CN104859828A - 柴电混合动力船舶推进系统及其能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴电混合动力船舶推进系统及其能量管理方法，该推进系统包括柴油主机、推进器、发电电动机、齿轮箱、储能装置和能量管理模块，发电电动机与储能装置之间设置有充电逆变一体机，储能装置包括超级电容、蓄电池和功率分配单元；该能量管理方法包括获取需求功率P和储能装置状态{SC,BA}，并根据储能装置状态{SC,BA}按照运行模式判断表选择运行模式。该混合动力船舶推进系统及其能量管理方法通过对船舶功率需求进行柔化，并根据需求功率、储能装置状态选择合适的推进系统运行模式，使柴油主机最大程度工作于最佳效率区间内，具有燃油经济性好、能量利用效率高的优点。

Description

柴电混合动力船舶推进系统及其能量管理方法

技术领域

本发明涉及一种柴电混合动力船舶，特别是指一种柴电混合动力船舶推进系统及其能量管理方法。

背景技术

拖轮、挖泥船等工程船舶广泛运用于港口作业中，选择柴油主机时往往需根据最大功率需求配置从而造成柴油主机在大多数时间内工作于低负荷区，所带来的问题是燃油经济性差，排放性能差。且这些船舶大多工作于近海，与远洋船舶相比，受到更严苛的排放法规约束，改善其排放性刻不容缓。

造成上述问题的原因是船舶能量系统刚性较大，没有储能原件，推进能量仅由柴油主机产生。通过将储能装置加入至船舶中，可以对船舶能量系统进行柔化，从而改善上述问题。近年来，各类储能装置如超级电容，蓄电池发展迅猛，性能有了大幅度提升。其应用于船舶已经有相关案例。

各类储能装置因其结构与原理的区别使其储能特性不同，如超级电容充放电快，但功率密度较低；锂聚合物电池功率密度较高，但承受充放电电流能力有限，根据它们特性取长补短，构成复合能量存储装置使其能够更好的应对船舶的功率需求，也能延长储能装置的寿命。

能量管理方法对有储能装置的船舶至关重要，其控制了何时使用，如何使用储能装置，这对最大程度发挥储能装置特性以及延长其使用寿命、减少维护都有重要作用。

以下给出了几种柴电混合动力船舶推进系统及其能量管理方法：

中国专利申请，申请号201310264651.7，名称为“一种混合动力船舶推进系统的能量管理”的发明专利申请，公开了一种混合电力推进船舶的能量管理策略，虽然涉及到超级电容与锂电池，但是并没有根据不同储能装置的特性设计能量管理策略。且该专利能量转化是先由柴油机机械能转化为电能(交流)，再将交流转化为直流，等传递到电机时，又将直流转换到交流，过程复杂，能量经多次转化使得效率较低。

中国专利，专利号ZL201320327319.6，名称为“混联结构的船舶柴电混合动力系统及混合方法”的发明专利，公开了一种柴—电混联结构的船舶，柴油机经磁力耦合器与永磁发电机同轴相连，永磁发电机再由磁力耦合器与齿轮箱相连，齿轮箱的另一端带动推进器；同时柴油机的另一端带动涡轮发电机，涡轮发电机与永磁发电机一起向蓄电池充电，蓄电池带动电机也向齿轮箱输入功率。所存在的问题是结构复杂，且该发明仅使用了蓄电池作为储能装置，不能满足大电流短时间充放电。

中国专利，专利号ZL201220370587.1，名称为“船舶复合能源装置及设置有复合能源装置的船舶”的新型实用专利，公开了一种船用复合能源装置及设置有复合能源装置的船舶，但仅探讨了超级电容与蓄电池在船舶电网中的应用，并没有涉及作为辅助推进能源的作用，且没有涉及管理超级电容与蓄电池的方法。

综上所述，上述专利虽然涉及到储能装置在船舶中的应用，但都没有较好地改善前述柴油主机工作特性差的缺点，也没有较为充分地应用储能装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃油经济性好、能量利用效率高的柴电混合动力船舶推进系统及其能量管理方法。

为实现上述目的，本发明所提供的柴电混合动力船舶推进系统的能量管理方法，用于确定柴电混合动力船舶推进系统的运行模式，所述柴电混合动力船舶推进系统包括柴油主机、发电电动机、储能装置和推进器，所述储能装置包括超级电容和蓄电池。

所述柴电混合动力船舶推进系统包括如下四种运行模式：

模式A：经由储能装置提供能量，发电电动机运行于电动机模式以驱动推进器运行；

模式B：柴油主机给推进器提供能量，发电电动机运行于发电机模式并对储能装置进行充电；

模式C：柴油主机给推进器提供能量，发电电动机不工作；

模式D：柴油主机与储能装置一起给推进装置提供能量，发电电动机运行于电动机模式。

该能量管理方法包括如下步骤：

1)获取需求功率P和储能装置状态{SC,BA}

所述需求功率P由外部输入；

所述储能装置状态{SC,BA}根据超级电容的荷电状态SOC_SC和蓄电池的荷电状态SOC_BA按如下方式确定：

a.当超级电容的荷电状态SOC_SC≤a时，定义SC＝1(代表适宜充电状态)，反之定义SC＝0(代表适合放电状态)；

b.当蓄电池的荷电状态SOC_BA≤b时，定义BA＝1(代表适宜充电状态)，反之定义BA＝0(代表适合放电状态)；

其中a为根据充放电特性或用户需求设定的超级电容充放电阈值，b为根据充放电特性或用户需求设定的蓄电池充放电阈值。

特别说明，上述SOC_SC≤a，SOC_BA≤b如果简单替换为SOC_SC＜a、SOC_BA＜b等形式，由于具体应用时没有区别，视为前者的等同特征，适用等同原则。

2)根据储能装置状态{SC,BA}选择运行模式

a.当P≤PL时，储能装置状态{1,1}，{0,1}对应模式B，{1,0}，{0,0}对应模式A；

b.当PL＜P≤Pe时，储能装置状态{1,1}，{0,1}对应模式B，{1,0}，{0,0}对应模式C；

c.当功率需求P＞Pe时，无论何种储能装置状态，均对应于模式D；

其中，PL为设定的功率下限，其值根据发电电动机的额定功率确定(PL不大于发电电动机的额定功率)，Pe为柴油主机的额定功率。

特别说明，上述P≤PL，PL＜P≤Pe，P＞Pe也可以是P＜PL，PL≤P＜Pe，P≥Pe等形式，由于具体应用时没有区别，视为前者的等同特征，适用等同原则。

优选的，该能量管理方法提供了手动控制模式，可根据需要人为定义船舶运行模式，提高船舶运行的灵活性。如需要船舶某段时间完全靠储能装置供电可通过对储能装置预充电实现，这在科考船需要做精密实验或船舶在特定海域达到排放要求时有一定意义。

可选的，所述超级电容充放电阈值a＝0.2，所述蓄电池充放电阈值b＝0.4。

本发明同时提供了一种应用前述能量管理方法的柴电混合动力船舶推进系统，包括柴油主机、推进器、发电电动机、齿轮箱、储能装置和能量管理模块。所述柴油主机、发电电动机通过轴、法兰各自连接在齿轮箱的一个输入端口上，所述推进器通过尾轴连接在齿轮箱的输出端口上，所述储能装置电连接在发电电动机上。所述发电电动机与储能装置之间设置有充电逆变一体机，实现储能装置的充电与放电。所述储能装置包括超级电容、蓄电池和功率分配单元。所述功率分配单元的输入端与充电逆变一体机电连接，所述超级电容、蓄电池分别并联在功率分配单元的两个输出端上。所述能量管理模块集成在PLC、DSP等控制系统内，采用前述能量管理方法对柴电混合动力船舶推进系统的能量进行管理。所述能量管理模块的主机控制信号输出端与柴油主机的控制信号输入端相连，所述能量管理模块的电机控制信号输出端与设置在发电电动机与齿轮箱之间的离合器的控制信号输入端相连，所述能量管理模块的充放电管理信号输入输出端与充电逆变一体机的充电/逆变控制信号输入端、储能装置的功率分配控制信号输入端及储能装置状态反馈信号输出端相连。

可选的，作为一种具体的功率分配实现方式，所述功率分配单元包括减法器、功率微分限制器、双向DC/DC变换器A和双向DC/DC变换器B，所述减法器的正输入端、功率微分限制器的输入端与充电逆变一体机电连接，所述功率微分限制器的输出端分别与减法器的负输入端、双向DC/DC变换器A的输入端电连接，所述减法器的输出端与双向DC/DC变换器B的输入端电连接，所述双向DC/DC变换器A、双向DC/DC变换器B的输出端分别与超级电容、蓄电池的输入端电连接。双向DC/DC变换器A/B为储能装置(超级电容/蓄电池)提供正常的充放电电压，并且可以将储能装置的充放电的工作分离出来，运用双向DC/DC变换器单独处理储能装置的充放电操作，更容易优化充放电过程，有利于延长储能装置的使用寿命。也可将超级电容与蓄电池的位置互换，即：将蓄电池连接在双向DC/DC变换器A的输出端，将超级电容连接在双向DC/DC变换器B的输出端。

可选的，所述充电逆变一体机的交流侧连接有配电板，其作用是靠岸后为储能装置充电，或为船舶提供照明等辅助电力。

优选的，所述发电电动机采用永磁同步电机，永磁同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、运行可靠的优点。

优选的，所述蓄电池采用锂离子电池或锂聚合物电池，锂离子电池、锂聚合物电池具有环保、体积小、比能量高、循环寿命长等优点。

本发明的有益效果是：所提供的柴电混合动力船舶推进系统及其能量管理方法可应用于柴油主机在大多数工况下呈现过度配置情形的船舶，如拖轮这种“个子小，力气大”的船舶，通过使用储能装置对船舶功率需求进行柔化，并根据需求功率、储能装置状态选择合适的推进系统运行模式，可使柴油主机最大程度工作于最佳效率区间内，因此具有燃油经济性好、能量利用效率高的优点；同时充分利用超级电容和蓄电池不同的充放电特点，需要快速充放电的功率由超级电容满足，其余由蓄电池满足，提高了储能装置的效能和寿命。

附图说明

图1为本发明柴电混合动力船舶推进系统的总体结构示意图。

图2为图1中储能装置的结构示意图。

图3为图1中能量管理模块所采用的能量管理方法的示意图。

图4为图3中运行模式判断表，表中，A、B、C、D为推进系统的四种运行模式，P为需求功率，PL为设定的功率下限，Pe为柴油主机的额定功率，SC、BA分别为表征超级电容、蓄电池充放电状态的定义值。

其中：能量管理模块2、柴油主机3、齿轮箱5、推进器7、发电电动机9、充电逆变一体机10、储能装置11、断路器12、配电板13、功率分配单元21、双向DC/DC变换器A 22、超级电容23、双向DC/DC变换器B 24、蓄电池25、功率微分限制器31、减法器32

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1～2所示，本发明改进的柴电混合动力船舶推进系统，包括柴油主机3、推进器7(螺旋桨)、发电电动机9、齿轮箱5、储能装置11和能量管理模块2。

柴油主机3、发电电动机9各自法兰连接在齿轮箱5的一个输入端口上，推进器7经尾轴法兰连接在齿轮箱5的输出端口上。

储能装置11电连接在发电电动机9上，发电电动机9采用永磁同步电机。

发电电动机9经过充电逆变一体机10与储能装置11相连，充电逆变一体机10的交流侧连接有断路器12与配电板13。

储能装置11包括超级电容23、蓄电池25(采用锂聚合物电池)和功率分配单元21，功率分配单元21的输入端与充电逆变一体机10电连接，超级电容23、蓄电池25分别并联在功率分配单元21的两个输出端上。

功率分配单元21包括减法器32、功率微分限制器31、双向DC/DC变换器A 22和双向DC/DC变换器B 24，减法器32的正输入端、功率微分限制器31的输入端与充电逆变一体机10电连接，功率微分限制器31的输出端分别与减法器32的负输入端、双向DC/DC变换器A 22的输入端电连接，减法器32的输出端与双向DC/DC变换器B 24的输入端电连接，双向DC/DC变换器A 22、双向DC/DC变换器B 24的输出端分别与超级电容23、蓄电池25的输入端电连接。

功率微分限制器31的作用是限制超级电容23的功率，并进一步通过减法器32实现超级电容23与蓄电池25的功率分配。根据超级电容与蓄电池的特性，当充放电功率变化较大(大于设定值)时，将功率分为两部分，一部分功率由超级电容23承担；通过减法器32，将总功率减去由超级电容23承担的功率即为蓄电池25承担的功率。

柴电混合动力船舶推进系统包括如下四种运行模式：

模式A：经由储能装置11提供能量，发电电动机9运行于电动机模式以驱动推进器7运行；

模式B：柴油主机3给推进器7提供能量，发电电动机9运行于发电机模式并对储能装置11进行充电；

模式C：柴油主机3给推进器7提供能量，发电电动机9不工作；

模式D：柴油主机3与储能装置11一起给推进装置提供能量。

能量管理模块2集成在PLC系统内，其控制信号线分别与柴油主机3、齿轮箱5和储能装置11相连。能量管理模块2通过控制柴油主机3的启停与油门、发电电动机9的断开与连接(发电电动机9与齿轮箱5之间设置有离合器)，以及充电逆变一体机10的充电/逆变状态，以控制推进系统的运行模式。其能量管理方法如图3～4所示，具体说明如下：

1)获取需求功率P和储能装置状态{SC,BA}

所述需求功率P由外部输入(由驾控台、集控室或机旁给出)。

所述储能装置状态{SC,BA}根据超级电容23的荷电状态SOC_SC和蓄电池25的荷电状态SOC_BA按如下方式确定：

a.当超级电容23的荷电状态SOC_SC≤a时，定义SC＝1(代表适宜充电状态)，反之定义SC＝0(代表适合放电状态)；

b.当蓄电池25的荷电状态SOC_BA≤b时，定义BA＝1(代表适宜充电状态)，反之定义BA＝0(代表适合放电状态)。

其中a为设定的超级电容23的充放电阈值，b为设定的蓄电池25的充放电阈值，本例中a＝0.2，b＝0.4。

2)根据储能装置状态{SC,BA}确定运行模式(参见图4运行模式判断表)：

a.当P≤PL时，储能装置状态{1,1}，{0,1}对应模式B，{1,0}，{0,0}对应模式A；

b.当PL＜P≤Pe时，储能装置状态{1,1}，{0,1}对应模式B，{1,0}，{0,0}对应模式C；

c.当功率需求P＞Pe时，无论何种储能装置状态，均对应于模式D。

其中，PL为设定的功率下限，其值根据发电电动机9的额定功率确定，Pe为柴油主机3的额定功率。

为提高船舶运行的灵活性，该能量管理方法同时设置有手动控制模式，可根据需要人为定义船舶的运行模式。

手动控制与自动控制的选择：

1)针对手动控制，可以应用于某些时间需要低震动或零排放的情况下，如科考船需要进行精密科学实验或需要工作于特定海域时，可以提前将船舶运行于充电状态模式B，将储能设备充满，以备其工作于完全由储能装置供能的模式A。或者在有可预知的大功率需求时，从预充电模式B切换至柴油主机与储能装置一同供能的模式D。

2)针对自动控制，可以在稳定的作业区内使用，能够使得船舶柴油主机最大程度工作于最佳工作区内，从而提高燃油经济性与排放性能。

Claims (10)

1.一种柴电混合动力船舶推进系统的能量管理方法，用于确定柴电混合动力船舶推进系统的运行模式，所述柴电混合动力船舶推进系统包括柴油主机(3)、发电电动机(9)、储能装置(11)和推进器(7)，所述储能装置(11)包括超级电容(23)和蓄电池(25)；

所述柴电混合动力船舶推进系统包括如下四种运行模式：

模式A：经由储能装置(11)提供能量，发电电动机(9)运行于电动机模式以驱动推进器(7)运行；

模式B：柴油主机(3)给推进器(7)提供能量，发电电动机(9)运行于发电机模式并对储能装置(11)进行充电；

模式C：柴油主机(3)给推进器(7)提供能量，发电电动机(9)不工作；

模式D：柴油主机(3)与储能装置(11)一起给推进装置提供能量，发电电动机(9)运行于电动机模式；

其特征在于，该能量管理方法包括如下步骤：

1)获取需求功率P和储能装置状态{SC,BA}；

所述需求功率P由外部输入；

所述储能装置状态{SC,BA}根据超级电容(23)的荷电状态SOC_SC和蓄电池(25)的荷电状态SOC_BA按如下方式确定，

a.当超级电容(23)的荷电状态SOC_SC≤a时，定义SC＝1，反之定义SC＝0；

b.当蓄电池(25)的荷电状态SOC_BA≤b时，定义BA＝1，反之定义BA＝0；

其中a为设定的超级电容(23)的充放电阈值，b为设定的蓄电池(25)的充放电阈值；

2)根据储能装置状态{SC,BA}选择运行模式：

a.当P≤PL时，储能装置状态{1,1}，{0,1}对应模式B，{1,0}，{0,0}对应模式A；

b.当PL＜P≤Pe时，储能装置状态{1,1}，{0,1}对应模式B，{1,0}，{0,0}对应模式C；

c.当功率需求P＞Pe时，无论何种储能装置状态，均对应于模式D；

其中，PL为设定的功率下限，其值根据发电电动机(9)的额定功率确定，Pe为柴油主机(3)的额定功率。

2.根据权利要求1所述的柴电混合动力船舶推进系统的能量管理方法，其特征在于：所述超级电容(23)的充放电阈值a＝0.2，所述蓄电池(25)的充放电阈值b＝0.4。

3.根据权利要求1或2所述的柴电混合动力船舶推进系统的能量管理方法，其特征在于：所述能量管理方法还设置有手动控制模式，可根据需要人为定义船舶运行模式。

4.一种为实现权利要求1所述方法而设计的柴电混合动力船舶推进系统，包括柴油主机(3)、推进器(7)、发电电动机(9)、齿轮箱(5)和储能装置(11)，所述柴油主机(3)、发电电动机(9)各自连接在齿轮箱(5)的一个输入端口上，所述推进器(7)连接在齿轮箱(5)的输出端口上，所述储能装置(11)电连接在发电电动机(9)上，其特征在于：

所述发电电动机(9)与储能装置(11)之间设置有充电逆变一体机(10)；

所述储能装置(11)包括超级电容(23)、蓄电池(25)和功率分配单元(21)，所述功率分配单元(21)的输入端与充电逆变一体机(10)电连接，所述超级电容(23)、蓄电池(25)分别并联在功率分配单元(21)的两个输出端上；

它还包括能量管理模块(2)，所述能量管理模块(2)的主机控制信号输出端与柴油主机(3)的控制信号输入端相连，所述能量管理模块(2)的电机控制信号输出端与设置在发电电动机(9)与齿轮箱之间的离合器的控制信号输入端相连，所述能量管理模块(2)的充放电管理信号输入输出端与充电逆变一体机(10)的充电/逆变控制信号输入端、储能装置(11)功率分配控制信号输入端及储能装置状态反馈信号输出端相连。

5.根据权利要求4所述的柴电混合动力船舶推进系统，其特征在于：所述功率分配单元(21)包括减法器(32)、功率微分限制器(31)、双向DC/DC变换器A(22)和双向DC/DC变换器B(24)，所述减法器(32)的正输入端、功率微分限制器(31)的输入端与充电逆变一体机(10)电连接，所述功率微分限制器(31)的输出端分别与减法器(32)的负输入端、双向DC/DC变换器A(22)的输入端电连接，所述减法器(32)的输出端与双向DC/DC变换器B(24)的输入端电连接，所述双向DC/DC变换器A(22)、双向DC/DC变换器B(24)的输出端分别与超级电容(23)、蓄电池(25)的输入端电连接。

6.根据权利要求4或5所述的柴电混合动力船舶推进系统，其特征在于：所述充电逆变一体机(10)的交流侧连接有配电板(13)。

7.根据权利要求4或5所述的柴电混合动力船舶推进系统，其特征在于：所述发电电动机(9)采用永磁同步电机。

8.根据权利要求6所述的柴电混合动力船舶推进系统，其特征在于：所述发电电动机(9)采用永磁同步电机。

9.根据权利要求4或5所述的柴电混合动力船舶推进系统，其特征在于：所述蓄电池(25)采用锂离子电池或锂聚合物电池。

10.根据权利要求6所述的柴电混合动力船舶推进系统，其特征在于：所述蓄电池(25)采用锂离子电池或锂聚合物电池。