CN104149960B - 一种运用于内河运输船舶的油电自混合动力推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了运用于内河运输船舶的油电自混合动力推进系统，蓄电池组通过电源管理器与控制器联接，控制器与驾控台联接；控制器联接驱动器，驱动器联接电机，电机的轴安装带轮一；控制器联接柴油机油门伺服电机驱动器，该驱动器联接柴油机油门伺服电机；主柴油机通过齿轮箱安装带轮二，两带轮间通过齿形带连动；齿形带与电机的轴通过带轮一连动，与万向联轴器通过带轮二连动，万向联轴器与船舶推进器动力输入端连动；常态下，蓄电池组将电能通过电机输出，驱动船舶推进器；蓄电池组不能满足船舶航行速度时，主柴油机与电机共同驱动船舶推进器；蓄电池组电力不足时，主柴油机启动后既给船舶推进器提供动力，又使电机转换成发电机，给蓄电池组充电。

Description

一种运用于内河运输船舶的油电自混合动力推进系统

技术领域

本发明属于船舶动力系统技术领域，具体涉及一种运用于内河运输船舶的油电自混合动力推进系统。

背景技术

交通运输业是能源消耗和排放的重点领域之一，而船舶作为交通运输中载运量比例最大的载运工具，其节能效果的好坏，对国民经济的影响很大。节能减排已成为世界各国造船界和航运界研究的重要课题，它关系到节约燃料资源和费用、降低废气排放、环境保护以及船舶运营的经济效益等问题，发展低碳经济，也是实现交通运输发展方式转变的重要途径。

2011年，国际海事组织海洋环境保护委员会通过了国际海运温室气体减排措施强制规定，确定了新船设计能效指数EEDI和船舶能效管理计划SEEMP两项船舶能效标准。我国《内河绿色船舶规范》也已生效，对内河运输船舶的能效指标、排放控制及噪声污染等提出了明确的要求。

目前内河运输船舶存在的主要问题：

1、航道复杂多变，主机功率冗余

我国内河航道水域辽阔，航线延绵，航道复杂，为适应不同的航道水流港口码头等地理环境的需要，通常内河运输船舶的主机功率在设计时都有一定的冗余度，以便在恶劣工况时，可以保证船舶推进的安全性，这就使得主机在大量的工作时间都没有运行在其最佳工况，即最节能和效率最高点。

2、受吃水限制，螺旋桨效率较低

许多内河航道的支线情况还处于5级航道以下，水深较浅，水下杂草丛生，河道淤泥堆积，即便是河道经过渠化，但由于河面狭窄、船舶在交汇或超越时，与岸边极近，为避免螺旋桨与河堤的碰擦，再加上受吃水限制的影响，通常内河船舶的螺旋桨的直径都较小，导致推进效率较低。

3、航道穿越城市或风景旅游区，环境污染严重

内河航运与沿岸居民生活息息相关，柴油机的排放及噪声，已严重影响两岸居民的生活，成为环境空气污染方面不可忽视的问题。

鉴于上述原因，目前内河运输船舶急需寻求各种新能源、新产品、新技术，以节能能源、减少排放、降低噪声为根本目的。船舶混合动力推进系统是目前的研究方向之一。

(一)目前国外关于船舶混合动力推进系统的研究现状

混合动力船舶技术目前尚处在不断探索和研究的阶段。在国际上，有不少科研院提出了一些相关理论和方法，并在潜艇和游艇领域有所实现——世界上第一艘燃料电池和柴一电混合动力系统的潜艇已于2003年4月在德国基尔港开始首次试航。2010年1月，意大利和斯洛维尼亚联合研制了GREENLINE 33混合动力游艇，是首艘混合了电池组、太阳能和柴油机动力的游艇。近些年,船舶设计者开始把这个概念运用于商用船舶,尤其是深海作业多用途工作船。

国外目前使用的船舶混合动力推进系统是结合了机械推进和电力推进的一种新的推进方式之一，是将机械(主柴油机)推进和电力(发电机组)推进结合在一起，根据不同工况、不同的需求，切换主柴油机驱动螺旋桨或者主柴油机与轴带电机同时驱动螺旋桨，有效地解决了船舶短时间内工况多变和输出较大推力的需求，减少了船舶的总燃油消耗量和废气排放，可节省船舶的运营成本，同时提高船舶运行的可靠性。

(二)国内船舶混合动力推进系统的发展情况

国内在船舶混合动力推进领域方面起步较晚，成功应用的例子并不多。目前阐述较多的混合动力主要是指“新能源混合电力船舶”。常用作船舶动力的新能源有太阳能、风能等，风能由于受区域限制以及稳定性、连续性和可靠性差，作为内河小型船舶能源并不合适。而电力推进装置的电池主要有燃料电池、超级电容器和动力电池等，其中以动力电池作为船舶动力源最为合适，同时，为提高船舶的续航能力和冗余性，混合动力船舶中采用技术成熟的柴油发电机组作为辅助动力。

油电混合动力系统的船舶在国内应用较少，即便应用，也是不同工况的切换使用，即电力推进作为柴油机推进的补充，在小负荷工况时，采用电力推进，在大负荷工况时切换至柴油机推进，以弥补柴油机在低转速低扭矩时排放指标过大，油耗指标差的缺陷。

(三)油电混合动力推进系统在内河船舶应用遇到的主要问题

国内在混合动力船舶领域方面起步较晚，成功应用的例子并不多。主要原因有：

1.系统复杂，研发技术难度大

由于油电自混合动力推进系统设计中涉及轴带电机在不同的负载工况下工作模式的自动转变，双向变频技术的应用，以及为实现两种不同动力的平稳并车而采取的技术方案，包括轴功率的叠加方式、混合动力的能源管理系统、软件开发及测量、监控、安保系统等系列工程，这是一个专业的复杂的综合系统工程。同时由于航道变化较大，船舶工况较复杂，油电混合动力推进系统的性能与航道及船况的匹配难度较高，研发技术难度大成本高。目前国内在船舶上实际安装并成功运行的案例较少报道，相关设计研发及应用经验不足，节能减排的技术参数和指标没有经过权威部门的检验测定，不具说服力。

2.自动化操作要求较高，船员素质跟不上

目前对油电混合动力推进船舶进行控制监测的软件常常采用LABVIEW软件编制，以图形插件模块的形式安装在驾驶台，并通过不同形式的配置构成显示界面，以便驾驶者及时掌握机舱柴油机、发电机、蓄电池等各种设备的运行状况，保证船舶安全运行。相对于传统机械推进船舶驾驶台，油电自混合动力推进系统驾驶台的自动化、智能化程度以及监测程序和电脑操作系统自动化程度较高，对于船员素质也提出了较高的要求,作为新型的操作系统要让行业接受和熟悉还需要一段较长的过程。

3.相对于单纯的柴油机或电力推进而言，初投资成本较大

因油电自混合推进系统的智能化、自动化程度较高，能量转换机构、双向变频控制系统及测量保护系统的成熟产品不多，需特殊研发。再加上今后营运中还增加了对该系统的维护、保养和管理费用，因此将导致船舶建造成本高于传统机械推进系统，再加上传统的思维模式，认为内河运输船舶主机功率较小，航速较慢，在节能减排方面没有多大空间。

发明内容

鉴于现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种运用于内河运输船舶的油电自混合动力推进系统。

本发明采取以下技术方案：

一种运用于内河运输船舶的油电自混合动力推进系统，包括控制器、驾控台、电源管理器、动力蓄电池组、驱动器、同步电机、船舶推进器、主柴油机、齿轮箱，动力蓄电池组通过电源管理器与控制器电联接，控制器与驾控台电联接；控制器还电联接驱动器，驱动器电联接同步电机，同步电机的电机轴安装第一同步带轮；控制器还电联接柴油机油门伺服电机驱动器，柴油机油门伺服电机驱动器电联接柴油机油门伺服电机；主柴油机通过齿轮箱安装第二同步带轮，第二同步带轮与第一同步带轮间通过同步齿形带连动；同步齿形带与同步电机的电机轴通过第一同步带轮连动，与万向联轴器的一端通过第二同步带轮连动，万向联轴器的另一端与船舶推进器的动力输入端连动；

常态下，动力蓄电池组将电能通过同步电机输出，以驱动船舶推进器；当动力蓄电池组不能满足船舶航行速度时，主柴油机启动并网，与同步电机共同驱动船舶推进器；当动力蓄电池组电力不足时，主柴油机启动后既给船舶推进器提供动力，又使同步电机转换成轴带发电机，给动力蓄电池组反向充电。

优选的，驱动器、同步电机、船舶推进器、齿轮箱、主柴油机、主柴油机油门伺服电机及油门伺服电机驱动器各有两个，控制器通过缓上电盒与驱动器联接，形成两组相同的结构。

优选的，控制器包括PLC，PLC由第一PLC、第二PLC、第三PLC组成，第一PLC联接第二PLC，第二PLC联接第三PLC。

优选的，第一PLC选用S7-224xp，第二PLC选用EM253，第三PLC选用EM231；第一PLC接中间继电器1J5，中间继电器1J5分两路分别通过中间继电器1J4接入驱动器。

优选的，驱动器由交流伺服驱动器QD1-1/QD2-1与直流伺服驱动器QD1-2/QD2-2电联接而成，交流伺服驱动器QD1-1/QD2-1选用NAS4E22KX，直流伺服驱动器QD1-2/QD2-2选用AB806，直流伺服驱动器AB806的控制电压以及控制方式符合所述EM253的定位模块。

优选的，第二PLC接入直流伺服驱动器QD1-2/QD2-2。

优选的，主柴油机电联接第一编码器，第一编码器将主柴油机的转速反馈至PLC。第一编码器可选用E6C2-CWZ6C

优选的，船舶推进器电联接第二编码器，第二编码器将船舶推进器的转速反馈至PLC。第二编码器可选用E6C2-CWZ6C。

本发明通过技术攻关，研发成功油电自混合动力推进系统，该系统是将机械推进(柴油机推进)和电力推进(发电机、蓄电池组)有机地融合在一起，根据内河航道实际情况以及船舶的不同工况和需求，自动切换主柴油机驱动推进装置(柴油机驱动)、轴带电机驱动推进装置(电力驱动)或主柴油机和轴带电机共同驱动推进装置(混合动力驱动)三种工作模式，可以有效地解决船舶航行时由于负荷工况多变和主机功率冗余的需求，可最大限度地减少船舶的总燃油消耗量和废气排放并降低噪声，节省船舶的运营成本，提高船舶运行的安全性和可靠性，产生良好的经济效益和社会效益。

本发明研究的目的及意义：目前船舶的节能减排主要可通过优化船型减小船舶阻力、采用新型高效的推进节能装置提高推进效率、采用低油耗柴油机以减少排放、采用清洁能源及环保型船用设备等技术手段来实现。但对内河运输船舶来说，因航道状况复杂，船舶运行工况多变、主机负荷变化频繁导致的大量能源消耗，再加上内河航道多有穿越城市或风景旅游区，排放及噪声污染问题显得更为突出，采用上述现有方法显然无法获得更为满意的节能减排效果。

而本发明油电自混合动力推进系统可以有效地平抑因船舶运行工况多变导致的主机负荷波动，减小柴油机的功率配备，从而降低能源消耗和废气排放，有效促进内河运输船舶的节能减排工作。

本发明市场需求前景及推广应用领域：

1.内河湖泊客运航班

内河湖泊的客运航班，以城市或风景旅游区为主，如京杭运河的旅游船及货船、漓江航线的客船等，抑制排放及噪声问题显得尤为突出，采用本发明油电混合动力系统，可利用晚间岸电充电装置给船上动力蓄电池充足电，在城市航道的航行过程中可以不开或少开柴油机或柴油发电机充电系统，减少油耗，降低排放及噪声，最大限度地保护沿岸居民的生活环境。

2.航行于长江急流航段的运输船舶

航行于长江急流航段的船舶，主机的配备必须要求船舶能够抵抗水流的速度，并保持一定的航行速度，但在顺流时，主机仅需较小的动力即可达到要求航速，这种负载变化较大的情况，主机功率必须按最大负载进行配备，较为浪费，若采用混合动力，在逆流时，可通过自动检测螺旋桨轴上的扭矩，在主机功率不足时，自动混合电力推进部分，共同推进船舶航行。

3.集装箱船

集装箱船通常是重箱去，空箱回，在重箱航行中要保持一定的航速需要较大动力，所以船舶动力是根据重箱时所要求的航速进行选配的，而在空箱回程时，主机动力往往只需50％或更少，这样就导致主机功率的浪费，而采用自混合动力系统则可降低主机功率的配备，节约成本，降低油耗及排放。

4.多用途工程船、拖船

随着海洋工程的大力发展，相关的多用途工程船、拖船的数量不断增加。此类船舶工况多变，功率的需求变化范围较大，在作业时有时需要很大的推力，但是平时航行时只需要较小的动力，如果采用混合动力推进方式会达到较好的经济效益。

本发明达到的技术水平：

1.采用创新的设计理念

本发明系统以电力推进为主进行动力混合，将两种不同的动力通过减速皮带盘和同步齿形带组合在一起，实现纯机械推进、纯电力推进及混合动力推进三种不同的工作模式，根据动力电池容量及负载扭矩的变化，自动优化分配能源，确定系统的工作模式。

即：当动力电池容量可以推进船舶克服阻力并保持所需航速前进时，由动力电池提供电力，通过变频电机带动推进器，柴油机停止运行，此时为全电力推进。当电力不足或负载加大时，柴油机启动并网，与电动机一起联合提供推进器动力，直到船舶可以稳定航行，此时为混合动力推进。若由于电力不足，则柴油机启动后不仅自动给负载提供动力，同时原电力推进的电动机亦变换成轴带发电机工作，给动力电池储能，此时为全柴油机推进。若由于负载的突变使柴油机启动，当负载减小时，柴油机又自动退网，从而实现油电自动混合技术。

2.在本发明优选方案中，采用高效的船舶推进装置

对于内河小型船舶的推进器来说，目前主要存在以下问题：1)螺旋桨推进器的效率较低；2)在狭窄航道、急流航段中，螺旋桨-舵系统的舵效不明显，操纵性欠佳；3)螺旋桨-舵推进系统的布置占用空间较大，4)采用螺旋桨推进器的船舶线型复杂，推进系统安装维护不便。基于上述原因，采用更为高效的船用推进装置对促进内河运输船舶的节能减排工作，具有十分重要的现实意义。

本发明选用的差速型船用平旋推进装置，其是一种新型的舵桨合一的船用推进装置，其工作原理是由柴油机或电动机通过齿轮箱驱动推进圆盘作为推进器公转，提供推进动力。推进圆盘下装有若干伸入水中随圆盘转动的桨叶，桨叶在随推进圆盘转动的同时自传，控制推进器的推力方向。以在水中形成方向一致的推力。当控制桨叶的旋转角度时，桨叶在水中形成的推力方向随之同步改变。本发明所涉及的差速型船用平旋推进装置为专利技术，其内容可参见申请号201010549180.0的专利公开文献。差速型船用平旋推进装置具有吃水浅、推进效率高、无污染(桨叶轴承采用脂润滑)、操纵性好的特点，在解决上述问题中具有十分明显的作用。差速型船用平旋推进装置用于实船进行混合动力系统的推进装置，其可以大大提高混合动力系统节能减排的技术指标，项目成果水平可达到国内领先水平。

本发明技术方案在国民经济发展中的作用：

1.有效地节约能源

采用本发明油电自混合动力系统及高效节能推进装置：

1)可降低主机15-20％的功率配置，减少燃油舱容量，在营运中可以有效节约燃油15％以上；

2)优化的混合能源管理系统可提供船舶运行工况所需要的最佳能源控制策略，可实现节能减排15％以上；

3)推进器安装灵活，可缩短机舱长度、布置更紧凑，并可增加货舱空间。

2.提高了船舶安全性

本发明由于采用两种能源作为动力，在一定程度上提高了推进装置的冗余性，使船舶具有应急返航能力。

3.减少排放，降低对大气的污染

采用本发明油电自混合动力系统后，由于柴油机可降低15％左右的功率配备和工作时间，因此，可降低硫化物和NOx及CO₂的气体排放15％以上，可有效保护环境。

4.降低船员工作环境及两岸环境噪声

采用本发明油电自混合动力系统后，可有效减小主机功率，降低了机舱噪声，不仅船员工作舒适度大大提高，环境噪声也大为降低。

附图说明

图1是本发明系统的结构框图。

图2是电力推进与柴油机推进机械连接装置。

图3是本发明控制电路原理图。

图1、2中，1-控制器、2-驾控台、3-电源管理器、4-动力蓄电池组、5-缓上电盒、6-驱动器、7-同步电机、8-差速型船用平旋推进装置、9-柴油机油门伺服电机、10-柴油机油门伺服电机驱动器、11-主机万向联轴器、12-同步带轮、13-同步带轮、14-主柴油机变速齿轮箱、15-同步齿形带。

图3中，“1”打头的元件在1#驱动器箱内，“2”打头的元件在2#驱动器箱内，“3”打头的元件在PLC控制器内。

图3中：

端子号	结点号	手动	零位	自动
					1-2	324-329			X
3-4	324-空		X
					5-6	324-空	X

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。

本发明油电自混合动力推进系统是根据船舶运行工况和主机负荷变化，自动切换动力源驱动的一种新型混合动力推进形式。该系统主要包括二大部分，如图1、2所示，一部分是柴油机推进部分，由柴油机(带自动调速机构)、减速齿轮箱、轴系、差速型船用平旋推进装置等组成；另一部分是电力推进部分，由岸电充电装置、辅助柴油发电机组、动力电池、电池管理器、驱动器、电动/发电机、变频控制器等组成，两部分是通过同步齿形带连接在一起。

如图1、2所示，动力蓄电池组4通过电源管理器3与控制器1电联接，控制器1与驾控台2电联接，控制器1还联接两个驱动器6及一个缓上电盒5，缓上电盒5串接于两驱动器6(与控制器1相联的一端)之间，两驱动器6各联接一同步电机7，同步电机7的输出轴安装一同步带轮13，控制器1还联接两个柴油机油门伺服电机驱动器10，两个柴油机油门伺服电机驱动器10各联接一柴油机油门伺服电机9；主柴油机变速齿轮箱14通过安装另一同步带轮12，同步带轮12与同步带轮13间通过同步齿形带15连动。同步齿形带15与电机轴通过同步带轮13连动，与主机万向联轴器11的一端通过同步带轮12连动。主机万向联轴器11通过同步齿形带15与电机7的主轴实现同步转动。主机万向联轴器11的另一端与差速型船用平旋推进装置8的动力输入端连动。

本发明所涉同步齿形皮带与主机轴系部分采用现有技术来实现，此部分所涉部件可外购，因此对该部分结构不予详述，下面只介绍同步齿形带与轴之间的动作过程。

分不同工况，主机万向联轴器11动力可来自主柴油机变速齿轮箱14输出，也可来自永磁同步电机7通过皮带传动。动作关系如下：

(1)齿轮箱不合排，同步永磁电机作为电动机输出扭矩：驱动器接通电源并按下使能开关，电动机输出扭矩通过同步齿形带同步带动联轴节转动，联轴节转速与电动机输出转速一致。

(2)齿轮箱合排，同步永磁电机空转：驱动器接通电源，但使能开关保持断开状态，电机由于未连接到驱动器，此时既没有扭矩输入，也没有负载输出，电机此时只跟随联轴节空转。

(3)齿轮箱合排，同步永磁电机作为电动机输出扭矩：驱动器接通电源并按下使能开关，电动机输出扭矩通过同步齿形带同步带动联轴节转动，同时主柴油机通过齿轮箱输出扭矩给联轴节，此时由于电动机处于扭矩模式，转速可自动跟随联轴节转速，所以此时联轴节转速与主柴油机输出转速一致，电机转速跟随动作。

(4)齿轮箱不合排，同步永磁电机作为发电机使用：驱动器接通电源并按下使能开关，在扭矩设定端输入负电压，则驱动器驱动电机输出负扭矩，但是此时主柴油机提供的正向旋转的扭矩也加在电机上，而且此相反外力比电机输出扭矩大，这时电机处于发电状态，此时联轴节转速与主柴油机输出转速一致，电机转速跟随动作。

本发明系统的基本工作原理是根据船舶运行负载工况变化，以电力推进为主，将原先储存的电能通过同轴电动机输出，当电力不足或负载变大时，电力推进不能满足船舶航行速度时，柴油机启动并网，与电动机一起联合提供推进器动力，若由于电力不足，则柴油机启动后不仅自动给负载提供动力，同时原电力推进的电动机亦变换成轴带发电机工作，给动力电池反向充电储能，若由于负载的突变使柴油机启动，当负载减小时，柴油机又自动退网，当负载较重而电力又不足时，可使用柴油发电机给动力电池充电，保证船舶持续可实现混合动力，以达到节约能源减少排放的目的。

电力推进模式：指动力电池经过特种变频驱动器，使永磁伺服同步电机工作在电动机模式，驱动推进装置，此时柴油机停机。电力推进模式主要用于周边环境对排放及噪声有较高的要求，或船舶仅需较小推力或柴油机故障的工况。本发明方案设计是以电力推进为主的混合动力系统，首先通过自动检测装置及控制系统，切换至电动机工作模式，动力电池为船舶提供动力(若动力电池电能不足时，也可柴油发电机提供辅助充电功能)。使用双向变频控制器控制电动机的转速，可以更好地与推进装置匹配，提高船舶的操控性能。此外，柴油发电机组也可以为船舶辅助设备和生活用负载供电。

机械推进模式：指主柴油机运行，通过减速齿轮箱和轴系驱动推进装置；此时主柴油机为船舶提供动力，同时通过控制系统，将轴带电机切换至发电机工作模式，利用柴油机的冗余功率给动力电池充电，这是一种常见的动力形式。本发明系统中机械推进模式主要用于航行中动力电池不足的工况。

混合动力推进模式：动力电池通过轴带电动机、主柴油机通过减速齿轮箱，两者同时驱动轴系和推进装置，为船舶提供最大的推力。混合动力模式主要用于大负载工况，此时可以分为柴油机全功率和变功率输出工况，当负载足够大，动力电池和柴油机均需全功率输出；当负载大于动力电池，但无需柴油机全功率输出时，通过本发明系统能源管理控制(以电力推进为主)，自动调节柴油机转速，减少喷油量，以降低柴油机的功率输出。

内河船舶油电自混合动力推进系统技术设计：

1)两种不同动力并车的机械传动装置及并车策略

变频电机在不同的负载工况下发电机工作模式和电动机工作模式的转换机构及系统设计，以及为实现柴油机和电动机两种不同动力驱动的平稳并车而采取的技术方案、机械传动装置及并车策略。通常情况下，为实现柴油机和电动机两种不同动力在轴上的混合，是采用双动力输入单轴输出的特种齿轮箱机构。这种齿轮箱可以实现不同的速比传动，且动力输出范围较大，但需特殊研发并定制，结构复杂，成本较高。对于内河小型船舶来说则需寻求一种结构简单，性价比较高的传动机构。

本发明系统采用在尾轴上加装减速皮带盘，通过同步齿形带连接电动机的方法，使电动机的轴功率通过同步带传递至尾轴，与柴油机共同驱动推进装置。同步带传动具有准确的传动比、传动效率高、成本低、维护保养方便的优点。这种传递动力的方法简单实用，用于内河小型船舶的轴功率叠加传动装置比双输入单输出齿轮箱可节约成本，降低造价。

并车策略主要考虑柴油机要启动并车，必须在其允许的低速范围内进行并车，而电动机实现并车仅需调整扭矩即可，因此能平稳及安全地实现柴电并车和电柴并车。

2)混合动力推进系统与船舶总体性能的匹配性

由于船舶加装了大量的动力电池，将导致船舶布置及性能的变化，而且动力电池的容量及数量亦取决于船舶的航速及推进性能要求，因此在本发明系统设计时，应在满足规范的前提下，充分研究两者的适配性，保证船舶的适用性和安全性。

3)油电混合动力的能源管理策略的研究

能源管理策略是本发明混合动力控制系统重点所在，它直接影响着混合动力船舶的性能及生命力。能量管理策略必须在满足一定边界条件约束的前提下，利用合理的方法和规则对混合动力中的不同能源进行投入时间及大小的优化分配，从而获得传统动力所不能达到的优化控制目标。本管理策略以节能减排降噪为目标，按照电力推进优先，船舶航行时根据动力电池容量、负载需求的变化及航行总时间的限制，主柴油机自动变功率混合推进的技术路线进行研发。

本发明系统具体可分为以下三种工作模式五种工况进行能源管理控制。

1)电力推进模式：负载稳定且较小，动力电池在晚间通过岸电已充足电；此时动力电池按照船舶选择的航速进行放电，柴油机不工作。

2)柴油机推进模式：

①动力电池能量不足，但负载较小，允许柴油机在驱动推进装置的同时通过轴带发电机给动力电池组充电。此时通过测量蓄电池电压、容量以及尾轴扭矩，可实现柴油机自动启动，并通过控制系统将电动机切换成轴带发电机工作模式，给动力蓄电池充电。

②动力电池能量不足，航行时负载较大柴油机功率，柴油机作为主推工作，没有冗余功率给动力电池充电。此时可根据实船需要，启动辅助柴油发电机给动力蓄电池充电。

3)混合动力推进模式：

①负载足够大，动力电池及柴油机均需全功率推进，两种动力在轴上进行叠加；

②负载大于动力蓄电池，柴油机需附加变功率叠加。此时通过本系统能源管理控制，根据负载变化自动恒定柴油机转速，并增减喷油量，以改变柴油机输出功率，使其自动适应负载的变化。

4)油电混合动力监控及安全保护系统的研究

监测系统主要研究不同的推进模式之间相互转换，其测量及控制系统的研发设计，以及该系统的技术参数及性能指标的研究。监控系统采用模块化设计，便于系统配置与扩展。根据监控系统需要和监测点数量，选择配置适当数量的I/O模块，如模拟端口、数字端口、通信接口、电机反馈接口以及主控制端口等，达到设定的功能，实现对混合动力所有设备及辅助设备运行状态进行自动测量、跟踪、反馈以及监测报警及控制。

当任何一种驱动模式发生故障时，进行判断并根据故障的等级自动启动相应的处理程序，在各种条件下最大限度地保证船舶推进驱动系统的正常运行及船舶安全并满足船舶法规及规范的要求。

当系统发生故障时，自动检测出故障信号，并视故障的严重程度，分成报警、降负载运行、切除设备、停机等4个等级。设备在运行中可能出现各种不正常的运行状态及故障，如：主柴油机超速、超负荷、滑油低压、排温过高等；辅助发电机组过载、欠压等；动力电池组电压低、剩余容量低、电池故障等；推进电机过电流、超速等，系统其他故障如电压异常、位置码异常、IGBT过热、扭矩超差、电流超差、速度超差等。特别是在柴油机或轴带电机并车时发生故障，应立刻降负荷、将故障设备及时脱离系统，保证系统的安全稳定，同时判断正常运行的柴油机或轴带电机是否可以独立承受推进负荷，如功率不够还应立即采取降速等措施，最大限度地保证船舶推进驱动系统的正常运行及船舶安全。

5)适应油电自混合动力推进系统的船舶推进装置

一般内河船舶采用螺旋桨推进时由于桨径受到严格限制，其推进效率仅为45％-55％左右，对于超浅吃水船舶其推进效率甚至在30％以下。由于这类船舶的舵面积及展弦比过小导致其操纵性也差。

本发明优选实施例采用差速型船用平旋推进装置，其可以明显提高这类船舶的推进效率并大大改善船舶的操纵性能。

选用与油电自混合动力系统具有良好匹配特性的船舶推进装置，使其不仅能发挥良好的推进效率，又能使油电自混合动力系统的设备在有限的空间里得到合理的布置。

为了最大限度地发挥油电自混合动力系统的效能，采用高效并具有良好匹配特性的船舶推进装置是十分重要的。此外，由于油电自混合动力系统比常规柴油机动力系统额外增加了电机、机械传动装置、储能机构和控制系统等，如何在内河船舶有限的机舱空间内进行合理的布置也是选择推进装置的重要因素。因此，采用油电自混合动力系统的船舶应选择推进效率更高、适合油电自混合动力系统输出特性、便于系统设备布置的船舶推进装置。

本发明通过对上述油电自混合动力推进各子系统的综合研究设计，开发出一种新的适合内河船舶的节能减排的新技术，可以显著降低燃油消耗及废气排放，节约营运成本。

本发明混合动力轴功率分配及平衡策略控制：本发明依托工程为桂林至阳朔的客运航班，为减排需要，要求进出港采用电力推进，航道常年水流较急，带客时是顺水航行，且必须在规定的时间内到达，回程是逆流。根据机桨匹配计算，选取柴油机28.2kW，推进器28kW，推进电机10kW，当负载较小时，可采用电力推进，当负载足够大时，电动机及柴油机全功率输出，当负载较大，仅靠电力推进不足以保持船舶航速时，以电力推进为主，根据负载变化，柴油机变功率叠加，这个过程是一个自动及智能控制的过程，由变频控制器内部控制算法来进行精确控制。

下面结合附图3对本发明控制原理作详细说明。

图3中：

参见图3，本发明应用于内河船舶的油电自混合动力系统控制原理：

一、本发明工况分类：

工况一：动力电池推进，柴油机不工作；

工况二：动力电池+柴油机部分功率混合推进；

工况三：动力电池+柴油机全功率混合推进；

工况四：柴油机部分功率推进+轴带发电机给动力电池充电；

工况五：柴油机全功率推进。

二、控制状态：

手动：电力推进及柴油机推进均采用同一手柄进行调速。

自动：混合动力推进时，电动机采用全功率输出，柴油机根据负载变功率输出。

三、控制模式选择原则：

进出港状态路况较为复杂，动力电池有电时可选用电力推进手动档；在动力电池没有电，航道情况出现特殊，或考虑紧急避让等，选用柴油机手动档。手动控制时不通过PLC程序，无论电力推进或柴油机推进均由同一手柄操作控制调速。

出港后正常航行情况可选用自动模式，此时电机和柴油机的工作状态由PLC根据负载情况控制，包括电机全负荷推进，柴油机变功率混合推进，柴油机给电机充电等工况。

出港后正常航行过程中，出现特殊情况或需要测试系统时，可选用混合推进中的手动状态，此时电机的工作状态由PLC控制，柴油机的油门大小由手柄手动控制。

四、系统符号定义

1、转速符号定义:

n1：工况一中推进器的设定转速；

n2：合排时柴油机的怠速转速；

n3：工况二中推进器的设定转速；

n4：工况三中推进器的低限速度；

n5：工况四中推进器的设定转速；

n6：工况四中推进器的低限速度。

n1-n6设定转速是在理论计算的基础上，参考常年航行的经验，并根据能保证整个航程航行时间的航速来确定。该数值现场可调。

注：不同的航线可根据实际情况通过调整n1-n6，以满足不同的需求。

2、时间符号定义：

T1：在工况二状况下，柴油机从开启到转速稳定需要的时间；

T2：在工况二状况下，为避免由于特殊情况而导致程序频繁跳转而设定的延迟时间；

T3：在工况三状况下，为确定推进器实际速度小于报警速度而设定的延迟时间；

T4：在工况四状况下，为确定推进器实际速度小于下限速度n6而设定的延迟时间；

T5：在工况五状况下，为确定推进器转速大于设定转速n5而设定的延迟时间。

3、蓄电池符号定义：

Q1：动力蓄电池的实际容量值；

u1：动力蓄电池低电压报警值。

五、系统说明：

1、系统初始化状态：

系统接通DC24V控制电源，手柄置于零位，PLC接收报警信号、电池容量信号、转速信号，同时初始化模拟量输出口各值为0，在没有报警的情况下，整个系统可以正常工作。

2、系统参数定义：

3、不同的工作模式

(1)电力推进(手动)：

此模式电机的控制为手动，不进入PLC工况自动判断处理程序。

具体操作步骤：将模式转换开关K2切换到纯电力档，同时闭合电机开关SB1，继电器1J2得电,接通左/右电机使能端。I0.5口接收24V电压信号，经过PLC处理后，Q0.2无电压信号输出，继电器1J3失电,柴油机合排器断开，Q0.4输出24V电压，继电器1J5得电，相应触点开关动作，将PLC控制信号断开，同时接入手柄控制信号，保证完全手动电力推进。

(2)纯柴油机推进(手动)：

此模式为完全由柴油机推进模式，柴油机的控制为手动，而且不进入PLC的工况自动判断处理程序。

具体操作步骤：将转换开关K2切换到纯柴油机档，电机使能端口Q0.1无电压信号输出，继电器1J2不动作,1J2触点不动作使得电机使能端断开。I0.6口接收24V电压信号，经过PLC处理后，Q0.2输出24V电压，继电器1J3得电,齿轮箱合排。同时Q0.0、Q0.4无电压信号输出，继电器1J1、1J5不动作，触点不动作，将PLC控制信号断开，同时接入手柄控制信号，保证完全手动柴油机推进。

(3)混合动力模式：

A：混合-自动

此模式为PLC自动控制模式，柴油机和电机的信号均由PLC给定，开始进入PLC的工况自动判断处理程序。

1)如果开机就将模式开关打到混合动力模式、混合动力手/自动开关切换到自动档时，则直接进入工况一，开始工况自动判断处理程序的自动循环、判断；

2)如果由纯电力模式切换到混合动力模式，则进入工况一，开始工况自动判断处理程序的自动循环、判断；

3)如果由柴油机模式切换到混合动力模式，则进入工况五，开始工况自动判断处理程序的自动循环、判断。

具体操作：将开关K2打在混合动力档，I0.7口接收24V电压信号，同时开关K1选择自动档，PLC读取信号，Q0.4输出无电压信号输出，继电器1J5不得电,相应触点1J5动作使得手柄信号断开，电机驱动器接通PLC模拟量输出口V信号；同时Q0.0输出24V电压，继电器1J1得电,相应触点1J1动作，使得手柄信号断开以及柴油机接通PLC信号。此时柴油机和电机均处于自动状态。

B：混合-手动

此模式为电机由PLC自动控制，而且进入PLC的工况自动判断处理程序，柴油机的油门大小由手柄手动控制，此模式主要用于调试或非正常情况。具体操作：将开关K2打在混合动力档，同时将开关K1打在手动挡，I0.7、I1.0口分别接收24V电压信号，经过PLC读取信号后，Q0.0无电压信号输出，继电器1J1失电,相应触点1J1不动作，柴油机接通手柄控制信号，油门由手柄控制；Q0.4无电压信号输出，继电器1J5不得电,相应触点1J5不动作，使得手柄信号断开，电机接通PLC模拟量输出口V信号，电机处于自动状态。其余的操作由PLC工况自动判断处理程序来执行。

4、两台推进器的同步问题：

1)本系统左右推进器分别由两个手柄控制，当两台推进器需要同步时，将两个手柄进行机械连接。当两台推进器不需要同步时，如需要平移、原地回转等特殊动作，则取消两个手柄的机械连接，即可单独操作左右手柄。

2)在混合动力模式下，当进入工况自动判断处理程序后，时刻比较左右推进器转速，如果两者转速差超过一定数值，则自动调节转速较大的推进器的油门，以保证同步。

5、系统报警及保护：

1)低电压报警：当蓄电池电压低于报警下限u1时，Q1.1输出24V电压，同时接通指示灯L4以及蜂鸣器FM，发出声光报警，人工干预处理。

2)左/右电机超速报警：当左右电机转速超过上限转速时，超速报警输入口I1.2，I1.3报警输入24V电压，PLC接收信号，接通指示灯L2以及蜂鸣器FM，发出声光报警。PLC同时发出电机使能断开信号，断开电机使能，电机停止工作，驱动器发出电机故障报警信号。

3)左右电机漏电报警：当左右电机驱动器输出漏电报警时，漏电报警输入口I1.4，I1.5报警输入24V电压，PLC接收信号，接通指示灯L3以及蜂鸣器FM，发出声光报警。PLC同时发出电机使能断开信号，断开电机使能，电机停止工作，驱动器发出电机故障报警信号。

六、系统自动运行情况

工况一：

此工况状态：蓄电池容量充足，完全电力推进。

只有在混合动力模式下，才会进行工况之间切换，工况之间切换由PLC自动进行。在船出港后，电机调为自动，柴油机也为自动。电机此时100％扭矩工作。在电池容量Q1>55％C的前提下，将左/右推进器实际转速V与设定的转速n1比较，如推进器转速大于等于设定的转速n1，则在工况一循环工作。

跳出工况一的情况：

1)电池容量Q1＜55％C，进入工况四；

2)推进器转速小于设定的转速n1，进入工况二。

工况二：

在电池容量Q1>55％C的条件下，PLC控制器检测到推进器转速小于设定的转速n1后，进入工况二。首先发出柴油机启动信号：通过P0口发油门指令，在一定延时T1后等待柴油机稳定。为齿轮箱合排作准备，将左/右推进器实际转速与柴油机此时的转速n2比较：

1)如果推进器转速大于柴油机转速n2，则将电机扭矩输出值(从模拟量输出V口)减小，由船舶阻力减小推进器转速，循环此操作直到左/右柴油机转速都与推进器转速相匹配，此时通过PLC将Q0.2口输出24V，继电器1J3得电，1J3触点闭合，齿轮箱合排。

2)如果推进器转速小于柴油机转速n2，则通过PLC让Q0.1输出为0，继电器1J2不得电，1J2触点不动作，电机使能端断开，电机空转。在电机空转后的瞬间，PLC发出合排信号，将Q0.2口输出24V，继电器1J3得电，1J2触点动作，齿轮箱合排。在此操作后，通过PLC让Q0.1输出为24V，继电器1J2得电1J2触点动作，电机使能端闭合，PLC控制电机在额定扭矩下工作。

合排结束后，推进器在电机以及柴油机共同驱动下工作，此时设定的转速变为n3，此时将推进器的实际转速与转速n3比较，通过调节油门大小来保证推进器转速维持在n3。其中油门大小调节的实现为：由PLC位置控制模块来控制油门电机的运动，以实现电机位置控制，从而实现油门大小调节。其中油门的大小由PID算法得出。

跳出工况二的情况：

1)PID算法计算后，P0口输出的油门开度为0，并且持续一段时间T2，则说明此时不需要柴油机辅助推进。通过PLC让Q0.2输出为0，继电器1J3失电，开关1J3打开，柴油机脱离，然后程序跳转回工况一，设定的比较转速值回到n1。

2)电池容量Q1<55％C

3)当推进器转速降到低限速度n4。

工况三：

即工况二中PID输出的油门开度为100％，油门开到最大的情况。

跳出工况三的情况：

1)PID并输出的油门开度为100％，并且持续一段时间T3后，测到的推进器速度低于报警速度，说明推进器可能被缠绕遇到异常，此时系统报警，停止柴油机工作，让油门开度等于0，即关闭油门，同时关闭电机使能端。

2)电池容量Q1<55％C

工况四：

此工况状态：电池容量Q1<55％C，在保证充电电流的前提下，柴油机可根据负载变化输出不同的功率保持船舶航行。

在电池容量Q1<55％C后，进入工况四程序部分。此时通过PLC控制Q0.3口输出24V，继电器1J4得电，1J4常开触点闭合，接通驱动器负扭矩信号口，并给定扭矩大小，控制电机处于充电状态，此时柴油机功率分为充电和推进两部分，所以设定的转速变为n5，此时将推进器的实际转速与设定的转速n5比较，通过调节油门大小(调节方法如上)，以保证推进器转速维持在n5，其中油门的大小由PID算法得出。

跳出工况四的情况：

1)PID输出的油门开度为100％，并且持续一段时间T4后，测到的推进器速度小于下限速度n6，说明负载较大，推进器需要停止充电，此时断开电机使能端(操作如上)，让柴油机功率完全用于推进，即进入工况五。

2)电池容量Q1＞90％C

工况五：

在情况(1)的条件下跳出工况四并进入工况五，此时柴油机输出功率100％用于推进，将油门开度值设为100％。

跳出工况五的情况：

测得推进器转速大于n5，并维持了一段时间T5，说明柴油机有富余的功率可以给予充电，此时将电机使能端接通，系统回到工况四。

七、系统归零说明

当完成全部航程后，先断开主动力电源、DC24V控制电源。然后将选择开关K1、K2以及主机遥控手柄1RC/2RC全部归零。并接通岸电，给动力蓄电池组充电。

八、硬件说明

上述实施例采用S7-200PLC，西门子可编程逻辑控制器，CPU选用S7224XP，功能模块选用S7200，定位模块EM253，扩展模块为模拟量输入模块EM231。

S7224XP DC/DC/DC，是具有模拟量I/O口和强大控制能力的新型CPU。本系统利用4路高数计数器来计算左右柴油机和推进器转速，10路数字端口输入报警信号和模式选择信号，2路自带模拟端口输入左右推进电机转速，2个RS485反馈油门电机运动信息，10路数字输出用于继电器控制、指示灯和蜂鸣器。一路模拟量输出用于推进电机的控制。

S7200定位模块EM253，EM253为位置开环控制模式，再通过通讯端RS485加上电机运动反馈后，本系统实现油门电机位置闭环控制。

EM231模拟量输入扩展模块，是本系统为了将电池容量信号反馈到PLC，CPU自带模拟量输入端口已经使用，通过EM231模块扩展模拟量输入口，以接入电池容量信号。

柴油机油门伺服电机驱动器AB806，其控制电压以及控制方式符合EM253定位模块，本系统采用脉冲加方向的位置控制模式，并通过RS485反馈运动信息。

本系统通过编码器E6C2-CWZ6C，将左右柴油机和推进器的转速反馈到PLC。

对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种运用于内河运输船舶的油电自混合动力推进系统，其特征是包括控制器、驾控台、电源管理器、动力蓄电池组、驱动器、同步电机、船舶推进器、主柴油机、齿轮箱，动力蓄电池组通过电源管理器与控制器电联接，控制器与驾控台电联接；控制器还电联接驱动器，驱动器电联接同步电机，同步电机的电机轴安装第一同步带轮；控制器还电联接柴油机油门伺服电机驱动器，柴油机油门伺服电机驱动器电联接柴油机油门伺服电机；主柴油机通过齿轮箱安装第二同步带轮，第二同步带轮与第一同步带轮间通过同步齿形带连动；同步齿形带与同步电机的电机轴通过第一同步带轮连动，与万向联轴器的一端通过第二同步带轮连动，万向联轴器的另一端与船舶推进器的动力输入端连动；常态下，动力蓄电池组将电能通过同步电机输出，以驱动船舶推进器；当动力蓄电池组不能满足船舶航行速度时，主柴油机启动并网，与同步电机共同驱动船舶推进器；当动力蓄电池组电力不足时，主柴油机启动后既给船舶推进器提供动力，又使同步电机转换成轴带发电机，给动力蓄电池组反向充电。

2.如权利要求1所述的油电自混合动力推进系统，其特征是：驱动器、同步电机、船舶推进器、齿轮箱、主柴油机、主柴油机油门伺服电机及油门伺服电机驱动器各有两个，控制器通过缓上电盒与驱动器联接，形成两组相同的结构。

3.如权利要求1或2所述的油电自混合动力推进系统，其特征是：所述的控制器包括PLC，PLC由第一PLC、第二PLC、第三PLC组成，第一PLC联接第二PLC，第二PLC联接第三PLC。

4.如权利要求3所述的油电自混合动力推进系统，其特征是：第一PLC选用S7-224xp，第二PLC选用EM253，第三PLC选用EM231；第一PLC接中间继电器1J5，中间继电器1J5分两路分别通过中间继电器1J4接入驱动器。

5.如权利要求4所述的油电自混合动力推进系统，其特征是：驱动器由交流伺服驱动器QD1-1/QD2-1与直流伺服驱动器QD1-2/QD2-2电联接而成，交流伺服驱动器QD1-1/QD2-1选用NAS4E22KX，直流伺服驱动器QD1-2/QD2-2选用AB806，直流伺服驱动器AB806的控制电压以及控制方式符合所述EM253的定位模块。

6.如权利要求5所述的油电自混合动力推进系统，其特征是：第二PLC接入直流伺服驱动器QD1-2/QD2-2。

7.如权利要求3所述的油电自混合动力推进系统，其特征是：所述的主柴油机电联接第一编码器，第一编码器将主柴油机的转速反馈至PLC。

8.如权利要求3所述的油电自混合动力推进系统，其特征是：所述的船舶推进器电联接第二编码器，第二编码器将船舶推进器的转速反馈至PLC。

9.如权利要求7所述的油电自混合动力推进系统，其特征是：所述的第一编码器选用E6C2-CWZ6C。

10.如权利要求8所述的油电自混合动力推进系统，其特征是：所述的第二编码器选用E6C2-CWZ6C。