CN107161314B - 一种适用于小型高速无人艇的多工况油电混合推进系统 - Google Patents

一种适用于小型高速无人艇的多工况油电混合推进系统 Download PDF

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Abstract

一种适用于小型高速无人艇的多工况油电混合推进系统，属于船舶动力系统技术领域。该系统主要由发动机、两个离合器、动力分离与合成装置、主发电机/辅电动机、主电动机/辅发电机、两个变流器、锂离子蓄电池组、电池电源充电器、螺旋桨推进器组成。可以构成纯电动、油电轻混、油电强混三种工作模式，三种工作模式可根据实际工况进行切换。这种推进系统通过发动机、电动机的有效配合，可充分利用电动机扭矩大且低转速时功率输出高的特性和发动机大功率输出出现在高转速区的特性，使发动机、电动机始终在最高效率区工作，可以实现良好的燃油经济性和排放性能，同时提高了船舶的可靠性与机动性、增强了续航能力和自持力，具备适应多工况作业的能力。

Description

一种适用于小型高速无人艇的多工况油电混合推进系统
技术领域
本发明涉及一种适用于小型高速无人艇的多工况油电混合推进系统，属于船舶动力系统技术领域。
背景技术
在全球化进程中，船舶与航运发挥了不可取代的作用，但与此同时，船舶和航运业在管控温室气体排放及应对气候变化方面的速度却远远落后于全球其他行业去碳化的进程。转变发展方式、开展绿色航运已经成为船舶行业乃至整个航运业的共识。而油电混合型船舶由于其经济性和环保性方面的优势，已经成为船舶行业的一大热门。
目前国内外油电混合型船舶动力系统的模式主要有：串联式柴电混合动力系统；PTO/PTI可逆电机模式柴电混合动力系统。串联式柴电混合动力系统基本原理是将由主推进柴油机带动的螺旋桨和由主发电机/辅电动机供电的全回转吊舱组合用于推进，两个螺旋桨安装在没有物理连接的同一轴线上；PTO/PTI可逆电机模式柴电混合动力系统，其中电机既可以做发电机用，也可以逆变成电动机使用，从而实现混合动力的目的。
上述各种模式下的混合动力推进系统虽然降低了船舶主机运行过程中的油耗与污染，也在一定程度上实现了节能减排、降低运营成本的目标，但各个系统的研究设计大多都针对于大型远洋船舶，真正应用于小船的并不多。
无人艇方面，目前多个国家都开展了无人艇技术的相关研究,美国和以色列在无人艇研究和应用方面走在世界前列,国内对无人艇的研究还处在概念设计阶段,与国外相比还有较大的差距。一般的小型无人艇具备巡逻安防、地貌测绘、水产养殖、遥控测量等一种或多种功能，甚至可搭载水下机器人、无人机等，因此对自主航行、自带避障、续航能力和航速、船舶动力系统的性能等要求较高。而现有的小型无人艇多采用单一的电动或燃油驱动，存在着或自主航行性能差、操纵性低，或经济性和环保性低、可靠性差等问题，或不能满足航速范围宽、续航力大的需要等。
发明内容
针对上述现状和相关技术存在的问题，本发明提供了一种适用于小型高速无人艇的多工况油电混合推进系统。该发明旨在通过发动机、电动机的有效配合，达到节能减排、提高可靠性与机动性、增强续航能力的效果。
本发明所采取的技术方案为：一种适用于小型高速无人艇的多工况油电混合推进系统，它包括燃油舱、供油泵、发动机、第一离合器和螺旋桨推进器，它还包括第二离合器、动力分离与合成装置、主发电机/辅电动机、主电动机/辅发电机、第一变流器、第二变流器、锂离子蓄电池组和电池电源充电器，所述燃油舱通过供油泵与发动机连接,发动机与动力分离与合成装置之间安装有第一离合器，动力分离与合成装置机械连接主发电机/辅电动机；所述主发电机/辅电动机通过第二变流器与锂离子蓄电池组电连接，锂离子蓄电池组还连接外接充电的电池电源充电器；所述动力分离与合成装置与主电动机/辅发电机之间安装有第二离合器，主电动机/辅发电机不仅通过第一变流器与锂离子蓄电池组电连接，还连接螺旋桨推进器；所述主发电机/辅电动机和主电动机/辅发电机均采用交流电动、发电两用电机；所述油电混合推进系统包括纯电动模式、油电轻混模式和油电强混模式，所述纯电动模式包含单电动机驱动工作状态和双电动机驱动工作状态；所述油电轻混模式包含发动机单独驱动并带动辅发电机发电工作状态和发动机带动主发电机发电工作状态；所述油电强混模式包含发动机、主电动机和辅电动机联合驱动工作状态和发动机、主电动机混合驱动并带动主发电机发电工作状态。
所述单电动机驱动工作状态采用第一离合器、第二离合器断开，电流流向为锂离子蓄电池组经第一变流器到主电动机/辅发电机，动力传递路线为主电动机/辅发电机到螺旋桨推进器；所述双电动机驱动工作状态采用第一离合器断开、第二离合器闭合，电流流向为锂离子蓄电池组分别经第二变流器、第一变流器到主发电机/辅电动机和主电动机/辅发电机，动力传递路线为主发电机/辅电动机经动力分离与合成装置、第二离合器与主电动机/辅发电机的动力结合共同驱动螺旋桨推进器。
所述发动机单独驱动并带动辅发电机发电工作状态采用第一离合器、第二离合器闭合，电流流向为主电动机/辅发电机经第一变流器到锂离子蓄电池组；动力传递路线为发动机经第一离合器、动力分离与合成装置和第二离合器，用一部分动力驱动主电动机/辅发电机发电，另一部分动力驱动螺旋桨推进器；所述发动机带动主发电机发电工作状态采用第一离合器闭合，第二离合器断开，电流流向为主发电机/辅电动机经第二变流器到锂离子蓄电池组，动力传递路线为发动机经第一离合器、动力分离与合成装置驱动主发电机/辅电动机发电。
所述发动机、主电动机和辅电动机联合驱动工作状态采用第一离合器、第二离合器闭合，电流流向为锂离子蓄电池组经第一变流器和第二变流器分别到主电动机/辅发电机和主发电机/辅电动机；动力传递路线为发动机经第一离合器与主发电机/辅电动机一起经动力分离与合成装置完成一次动力混合，由一次动力混合经第二离合器与主电动机/辅发电机完成二次动力混合，再由二次动力混合驱动螺旋桨推进器；所述发动机、主电动机混合驱动并带动主发电机发电工作状态采用第一离合器、第二离合器闭合，电流流向分为主发电机/辅电动机经第二变流器到锂离子蓄电池组，锂离子蓄电池组经第一变流器到主电动机/辅发电机；动力传递路线为发动机经第一离合器传递动力至动力分离与合成装置，动力分离与合成装置用一部分动力驱动主发电机/辅电动机发电，用另一部分动力经第二离合器、主电动机/辅发电机驱动螺旋桨推进器。
本发明的有益效果是：这种油电混合推进系统的发动机与动力分离与合成装置之间安装有第一离合器，动力分离与合成装置机械连接主发电机/辅电动机；主发电机/辅电动机通过第二变流器与锂离子蓄电池组电连接，锂离子蓄电池组还连接外接充电的电池电源充电器；动力分离与合成装置与主电动机/辅发电机之间安装有第二离合器，主电动机/辅发电机不仅通过第一变流器与锂离子蓄电池组电连接，还连接螺旋桨推进器；主发电机/辅电动机和主电动机/辅发电机均采用交流电动、发电两用电机；油电混合推进系统包括纯电动模式、油电轻混模式和油电强混模式。
该油电混合推进系统在收集多余动能、降低油耗及提升动力系统性能优良，续航能力与自持力强；在无人艇发动机发生故障的情况下仍能依靠主电动机/辅发电机稳定航行；可充分利用电动机扭矩大且低转速时功率输出高的特性和发动机大功率输出出现在高转速区的特性，选择较小的发动机，从而提高发动机的负荷率；由于整套系统的存在，发动机始终在最高效率区以输出恒定功率的方式工作，可以有效的改善发动机的燃油消耗；增加第二离合器，可使得无人艇上的水下机器人、无人机等设备在作业过程中，无人艇发动机的怠速工况并没有浪费；增加电池电源充电器可以使用岸电对无人艇进行充电；具备适应多工况作业的能力。
附图说明
图1是一种适用于小型高速无人艇的多工况油电混合推进系统图。
图2是单电动机驱动工作状的电力和动力传递路线图。
图3是双电动机驱动工作状态的电力和动力传递路线图。
图4是发动机单独驱动并带动辅发电机发电工作状态的电力和动力传递路线图。
图5是发动机带动主发电机发电工作状态的电力和动力传递路线图。
图6是发动机、主电动机和辅电动机联合驱动工作状态的电力和动力传递路线图。
图7是发动机、主电动机混合驱动并带动主发电机发电工作状态的电力和动力传递路线图。
图8是制动能量回收电力和动力传递路线图。
图9是工作模式的切换与能量管理流程图。
图中：1、燃油舱，2、供油泵，3、发动机,4、第一离合器，5、第二离合器，6、动力分离与合成装置，7、主发电机/辅电动机，8、主电动机/辅发电机，9、第一变流器，10、第二变流器，11、锂离子蓄电池组，12、电池电源充电器,13、螺旋桨推进器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
这种适用于小型高速无人艇的多工况油电混合推进系统包括燃油舱1、供油泵2、发动机3、第一离合器4、第二离合器5、动力分离与合成装置6、主发电机/辅电动机7、主电动机/辅发电机8、第一变流器9、第二变流器10、锂离子蓄电池组11、电池电源充电器12和螺旋桨推进器13。当无人艇处于不同的工作模式时，系统中参与工作的部件数量不同，其电力和动力（机械力）传递路线亦有所不同。由于船用发动机不能在低速区输出较大扭矩，但是电动机在低速区可以高效地完成起步。因此在无人艇航行之初，锂离子蓄电池组池11处于电量饱满状态，利用电动机启动时低速大扭矩这个特性，使用锂离子蓄电池组11提供的电力启动。此时的工作状态为第一离合器4断开，主电动机/辅发电机作8为动力输出源，主发电机/辅电动机7和发动机3均不工作。此时的电力、动力(机械力)的传递路线如图2所示。若系统检测到无人艇阻力过大，扭矩需求过高，主电动机/辅发电机8扭矩不足，则主发电机/辅电动机7自动切换到主发电机/辅电动机7模式，并提供动力。此时的电力、动力(机械力)的传递路线如图3所示。
无人艇中低速航行阶段（即低速巡航时），此时发动机3仍处于低效高耗状态，而电动机在中低速时效率较高。因此，船舶在中低速航行阶段，混合动力系统使用锂离子蓄电池组11的电能驱动高效的主电动机/辅发电机8前进。此时的电力、动力(机械力)的传递路线如图2所示。
巡航过程中，若系统检测到锂离子蓄电池组11低于一定值，则发动机3启动，并单独驱动螺旋桨推进器13同时主电动机/辅发电机8自动切换到辅发电机模式。此时的工作状态为第一离合器4、第二离合器5均闭合，发动机3作为动力输出源。此时的电力、动力(机械力)的传递路线如图4所示。若遭遇恶劣天气等无人艇需要紧急加速或全速航行的情况，则发动机3启动，主发电机/辅电动机7自动切换到辅电动机模式，第一离合器4、第二离合器5均闭合，辅发电机、发动机3、主发电机共同驱动螺旋桨推进器13。此时的电力、动力(机械力)的传递路线如图6所示。
当发动机3需要热机或无人艇上的水下机器人等设备用电量较大而锂离子蓄电池组11电量低于一定值且周围无可用岸电时，第一离合器4闭合，第二离合器5断开，发动机3和主发电机工作。此时的电力、动力(机械力)的传递路线如图5所示。
无人艇遇到需要拖拽渔网、拖拽水下机器人等负载较大的情况，系统切入发动机动力作为主要动力源,由发动机3产生的动力直接驱动螺旋桨推进器13，同时部分动力被分配给主发电机给锂离子蓄电池组11充电。此时的电力、动力(机械力)的传递路线如图7所示。
无人艇减速航行时，采用制动能量回收模式工作，此时发动机3停止工作。第一离合器4闭合，第二离合器5断开，主发电机工作，主电动机/辅发电机8切换为辅发电机工作模式。此时的电力、动力(机械力)的传递路线如图8所示。
由于锂离子蓄电池组11的存在，使发动机3工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。工作模式的选择取决于船舶负载条件和系统自身的电量储备，可根据一定的逻辑规则自动选择，也可由人工遥控选择。工作模式的切换与能量管理流程如图9所示。

Claims (1)

1.一种适用于小型高速无人艇的多工况油电混合推进系统，它包括燃油舱（1）、供油泵（2）、发动机（3）、第一离合器（4）和螺旋桨推进器（13），它还包括第二离合器（5）、动力分离与合成装置（6）、主发电机/辅电动机（7）、主电动机/辅发电机（8）、第一变流器（9）、第二变流器（10）、锂离子蓄电池组（11）和电池电源充电器（12），所述燃油舱（1）通过供油泵（2）与发动机（3）连接,发动机（3）与动力分离与合成装置（6）之间安装有第一离合器（4），动力分离与合成装置（6）机械连接主发电机/辅电动机（7）；所述主发电机/辅电动机（7）通过第二变流器（10）与锂离子蓄电池组（11）电连接，锂离子蓄电池组（11）还连接外接充电的电池电源充电器（12）；所述动力分离与合成装置（6）与主电动机/辅发电机（8）之间安装有第二离合器（5），主电动机/辅发电机（8）不仅通过第一变流器（9）与锂离子蓄电池组（11）电连接，还连接螺旋桨推进器（13）；所述主发电机/辅电动机（7）和主电动机/辅发电机（8）均采用交流电动、发电两用电机；所述油电混合推进系统包括纯电动模式、油电轻混模式和油电强混模式，所述纯电动模式包含单电动机驱动工作状态和双电动机驱动工作状态；所述油电轻混模式包含发动机单独驱动并带动辅发电机发电工作状态和发动机带动主发电机发电工作状态；所述油电强混模式包含发动机、主电动机和辅电动机联合驱动工作状态和发动机、主电动机混合驱动并带动主发电机发电工作状态；所述单电动机驱动工作状态采用第一离合器（4）、第二离合器（5）断开，电流流向为锂离子蓄电池组（11）经第一变流器（9）到主电动机/辅发电机（8），动力传递路线为主电动机/辅发电机（8）到螺旋桨推进器（13）；所述双电动机驱动工作状态采用第一离合器（4）断开、第二离合器（5）闭合，电流流向为锂离子蓄电池组（11）分别经第二变流器（10）、第一变流器（9）到主发电机/辅电动机（7）和主电动机/辅发电机（8），动力传递路线为主发电机/辅电动机（7）经动力分离与合成装置（6）、第二离合器（5）与主电动机/辅发电机（8）的动力结合共同驱动螺旋桨推进器（13）；所述发动机单独驱动并带动辅发电机发电工作状态采用第一离合器（4）、第二离合器（5）闭合，电流流向为主电动机/辅发电机（8）经第一变流器（9）到锂离子蓄电池组（11）；动力传递路线为发动机（3）经第一离合器（4）、动力分离与合成装置（6）和第二离合器（5），用一部分动力驱动主电动机/辅发电机（8）发电，另一部分动力驱动螺旋桨推进器（13）；所述发动机带动主发电机发电工作状态采用第一离合器（4）闭合，第二离合器（5）断开，电流流向为主发电机/辅电动机（7）经第二变流器（10）到锂离子蓄电池组（11），动力传递路线为发动机（10）经第一离合器（4）、动力分离与合成装置（6）驱动主发电机/辅电动机（7）发电；其特征是：所述发动机、主电动机和辅电动机联合驱动工作状态采用第一离合器（4）、第二离合器（5）闭合，电流流向为锂离子蓄电池组（11）经第一变流器（9）和第二变流器（10）分别到主电动机/辅发电机（8）和主发电机/辅电动机（7）；动力传递路线为发动机（3）经第一离合器（4）与主发电机/辅电动机（7）一起经动力分离与合成装置（6）完成一次动力混合，由一次动力混合经第二离合器（5）与主电动机/辅发电机（8）完成二次动力混合，再由二次动力混合驱动螺旋桨推进器（13）；所述发动机、主电动机混合驱动并带动主发电机发电工作状态采用第一离合器（4）、第二离合器（5）闭合，电流流向分为主发电机/辅电动机（7）经第二变流器（10）到锂离子蓄电池组（11），锂离子蓄电池组（11）经第一变流器（9）到主电动机/辅发电机（8）；动力传递路线为发动机（3）经第一离合器（4）传递动力至动力分离与合成装置（6），动力分离与合成装置（6）用一部分动力驱动主发电机/辅电动机（7）发电，用另一部分动力经第二离合器（5）、主电动机/辅发电机（8）驱动螺旋桨推进器（13）。
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