CN105438427A - 用于混合动力系统的控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混合动力系统的控制方法，该混合动力系统包括原动机和电动机，所述电动机能够被选择为与所述原动机共同向负载输出机械能，所述控制方法包括：检测所述原动机的实际转速；设置所述电动机的目标空载负荷值和目标转速，其中所述目标转速被设置为比所述原动机的实际转速大3～10％；启动所述电动机，当所述电动机的负荷达到所述目标空载负荷时，并车完成。本发明还提供了一种用于混合动力系统的控制装置。

Description

用于混合动力系统的控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及混合动力系统的控制方法及控制装置，尤其涉及一种用于船舶的柴电混合动力系统的控制方法及控制装置。

背景技术

在燃油资源日益匮乏的今天，电力动力系统逐渐成为未来船舶技术的一个发展趋势。电力动力系统具有更好的经济性，且有利于减少船舶对环境的污染。然而，与传统的燃油动力系统相比，纯电力动力系统还无法达到高性能的速度、加速度和自控性。鉴于这种情况，混合动力型船舶，尤其是柴电混合动力的船舶，成为了目前船舶技术的一个重要发展方向。

目前的混合动力的船舶通常采用柴油机和电动机作为动力推进装置，即柴电混合动力。这种柴电混合动力系统的基本架构如图1所示，包括柴油机1、齿轮箱2、螺旋桨3、电动机4和控制电动机4的变频器5。其中柴油机1作为主动力推进装置，通过齿轮箱2将机械能提供到螺旋桨3，从而为船舶提供主要的动力。而电动机4作为辅助的动力推进装置，在柴油机1输出的动力不足以应对工况需要时，被并入到该柴电混合动力系统中，在变频器5的控制下与柴油机1一起工作，从而通过齿轮箱2向螺旋桨3提供更大的动力。当柴油机的动力足以满足工况需要时，电动机4可以从柴电混合动力系统中撤出，仅由柴油机1提供船舶所需的动力。这种电动机被并入柴电混合动力系统从而与柴油机1一起提供机械能的过程通常被称为“并车”。

然而，在现有的柴电混合动力系统中，并车过程中通常会引起柴油机和螺旋桨波动等不稳定现象，这是由于柴电混合动力系统中的电动机在启动初期时转子的起始状态并非静止态而造成的。电动机是一种把电能转换成机械能的一种设备，它利用通电线圈(也就是定子绕组)产生作用于转子上的旋转磁场，旋转磁场带动转子转动并最终使转子达到所需的设定转速。电动机通常由变频器控制，通过变频器可调节输入到定子绕组中的电流的频率，从而调节旋转磁场的转速，以实现对电动机转子的转速的调节。然而，当柴电混合动力系统仅由柴油机提供动力时，电动机的转子并非静止，而是随柴油机的传动轴空转，并保持与柴油机的传动轴的转速相同。

在这种情况下，对于变频器而言电动机转子的转速是不确知的，此时利用变频器向电动机定子绕组提供电流会导致定子绕组产生的旋转磁场与电动机转子之间存在较大的转速差，因而使二者并不匹配。当旋转磁场的转速相对于转子更高时，会在转子中产生很大的电流，容易导致变频器过流跳闸。当旋转磁场的转速相对于转子更低时，转子会受到定子绕组的反向力的作用，进而导致柴油机的传动轴受到反向力的作用，使柴油机的转速突然降低，造成柴油机和螺旋桨的波动。另外，当旋转磁场的转速相对于转子更低时，此时电动机为发电状态，转子将向定子绕组反送能量从而给变频器电容充电，容易使变频器因电容电压过压而跳闸。

因此，现有的柴电混合动力系统在并车过程中容易发生过流跳闸、过压跳闸、柴油机波动等不稳定现象。

另外，由于船舶的使用环境较为复杂，水流变化等因素容易对螺旋桨施加各种方向的作用力，造成柴油机转速的下降或上升。因此，柴油机的转速本身波动也较大，导致旋转磁场与转子之间的转速差也是波动的，这就更加剧了柴电混合动力系统在并车过程中的不稳定性。

此外，在需要将电动机从混合动力系统中撤出时，由于电动机提供的动力突然消失，会使柴油机的转速突然增大，同样会导致柴油机和螺旋桨的波动。柴油机和螺旋桨的波动容易导致齿轮箱的损坏和船舶配电板的波动，影响船舶的整体性能。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种混合动力系统的控制方法。

本发明提供了一种混合动力系统的控制方法，该混合动力系统包括原动机和电动机，所述电动机能够被选择为与所述原动机共同向负载输出机械能，所述控制方法包括：

检测所述原动机的实际转速；

设置所述电动机的目标空载负荷值和目标转速，其中所述目标转速被设置为比所述原动机的实际转速大3～10％；

启动所述电动机，当所述电动机的负荷达到所述目标空载负荷时，并车完成。

本发明提供的控制方法，可以使电动机启动时定子绕组产生的旋转磁场的转速与转子的转速是接近于匹配的，从而可避免过流跳闸、过压跳闸的发生，也可避免电动机的并车对原动机造成的波动，即使是在船舶的工况较为复杂、原动机转速本身波动较大的情况下，也能够保证电动机并车过程中混合动力系统的稳定性。

根据本发明提供的控制方法，其中并车完成后，还包括以下加载步骤：以斜坡函数逐渐增大所述电动机的负荷值。这样，可防止电动机的突然加载对原动机机造成的转速突降。

根据本发明提供的控制方法，其中加载步骤完成后，还包括以下退出并车步骤：以斜坡函数逐渐减小所述电动机的负荷值，当电动机的负荷值降至所述目标空载负荷值时，使电动机退出所述混合动力系统。这样，可防止电动机的突然卸载对原动机机造成的转速突增。

根据本发明提供的控制方法，其中根据所述原动机转速的波动振幅而设置所述目标转速，使所述目标转速被设置为大于所述原动机转速的波动振幅，这样在原动机自身波动较大的情况下，也能够保证电动机并车过程中混合动力系统的稳定性。

根据本发明提供的控制方法，其中所述混合动力系统中，所述电动机的转速与所述原动机的转速保持一致。

根据本发明提供的控制方法，其中所述原动机的实际转速为临近并车之前的某一时刻所述原动机的实际转速。

根据本发明提供的控制方法，其中所述原动机的实际转速为并车之前的一个时间段内所述原动机的平均转速。

根据本发明提供的控制方法，其中所述原动机为柴油机、汽油发动机、电动机中的一个，或其中多个的结合。

根据本发明提供的控制方法，所述负载为船舶的螺旋桨。

本发明还提供一种用于混合动力系统的控制装置该混合动力系统包括原动机和电动机，所述电动机能够被选择为与所述原动机共同向负载输出机械能，所述控制装置包括：

转速检测装置，用于检测所述原动机的实际转速；

参数设置装置，用于设置所述电动机的目标空载负荷值，并根据所述转速检测装置所检测到的所述原动机的所述实际转速设置所述电动机的目标转速，使所述目标转速被设置为比所述原动机的实际转速大3～10％；

启动装置，用于根据所述参数设置装置所设置的所述目标空载负荷值和所述目标转速启动所述电动机，并且当所述电动机的负荷达到所述目标空载负荷时，并车完成。

根据本发明提供的控制装置，其中所述启动装置为变频器。

根据本发明提供的控制装置，其中所述原动机为柴油机、汽油发动机、电动机中的一个，或其中多个的结合。

根据本发明提供的控制装置，其中所述参数设置装置根据所述原动机转速的波动振幅而设置所述目标转速，使所述目标转速被设置为大于所述原动机转速的波动振幅。

本发明提供的混合动力系统的控制方法，可有效避免并车及退出并车过程中发生的过流跳闸、过压跳闸、柴油机波动等不稳定现象。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1为柴电混合动力系统的基本架构。

图2为根据本发明的一个实施例的控制方法的流程图；

图3为根据本发明的一个实施例的控制装置的结构示意图。

附图标记列表

1、柴油机

2、齿轮箱

3、螺旋桨

4、电动机

5、变频器

6、转速检测装置

7、参数设置装置

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本实施例提供一种柴电混合动力系统的控制方法。该柴电混合动力系统的结构如图1所示，包括柴油机1、齿轮箱2、螺旋桨3、电动机4和控制电动机4的变频器5。其中柴油机1通过齿轮箱2将机械能提供到螺旋桨3，从而为船舶提供主要的动力。在柴油机1输出的动力不足以应对工况需要时，电动机4作为辅助的动力推进装置，可被并入到该柴电混合动力系统中，在变频器5的控制下与柴油机1一起工作，通过齿轮箱2向螺旋桨3提供动力。当柴油机的动力足以满足工况需要时，电动机4可以从柴电混合动力系统中撤出，仅由柴油机1提供船舶所需的动力。

如图2的流程图所示，本实施例提供的柴电混合动力系统的控制方法包括以下步骤：

0)检测原动机的实际转速，例如柴油机的实际转速；

1)并车步骤：

a、在启动电动机前，利用变频器设置电动机的目标空载负荷值和目标转速，其中所述目标空载负荷被设置为电动机额定负荷的7％，所述目标转速被设置为接近柴油机当前的实际转速(例如可通过各种仪器仪表等手段得到)并比该实际转速稍大，二者的差值为柴油机当前实际转速的5％；

b、启动电动机，利用变频器向电动机的定子绕组供电，当电动机的实际负荷逐渐升高并达到所设置的目标空载负荷时，并车完成，此时电动机辅助柴油机，二者一起通过齿轮箱向螺旋桨提供机械能。

需要注意的是，无论电动机是否启动，电动机的转子都是随柴油机的传动轴旋转的，电动机转子的转速始终与柴油机的转速相等。通过使电动机的目标转速被设置为接近柴油机当前的实际转速(即电动机转子当前的实际转速)，可以使电动机启动时定子绕组产生的旋转磁场的转速与转子的转速是接近于匹配的，从而可避免过流跳闸、过压跳闸的发生，也可避免电动机的并车对柴油机和螺旋桨的波动。

尽管电动机的目标转速被设置为比柴油机当前的实际转速(即电动机转子当前的实际转速)稍大，但实际上，电动机的转速会始终与柴油机的实际转速相等，因此是达不到该目标转速的。将电动机的目标转速设置为比柴油机实际转速稍大，目的是使电动机的转速一直具有朝向该目标转速发展的趋势。这样，即使柴油机在螺旋桨的作用下会产生转速上的波动，尤其是转速增大的波动，也可以保证电动机的转速一直具有大于柴油机转速的趋势，从而保证电动机不会对柴油机产生反作用力。因此，采用本实施例提供的控制方法，即使是在船舶的工况较为复杂、柴油机转速自身波动较大的情况下，也能够保证电动机并车过程中柴电混合动力系统的稳定性。

2)加载步骤：

在并车结束后，以斜坡函数逐渐增大电动机的实际负荷值，对电动机加载，直到电动机和柴油机向螺旋桨提供的机械能满足工况需要为止。

以斜坡函数逐渐增大电动机的实际负荷值，可使得电动机的负荷值平缓地增大，防止电动机的突然加载对柴油机造成的转速突降，从而避免柴油机和螺旋桨的波动。

斜坡函数的具体类型可根据实际需要而灵活地选择。

3)退出并车步骤：

a、以斜坡函数逐渐减小电动机的负荷值；

b、当电动机的负荷值降至上述目标空载负荷值时，切断变频器对电动机定子绕组的供电，使电动机退出并车。

以斜坡函数逐渐减小电动机的负荷值，可使得电动机的负荷值平缓地降低，防止电动机的突然卸载对柴油机造成的转速突增，从而避免柴油机和螺旋桨的波动。

根据本发明的其它实施例，其中上述并车步骤中所设置的目标空载负荷为电动机额定负荷的7％，但这并非限定性的，可以根据实际需要而做出各种优化的选择，但通常优选为额定负荷的5～10％。

根据本发明的其它实施例，其中上述并车步骤中所设置的目标转速稍大于柴油机实际转速即可实现本发明，而并不仅限于比柴油机实际转速大5％。本发明中的“稍大于”是指，目标转速与柴油机实际转速的差值被设置为大于柴油机转速的波动振幅且不会使变频器过流跳闸的程度。由于实际应用中，柴油机的波动振幅通常在3～10％，因此电动机的目标转速优选为被设置成比柴油机实际转速大3～10％，更优选为大5～8％。可以综合考虑实际应用的船舶、工况等因素，根据柴油机实际转速的波动振幅而选择合适的电动机目标转速。

根据本发明的其它实施例，其中上述并车步骤中的柴油机当前实际转速可以为临近并车之前的某一时刻的柴油机实际转速。考虑到柴油机实际转速的波动性，优选为将并车前的一个时间段内的柴油机平均转速作为该实际转速。

上述实施例中以船舶领域常用的柴电混合动力系统为例，对根据本发明的控制方法进行了描述。但本发明提供的控制方法并不仅仅局限于柴电混合动力系统，也可以应用于电动机与其它类型的原动机构成的混合动力系统。这些原动机例如可包括上述柴油机以外的其它类型的发动机，例如汽油发动机、电动机等，也可以为其它类型的多个发动机的结合体。本领域技术人员可以理解，以上步骤并非严格限定各自之间的时间顺序。

本发明的另一个实施例提供了一种用于混合动力系统的控制装置，可实现上述实施例提供的控制方法。该控制装置的结构如图3所示，包括：

转速检测装置6，用于检测柴油机1的实际转速；

参数设置装置7，用于接收转速检测装置6提供的实际转速，并根据所接收到的实际转速的数值设置电动机4的目标转速值，使该目标转速值被设置为比柴油机1的实际转速大3～10％。参数设置装置7还用于设置电动机4的目标空载负荷值。参数设置装置7将所设置的目标空载负荷值和所设置的目标转速值提供给变频器5，变频器5根据参数设置装置7所设置的目标空载负荷值和目标转速值启动电动机4，并且当电动机4的负荷达到目标空载负荷时，并车完成。应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (13)

1.一种混合动力系统的控制方法，该混合动力系统包括原动机和电动机，所述电动机能够被选择为与所述原动机共同向负载输出机械能，所述控制方法包括：

检测所述原动机的实际转速；

设置所述电动机的目标空载负荷值和目标转速，其中所述目标转速被设置为比所述原动机的实际转速大3～10％；

启动所述电动机，当所述电动机的负荷达到所述目标空载负荷时，并车完成。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其中并车完成后，还包括以下加载步骤：以斜坡函数逐渐增大所述电动机的负荷值。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其中加载步骤完成后，还包括以下退出并车步骤：以斜坡函数逐渐减小所述电动机的负荷值，当电动机的负荷值降至所述目标空载负荷值时，使所述电动机退出所述混合动力系统。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其中根据所述原动机转速的波动振幅而设置所述目标转速，使所述目标转速被设置为大于所述原动机转速的波动振幅。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其中所述混合动力系统中，所述电动机的转速与所述原动机的转速保持一致。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其中所述原动机的实际转速为临近并车之前的某一时刻所述原动机的实际转速。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其中所述原动机的实际转速为并车之前的一个时间段内所述原动机的平均转速。

8.根据权利要求1所述的控制方法，其中所述原动机为柴油机、汽油发动机、电动机中的一个，或其中多个的结合。

9.根据权利要求1所述的控制方法，所述负载为船舶的螺旋桨。

10.一种用于混合动力系统的控制装置，该混合动力系统包括原动机和电动机，所述电动机能够被选择为与所述原动机共同向负载输出机械能，所述控制装置包括：

转速检测装置，用于检测所述原动机的实际转速；

参数设置装置，用于设置所述电动机的目标空载负荷值，并根据所述转速检测装置所检测到的所述原动机的所述实际转速设置所述电动机的目标转速，使所述目标转速被设置为比所述原动机的实际转速大3～10％；

启动装置，用于根据所述参数设置装置所设置的所述目标空载负荷值和所述目标转速启动所述电动机，并且当所述电动机的负荷达到所述目标空载负荷时，并车完成。

11.根据权利要求10所述的控制装置，其中所述启动装置为变频器。

12.根据权利要求10所述的控制装置，其中所述原动机为柴油机、汽油发动机、电动机中的一个，或其中多个的结合。

13.根据权利要求10所述的控制装置，其中所述参数设置装置根据所述原动机转速的波动振幅而设置所述目标转速，使所述目标转速被设置为大于所述原动机转速的波动振幅。