳能电池5输出端电路连接第一直流/直流变流器6输入端，第一直流/直流变流器6输出端电路连接双向变流器13，双向变流器13另一端电路连接530V直流母排22。太阳能电池5与第一直流/直流变流器6连接，再通过双向变流器13与530V直流母排22连接，实现太阳能电池5通过第一直流/直流变流器6及双向变流器13将电能送到530V直流母排22，从而向动力负载28提供电能。

动力电池7电路连接双向变流器13，双向变流器13另一端电路连接530V直流母排22。动力电池7通过双向变流器13将电能送到530V直流母排22，实现动力电池7通过双向变流器13与530V直流母排22连接，从而向动力负载28提供电能。

在柴电机组27工作并驱动动力负载28推动船舶航行时，当柴电机组27的功率大于动力负载28的功率，柴电机组27即将剩余功率对动力电池7进行充电；当动力负载28的功率大于柴电机组27功率，则动力电池7即放电，与柴电机组27一同为动力负载28提供推进功率。同时，太阳能电池5也可通过第一直流/直流变流器6对动力电池7充电，风力发电机3也可通过第二交流/直流变流器4对动力电池7充电，加快充电速度。

由于风力发电机3、太阳能电池5及动力电池7的输出电压较低（约为320V），因此需要通过双向变流器13与530V直流母排22连接，在辅助动力系统为船舶的动力负载28提供动力时，双向变流器13工作在升压模式（boost），在辅助动力系统不为船舶提供动力时，双向变流器13工作在降压模式（buck）。

岸电箱8通过电缆电路连接400V交流母排9。由于柴电机组27输出的电能和岸电都是380V、50Hz的三相交流电，因此柴电机组27和岸电箱8都连接400V交流母排9。在船舶靠泊充电时，将岸电箱8插接岸边的岸电插座，岸电箱8即可通过400V交流母排9、第一交流/直流变流器12、530V直流母排22及双向变流器13对动力电池7进行充电，此时双向变流器13工作在降压模式（buck）。

本实施例中，船舶多能源混合动力系统还包含有船用供电系统，该船用供电系统包含第二直流/交流变流器16和220V交流母排14。第二直流/交流变流器16直流端电路连接上述的530V直流母排22，交流端电路连接220V交流母排14，在220V交流母排14上则电路连接外接的导航通信设备17以及其他船舶上的其他负载18。第二直流/交流变流器16将530V直流母排22上的直流电变成220V、50Hz的交流电送到220V交流母排14，为船上其他用电设备（导航通信设17、照明设备、空调等）供电。

本发明公开的船舶多能源混合动力系统中，采用多能源动力监控系统对系统中的所有变流器的工作进行监视和控制。多能源动力监控系统包含混合动力控制器11和电路连接该混合动力控制器11的控制面板10。混合动力控制器11则分别电路连接第一交流/直流变流器12、双向变流器13、第二交流/直流变流器4、第一直流/直流变流器6，以及直流/交流变流器15、23。操作人员通过控制面板10对混合动力控制器11进行操控，实时对第一交流/直流变流器12、双向变流器13、第二交流/直流变流器4、第一直流/直流变流器6，以及直流/交流变流器15、23的工作进行监视和控制，保证本系统向船舶的动力负载28稳定输出电能。

本实施例中，太阳能电池5设有用于控制太阳能电池5板面转动的活动机构，以及控制该活动机构运动的太阳能跟踪系统；该太阳能跟踪系统由光敏电阻、微处理器和伺服电机等组成，微处理器分别连接光敏电阻和伺服电机，伺服电机则机械连接在太阳能电池5的转动机构处，微处理器通过接收光敏电阻对阳光的探测信号对伺服电机进行控制，由伺服电机控制太阳能电池5的转动机构以带动太阳能电池5的电池板转动。太阳能跟踪系统的作用是使太阳能电池5的太阳能电池板始终对准太阳光最强的方向从而最大限度的吸收太阳能。太阳能跟踪系统由太阳能电池板、光敏电阻、集成运放、AD芯片、微处理器、第一伺服电机和第二伺服电机等构成，第一伺服电机和第二伺服电机分别控制太阳能电池板可在两个上下左右四个自由度中转动。在太阳能电池板边缘的四个等分点（若太阳能电池板为方形，即为其四条边的中点）分别安装一个光敏电阻，光敏电阻受到的光照越强，其电阻值越小。首先采集通过太阳能电池板左右两边的光敏电阻的电流值，通过集成运放比较，将比较的结果通过AD转换送给微处理器，微处理器根据比较结果驱动第一伺服电机使太阳能电池向流过电流大的光敏电阻侧旋转，即向光照强度大的一侧旋转，直至转到使左右两侧光敏电阻的电流值相等的位置，然后比较上下两个光敏电阻的电流值，微控制器根据比较结果驱动第二伺服电机使太阳能电池板转到上下两个光敏电阻电流值相等的位置，这样就可以实现太阳能电池板始终正对太阳光最强的方向，最大限度的吸收太阳能，而且可以避免云的干扰。

本实施例中，为了最大限度的利用风能，需要在风力发电机3的尾部还设置有调向机构，使风力发电机3的风轮始终保持正面迎风。可以在风力发电机3的尾部设置尾翼板，尾翼板与风轮旋转面垂直、与风向平行，当风向变化时，尾翼板跟随风向转动保证与风向平行，从而保证了风力发电机始终正面迎风，更有效的利用风能。

本发明船舶多能源混合动力系统的运行状态有四种：一、靠泊充电状态；二、等待乘客状态；三、低速航行状态；四、高速航行状态。

如图2并结合图1所示，当船舶靠泊时，船舶多能源混合动力系统的运行状态即进入靠泊充电状态。可将岸电箱8与岸电插座连接，通过400V交流母排9、第一交流/直流变流器12、530V直流母排22及双向变流器13对动力电池7充电，此时双向变流器24工作在降压模式（buck），同时，太阳能电池5也可通过第一直流/直流变流器6对动力电池7充电，风力发电机3也可通过第二交流/直流变流器4对动力电池7充电，加快充电速度。

如图3并结合图1所示，船舶在等待乘客时，柴油机1在最佳工作区恒速运行带动发电机2发电，船舶的推进功率为零，只有导航、通信、照明、空调等设备需要用电，船舶电网的负载非常轻，柴电机组27功率大于电网需求功率，柴电机组27的多余电能可对动力电池7充电，此时双向变流器13工作在降压模式（buck），同时，太阳能电池5也可通过第一直流/直流变流器6对动力电池7充电，风力发电机3也可通过第二交流/直流变流器4对动力电池7充电。

如图4并结合图1所示，船舶低速航行时，柴油机1在最佳工作区恒速运行带动发电机2发电，船舶装满乘客，但航行速度较低，船舶的推进功率较小，电网的负载较轻，柴电机组27功率大于电网需求功率，柴电机组27的多余电能可对动力电池7充电，此时双向变流器13工作在降压模式（buck），同时，太阳能电池5也可通过第一直流/直流变流器6对动力电池7充电，风力发电机3也可通过第二交流/直流变流器4对动力电池7充电。

如图5并结合图1所示，船舶高速航行时，柴油机1在最佳工作区恒速运行带动发电机2发电，船舶装满乘客，并且高速航行，船舶的推进功率较大，电网的负载很重，柴电机组27功率小于电网需求功率，动力电池7处于放电状态，释放存储的电能，与太阳能电池5和风力发电机3一起同时输出电能，协同柴电机组27为船舶航行提供动力，此时双向变流器13工作在升压模式（boost）。因此，动力电池7的充放电对柴电机组27功率起到削峰填谷的作用；柴电机组27的额定功率只需要满足船舶电网需求的平均功率即可，电网所需的峰值功率由柴电机组27、太阳能电池5、风力发电机3及动力电池7共同提供，减小了柴油机1的容量和体积。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种船舶多能源混合动力系统，该混合动力系统输出端电路连接船舶的动力负载（28）；其特征在于，该混合动力系统包含：

分别电路连接所述动力负载（28）输入端的主动力系统和辅助动力系统；

分别电路连接所述主动力系统和辅助动力系统的多能源动力监控系统，该多能源动力监控系统用于对所述主动力系统和辅助动力系统的工作进行监视和控制；

当船舶航行中，主动力系统的输出功率大于船舶动力负载（28）所需要的功率，则主动力系统将剩余功率存储于辅助动力系统；当主动力系统的输出功率小于船舶动力负载（28）所需要的功率，则主动力系统与辅助动力系统一同向动力负载（28）提供推进功率；

所述的多能源动力监控系统包含混合动力控制器（11）以及电路连接该混合动力控制器（11）的控制面板（10）；

所述混合动力控制器（11）用于分别电路连接并实时监控主动力系统的各个变流器和辅助动力系统中的各个变流器；

所述的主动力系统包含：

第一交流/直流变流器（12），其直流端电路连接所述的动力负载（28），所述混合动力控制器（11）实时监控第一交流/直流变流器（12）的工作状态；

电路连接所述第一交流/直流变流器（12）交流端的400V交流母排（9）；以及，

电路连接在该400V交流母排（9）上的柴电机组（27）；

所述的辅助动力系统包含：

风力发电机（3），用于将风能转换为交流电能输出；

第二交流/直流变流器（4），其电路连接所述风力发电机（3）输出端；

太阳能电池（5），用于将太阳能转换为直流电能输出；

第一直流/直流变流器（6），其电路连接所述太阳能电池（5）的输出端；

双向变流器（13），其一端分别电路连接所述第二交流/直流变流器（4）与第一直流/直流变流器（6）的直流端，另一端电路连接所述的动力负载（28）；以及，

动力电池（7），其电路连接所述的双向变流器（13）；

所述混合动力控制器（11）实时监控第二交流/直流变流器（4）、第一直流/直流变流器（6）和双向变流器（13）的工作状态；

在船舶航行时，当主动力系统的功率大于动力负载（28）的功率，则主动力系统将剩余功率对动力电池（7）进行充电；当动力负载（28）的功率大于主动力系统的功率，则动力电池（7）放电，与主动力系统一同为动力负载（28）提供推进功率；

在船舶停靠或低速航行时，所述太阳能电池（5）可通过第一直流/直流变流器（6）对动力电池（7）充电；风力发电机（3）可通过第二交流/直流变流器（4）对动力电池（7）充电。

2.如权利要求1所述的船舶多能源混合动力系统，其特征在于，所述动力负载（28）包含若干组推进系统，每组推进系统包含电路连接主动力系统和辅助动力系统的第一直流/交流变流器（15），电路连接该第一直流/交流变流器（15）交流端的推进电机（19），通过转轴连接推进电机（19）的变速箱（20），以及通过转轴连接变速箱（20）的螺旋桨（21）；

所述混合动力控制器（11）实时监控第一直流/交流变流器（15）的工作状态。

3.如权利要求1或2所述的船舶多能源混合动力系统，其特征在于，该混合动力系统还包含有530V直流母排（22），其分别与所述第一交流/直流变流器（12）和双向变流器（13）的直流端电路连接；所述的动力负载（28）电路连接在该530V直流母排（22）上。

4.如权利要求3所述的船舶多能源混合动力系统，其特征在于，该混合动力系统还包含有电路连接在所述530V直流母排（22）上的第二直流/交流变流器（16）；

所述第二直流/交流变流器（16）的交流端电路连接有220V交流母排（14），该220V交流母排（14）上电路连接船舶上的导航通信设备（17）及其他负载（18）。

5.如权利要求1所述的船舶多能源混合动力系统，其特征在于，所述太阳能电池（5）处设有用于控制太阳能电池（5）板面转动的活动机构，以及控制该活动机构运动的太阳能跟踪系统；该太阳能跟踪系统包含：

光敏电阻，其设置于太阳能电池（5）面板上的，探测光强信号并输出；

微处理器，其接收光敏电阻输出的光强信号，并输出控制信号，使控制太阳能电池（5）正对太阳光最强的方向；

伺服电机，其机械连接太阳能电池（5）的活动机构，接收微处理器输出的控制信号并对活动机构进行活动控制。

6.如权利要求1所述的船舶多能源混合动力系统，其特征在于，所述风力发电机（3）尾部设有尾翼板，该尾翼板与风力发电机（3）风轮旋转面垂直、与风向平行，当风向变化时尾翼板跟随风向转动保证与风向平行。

7.如权利要求1所述的船舶多能源混合动力系统，其特征在于，该混合动力系统还包含有岸电箱（8），其通过电缆电路连接400V交流母排（9），用于船舶靠岸时连接岸电对动力电池（7）进行充电。