CN111688897A - 用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置，包括固定至船舶尾部的船尾连接架，其特征在于还包括航行浮体和航行浮体连接架，航行浮体下部设有至少一个电动螺旋桨，航行浮体内设有电动螺旋桨的驱动器和电池仓，电池仓内设有电池同电动螺旋桨和驱动器电连接；航行浮体连接架通过可拆式连接机构同船尾连接架刚性连接，而航行浮体经铰链式连接机构连接至航行浮体连接架上可相对航行浮体连接架上下摆动，还包括设于船舶上同电动螺旋桨的驱动器通过有线或无线方式通信控制的控制器。本发明用以解决燃油机动船舶的污染问题和内置电池的电动船舶的续航问题，且能够适应船舶的任意吃水深度，与船舶的连接可靠性好。

Description

用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置

技术领域

本发明涉及一种用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置。

背景技术

随着社会的高速发展，燃油(柴油或汽油)机动车船数量极速增加，在改善人们的生活同时，也带来了空气的严重污染。近几年，国家为减少空气污染采取了各种措施，特别大力推动了对新能源汽车的扶持政策。因此，在短短几年内，从电池、电机、控制系统、整车技术都在快速发展，电动车比例也在迅速增加。相对汽车而言，船舶的单位马力排污量远比汽车更为严重。根据江苏省环境检测中心2014年12月公布的《江苏省船舶大气污染物研究报告》，对我国水运情况及船舶污染做了非常详细的调查。与世界船舶相比，我国船舶发动机缺陷明显，低端柴油机大量应用，因此与国际水平存在很大差距。在船用柴油机大气污染方面，我国的排放远远高于欧美发达国家的水平。随着我国经济的进一步发展，船舶污染也会越来越严重，因此如何控制和减少船舶的尾气排放，已迫在眉睫。

当然出于对污染的控制，目前能想到的比较好的方法即采用内置电池的电动船(电池和电驱动设备直接安装于船体的船舶)来替代燃油机动船，但考虑到商用船舶单次行驶时间较长的连续续航问题以及电池成本昂贵的问题，如果采用内置电池则无法适用于商用船舶的应用环境，其缺陷主要表现在以下几个方面：

1)商用长距离运输往往要24小时运行，但这类电动船单次充电续航里程通常较短；即便个别船舶采用超大容量的电池，依旧无法满足长途航行需求，且超大容量电池反而带来更换不便、价格昂贵以及充电耗时长的问题，无法保证船舶的使用周期和效率；

2)考虑船舶本身卸货修整的时间，其实际航行时间不足1/3，所以电动船的电池充电次数少，利用率极低，甚至几十年都达不到电池循环寿命，船东无法收回电池投入成本；

3)对于这类电动船的充电，大电流充电桩距离远，充电线缆重，损耗大；

4)这类电动船的船体大，充电时间长，以现有码头和港口的泊位数量，无法提供足够的可充电泊位(500吨船为例，1km河岸只能设立不足20个充电泊位)；

5)新船首次投资成本太高，内河航运的低成本结构无法承受；

6)单船电量大，安全要求等级远高于汽车，且大规格电池由于直接安装在船体上，一旦发生危险后果不堪设想。

此外，如果对于现行各类船体均进行电动改造或者直接采用电动船替代现行船只，显然是非常不现实的事情，因船舶规格不一，无法实现批量生产、改造和认证，处理难度大，而且会造成大量的现行船舶的船体的废弃，大量的资源被浪费。

发明内容

本发明目的是：提供一种用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置，其作为独立的装置为现行船舶提供航行动力，以解决目前燃油机动船的污染问题和内置电池的电动船舶的续航问题，并且这种外挂电动推进装置能够适应船舶的任意吃水深度，与船舶的连接可靠性好。

本发明的技术方案是：一种用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置，包括固定至船舶尾部的船尾连接架，其特征在于还包括航行浮体和航行浮体连接架，航行浮体下部设有至少一个电动螺旋桨，航行浮体内设有连接驱动电动螺旋桨运转的驱动器和电池仓，电池仓内设有电池同电动螺旋桨及其驱动器电连接；航行浮体连接架通过可拆式连接机构同船尾连接架刚性连接，而航行浮体通过一种铰链式连接机构连接至航行浮体连接架上可相对航行浮体连接架上下摆动，还包括设于船舶上同电动螺旋桨的驱动器通过有线或无线方式通信控制的控制器，该控制器用于控制电动螺旋桨的正反转及转速。

当设置两个以上的电动螺旋桨时，它们在航行浮体上可以是纵向或横向并排布置，或者高低，前后错位布置，本发明对此没有限制。

进一步的，本发明中所述铰链式连接机构包括沿船舶宽度方向分布的若干铰接式单元连接机构，且至少包含对称分布于航行浮体左右两侧的两个铰接式单元连接机构，每个铰接式单元连接机构为单根弹性连接杆，或者由平行且沿纵向分布的多根弹性连接杆组成的弹性连接杆组，每根弹性连接杆的两端分别与航行浮体连接架和航行浮体铰接。

更进一步的，本发明中所述弹性连接杆为弹簧或弹簧钢杆。

需要指出，当本发明中所述船舶为现行的带有转向舵的船舶时，例如现行的引擎动力推进船，包括现有的燃油(柴油和汽油)机动船和内置电池的电动船，或者风力推进船(帆船)等；在这种前提下，所述电动螺旋桨可以采用常规的角度固定式电动螺旋桨，船舶的行驶方向由其自身的转向舵来控制。这种设计方案使得船舶上的控制器仅用于控制电动螺旋桨的前进和后退。

当然，需要指出，本发明中提到的船舶除了上面提到的现行引擎动力推进船和风力推进船外，也可以是人力推进船(如划桨船)；或者无动力船，例如驳船，或者其它专门制造用于载货运人的无自航能力的船舶，这类船舶上通常都没有转向舵；为此比较优选的设计方案中，我们将电动螺旋桨采用现有的全回转式电动螺旋桨，通过控制器可以进一步控制这类全回转式电动螺旋桨的转向角度，从而控制外挂电动推进装置本身和由其驱动的船舶的行驶方向。应该说全回转式电动螺旋桨的设计也给予了外挂电动推进装置本身足够的航行自由性，方便其与船舶的对接，尤其便利于船舶在航行时(非靠岸状态)的对接。

或者电动螺旋桨采用角度固定式电动螺旋桨，我们在航行浮体上进一步安装电动转向舵，即采用角度固定式电动螺旋桨和电动转向舵的组合。并且电动螺旋桨同电动转向舵一同并列设于航行浮体下方，或者也可以将电动螺旋桨固定至电动转向舵上，再由电动转向舵装于航行浮体下方；电动转向舵的驱动器设于航行浮体内，并由船舶上的控制器通过有线或无线方式通信控制，同时所述电池仓内的电池同电动转向舵及其驱动器电连接。

当然需要说明，即便采用了全回转式电动螺旋桨或者角度固定式电动螺旋桨和电动转向舵的组合，在实际航行时，对于现行具备航行转向能力的船舶而言，如前面提到的带有转向舵的引擎动力推进船和风力推进船而言，其航行方向依旧可由其自身的转向舵来控制。

当然，无论是角度固定式电动螺旋桨，还是全回转式电动螺旋桨，还是电动转向舵，其本身均为目前较为成熟的技术，包括其驱动器和与控制器的连接控制技术均为业内公知技术。

通常情况下，本发明是被布置于充电码头，在船体靠岸的情况下进行对接安装，当然也可以采用换电船拖行至船舶的航行位置进行安装操作。

进一步的，本发明中所述可拆式连接机构包含连接船尾连接架和航行浮体连接架的两个以上的可拆式连接单元机构，且至少有两个可拆式连接单元机构在船舶宽度方向上等高或错位分布，用于减少电驱动装置在水平方向内相对船舶的维度自由，提高其与船舶的连接稳定性和可靠性。

每个可拆式连接单元机构选自弹簧扣环机构、卡扣机构、套杆机构、手动机械锁扣机构、电动机械锁扣机构、电磁锁扣机构中的一种，均包括设于船尾连接架上的母端连接机构和设于航行浮体连接架上与母端连接机构配合的公端连接机构。

可拆式连接机构的设计目的是方便船尾连接架和航行浮体连接架之间的快速对接和可靠固定。公端连接机构和母端连接机构的设计形式及它们的配合结构多种多样，均为目前行业内常见的快速连接机构，上面的例举并非穷举。

以现有的弹簧扣环机构为例，其由弹簧扣环本体和与之配合的连接环或连接杆构成，我们将弹簧扣环本体作为公端连接机构固定或一体设计在航行浮体连接架上，而将连接环或者连接杆作为母端连接机构固定在船尾连接架上。这样只需推进弹簧扣环本体，使其卡住连接环或者连接杆内就能完成连接。

当然，出于便利的考虑，所述可拆式连接单元机构也倾向于采用电动连接机构，例如一种电动机械锁扣机构，其母端连接机构为设于船尾连接架上的纵向或者横向布置的连接杆，而公端连接机构包括摆块、固定至航行浮体连接架上的锁扣座和伸缩电机，摆块中间铰接设于锁扣座上，其一端成型用于扣在连接杆上的锁勾，而另一端与伸缩电机的输出杆铰接，由伸缩电机驱动绕与锁扣座的铰接点摆动，带动锁勾扣住连接杆或者与连接杆脱开。

更进一步的，本发明中所述航行浮体连接架上还设有若干辅助U形卡扣，同船尾连接架上的连接杆过盈卡设配合。辅助U形卡扣用于航行浮体连接架和船尾连接架的辅助对位，卡设对位好后，进行可拆式连接机构的连接安装。

进一步的，本发明中所述电池浮仓内设有与电池相连的BMS模块，该BMS模块与船舶上的控制器通过有线或无线方式通信连接。同已知技术一样，BMS模块用于采集电池信息，包含剩余电量的监测，电池安全状态的监控，并用于向控制器输出低电量告警信息。

本发明中所述控制器与电动螺旋桨的驱动器的有线连接方式是指将两者的通信线路通过带有电接插件的电缆的形式直接相连，而无线连接方式是指通过红外通信、无线电通信，或者借助已有的wifi、4G、5G等网络通信方式进行远程连接控制。

本发明的优点是：

1)本发明是一种独立的外挂装置，其可用作任意现行船舶的航行动力装置，尤其当燃油机动船应用本发明后可以关闭本身的燃油驱动装置，实现零排放无噪音工作，很好的解决目前船舶的污染问题以及噪音问题。而现行的内置电池的电动船舶应用本发明后可以有效解决续航问题，因为本发明具备可快速更换的特性，可以持续为船体提供航行驱动力，并减少为船只购入和更换昂贵的内置电池的成本投入。

2)本发明在自身结构设计上的一个特点是将载有电动螺旋桨和电池的航行浮体通过铰链式连接机构连接至船尾，从而可相对船舶上下摆动，其带来的好处是使得航行浮体能够迎合船舶吃水深度上下浮动，以确保电动螺旋桨始终位于水面(船舶吃水线)下方。因为假设如果航行浮体是相对船尾刚性连接的，那么对于大吨位吃水深度深的船舶，其满载时电动螺旋桨是位于水面下方的，但空载时有可能被抬出水面，这无疑是要避免的。

3)以目前常见的1000吨船舶为例，本发明在实际应用时其电动螺旋桨的设计重量可能只要2吨，但航行浮体加上电池仓内电池的重量往往要20吨重，如果将航行浮体整体刚性连接至船舶尾部，那么对于连接处的受力是个非常大的考验。且尤其当船舶在风浪里颠簸时，由于杠杆原理，船舶与航行浮体的连接部位要承受非常大的各向应力，这些力往往要达到数百吨，即便再稳靠的连接结构也是无法长期承受的，导致连接稳定性大大降低。严重时甚至导致连接部位损坏，使得外挂电动推进装置与船舶断开。

当然，本发明将载有电动螺旋桨和电池的航行浮体通过铰链式连接机构连接至船尾的设计，是一种柔性连接的设计，相对于刚性的连接方式，减弱了航行时航行浮体与船舶连接部位承受的内部应力，减轻了船舶负担，尤其避免航行浮体与船尾连接架在风浪颠簸中承受巨大剪切力的问题，大大提高了外挂电动推进装置与船舶的连接稳定性和可靠性。

4)本发明可广泛应用在内陆的江河湖泊、水库等任何水域内的现行船舶上，应用范围广，尤其当本发明应用至无动力船的船体上后，可以逐步减少现行燃油机动船的使用，很好的解决目前船舶的污染问题以及噪音问题。

5)本发明可被推广应用在内陆的江河湖泊、水库等任何水域，应用范围广，并且在相同动力(驱动功率)、使用条件(往返次数和往返航程)前提下，传统燃油机动船，相比采用本发明外挂电动推进装置的船舶，其每年运营成本都将大大节约。下面以现行的1000吨柴油机动船为例，其本身采用单台300kw的柴油发动机，而本方案的外挂电动推进装置如设置单个200kw的电机作为动力(电动螺旋桨)，且配备1组电池为每个电机供能，每组电池525度电，价值42万元，那么两者能耗成本比较见下表：

由上表可知，单位里程的电费为油费的约28.78％，节省近72％。每组电池525度电，可使用电量为420度电，为本方案外挂电动推进装置的每个电动螺旋桨配备1组电池，总价值42万元。按照电池寿命6000次计算，每次折旧70元，每一年折旧费用为4.9万元。一年以350天运营计算，采用本方案的外挂电动推进装置后船舶每年可节省约41万元。

6)本发明实际使用时，只要在现行船舶的船体上做极小的改动，预先焊接船尾连接架，并相应设置可拆式连接机构的母端连接机构，以及增加一个控制器即可，改造成本低，易于实施和推广。

7)本发明使用时完全不改变现行船舶的动力、操作机构，在不使用本发明的外挂电动推进装置时，其仍可自由航行，并且仍由原驾驶员驾驶，无需专业人员操作。

8)本发明同现行船舶的船体之间的对接装拆极为方便，几乎可在不停船的情况下几分钟完成更换，进而大大提升续航能力。

9)本发明相对于船舶是独立的外挂装置，万一本发明的电池浮仓内的电池发生意外着火甚至爆炸，可以将其脱开，而不会危及船舶本身，相比于直接将电池安装至船舶上的现行内置电池的电动船，具有更高的使用安全性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的一种具体实施例的结构主视图(省略船尾连接架和控制器)；

图2为图1的结构俯视图；

图3为图1的立体结构示意图；

图4为实施例1在现行船舶上的使用状态主视图；

图5为实施例1中的可拆式连接机构的立体展示图；

图6为实施例1的可拆式连接机构的单个可拆式连接单元机构的连接状态变化示意图(闭合状态至脱开状态)。

其中：1、船舶；2、船尾连接架；2a、连接杆；3、航行浮体；4、航行浮体连接架；5、电动螺旋桨；6、弹性连接杆；7、摆块；8、锁扣座；9、伸缩电机；10、锁勾；11、辅助U形卡扣。

具体实施方式

实施例1：结合图1～图6所示，为本发明提供的用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置的一种具体实施方式，其用于推动的船舶1为目前常见的柴油货船，下面我们对其进行详细说明：

这种用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置整体由预先焊接至船舶1尾部的船尾连接架2、通过可拆式连接机构同船尾连接架2刚性连接的航行浮体连接架4、通过铰链式连接机构连接至航行浮体连接架4上的航行浮体3、固定在航行浮体3下部的电动螺旋桨5、设于航行浮体3内连接驱动电动螺旋桨5运转的驱动器和电池仓、设于电池仓内同电动螺旋桨5及其驱动器电连接的电池、设于航行浮体3内与电池连接BMS模块，以及设于船舶1上与电动螺旋桨5的驱动器和BMS通过无线方式通信连接的控制器这些部件共同构成。

结合图1～图3所述，本实施例中所述铰链式连接机构由沿船舶1宽度方向分布的两个铰接式单元连接机构组成，且这两个铰链式单元连接机构对称分布于航行浮体3左右两侧，每个铰接式单元连接机构为由平行且沿纵向分布的两根弹性连接杆6组成的弹性连接杆组，每根弹性连接杆6的两端分别与航行浮体连接架4和航行浮体3铰接。

本实施例中所述弹性连接杆6为弹簧。

本实施例中的所述电动螺旋桨5采用现行的全回转式电动螺旋桨，船舶1上的控制器用于控制这种全回转式电动螺旋桨的正反转、转速和转向角度。

本发明中航行浮体3与航行浮体连接架4是通过铰链式连接机构预先连接好的。而航行浮体连接架4与船舶1上的船尾连接架2的安装则要在实际使用过程中来进行，也即是借助可拆式连接机构实现船尾连接架2和航行浮体连接架4的连接。

具体结合图4～图6所示，本实施例中的可拆式连接机构由连接船尾连接架2和航行浮体连接架4的两个左右对称设置的可拆式连接单元机构构成，这两个可拆式连接单元机构在船舶1宽度方向上等高。出于操作便利的设计考虑，本实施例中的每个可拆式连接单元机构均为电动机械锁扣机构，由设于船尾连接架2上的母端连接机构和设于航行浮体连接架4上与母端连接机构配合的公端连接机构构成。其母端连接机构为设于船尾连接架2上的纵向布置的连接杆2a，而公端连接机构由摆块7、固定至航行浮体连接架4上的锁扣座8和伸缩电机9，摆块7中间铰接设于锁扣座8上，其一端成型用于扣在连接杆2a上的锁勾10，而另一端与伸缩电机9的输出杆铰接，由伸缩电机9驱动绕与锁扣座8的铰接点摆动，带动锁勾10扣住连接杆2a或者与连接杆2a脱开，具体见图6所示。

并且结合图5所示，本实施例中在所述航行浮体连接架4上对应每个可拆式连接单元机构都设有位于母端连接机构上方和下方的两个辅助U形卡扣11，用于同船尾连接架2上的连接杆2a过盈卡设配合。辅助U形卡扣11用于航行浮体连接架4和船尾连接架2的辅助对位，卡设对位好后，进行可拆式连接机构的连接安装。

本实施例所推行的船舶为现行的1000吨柴油货船，其本身采用单台300kw的柴油发动机，而本方案的外挂电动推进装置如设置单个200kw的电机作为动力(电动螺旋桨)，且配备1组电池为每个电机供能，每组电池525度电，价值42万元，那么两者能耗成本比较见下表：

由上表可知，单位里程的电费为油费的约28.78％，节省近72％。每组电池525度电，可使用电量为420度电，为本方案外挂电动推进装置的每个电动螺旋桨配备1组电池，总价值42万元。按照电池寿命6000次计算，每次折旧70元，每一年折旧费用为4.9万元。一年以350天运营计算，采用本方案的外挂电动推进装置后船舶每年可节省约41万元。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置，包括固定至船舶(1)尾部的船尾连接架(2)，其特征在于还包括航行浮体(3)和航行浮体连接架(4)，航行浮体(3)下部设有至少一个电动螺旋桨(5)，航行浮体(3)内设有连接驱动电动螺旋桨(5)运转的驱动器和电池仓，电池仓内设有电池同电动螺旋桨(5)及其驱动器电连接；航行浮体连接架(4)通过可拆式连接机构同船尾连接架(2)刚性连接，而航行浮体(3)通过一种铰链式连接机构连接至航行浮体连接架(4)上可相对航行浮体连接架(4)上下摆动，还包括设于船舶(1)上同电动螺旋桨(5)的驱动器通过有线或无线方式通信控制的控制器，该控制器用于控制电动螺旋桨(5)的正反转及转速。

2.根据权利要求1所述的用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置，其特征在于所述铰链式连接机构包括沿船舶(1)宽度方向分布的若干铰接式单元连接机构，且至少包含对称分布于航行浮体(3)左右两侧的两个铰接式单元连接机构，每个铰接式单元连接机构为单根弹性连接杆(6)，或者由平行且沿纵向分布的多根弹性连接杆(6)组成的弹性连接杆组，每根弹性连接杆(6)的两端分别与航行浮体连接架(4)和航行浮体(3)铰接。

3.根据权利要求2所述的用于船体的自适应吃水深度的电动推进装置，其特征在于所述弹性连接杆(6)为弹簧或弹簧钢杆。

4.根据权利要求1所述的用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置，其特征在于所述船舶(1)为现行的引擎动力推进船，或者人力推进船，或者风力推进船；或者所述船舶(1)为无动力船；所述电动螺旋桨(5)为全回转式电动螺旋桨，所述控制器还能控制全回转式电动螺旋桨的转向角度，从而控制所述船舶(1)的行驶方向；或者电动螺旋桨(5)为角度固定式电动螺旋桨，且还包括电动转向舵，电动螺旋桨(5)同电动转向舵一同设于航行浮体(3)下方，或者电动螺旋桨(5)固定至电动转向舵上，再由电动转向舵装于航行浮体(3)下方；电动转向舵的驱动器设于航行浮体(3)内，并由船舶(1)上的控制器通过有线或无线方式通信控制，同时所述电池仓内的电池同电动转向舵及其驱动器电连接。

5.根据权利要求1所述的用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置，其特征在于所述可拆式连接机构包含连接船尾连接架(2)和航行浮体连接架(4)的两个以上的可拆式连接单元机构，且至少有两个可拆式连接单元机构在船舶(1)宽度方向上等高或错位分布；每个可拆式连接单元机构选自弹簧扣环机构、卡扣机构、套杆机构、手动机械锁扣机构、电动机械锁扣机构、电磁锁扣机构中的一种，均包括设于船尾连接架(2)上的母端连接机构和设于航行浮体连接架(4)上与母端连接机构配合的公端连接机构。

6.根据权利要求5所述的用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置，其特征在于所述可拆式连接单元机构为电动机械锁扣机构，其母端连接机构为设于船尾连接架(2)上的纵向或者横向布置的连接杆(2a)，而公端连接机构包括摆块(7)、固定至航行浮体连接架(4)上的锁扣座(8)和伸缩电机(9)，摆块(7)中间铰接设于锁扣座(8)上，其一端成型用于扣在连接杆(2a)上的锁勾(10)，而另一端与伸缩电机(9)的输出杆铰接，由伸缩电机(9)驱动绕与锁扣座(8)的铰接点摆动，带动锁勾(10)扣住连接杆(2a)或者与连接杆(2a)脱开。

7.根据权利要求6所述的用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置，其特征在于所述航行浮体连接架(4)上还设有若干辅助U形卡扣(11)，同船尾连接架(2)上的连接杆(2a)过盈卡设配合。

8.根据权利要求1所述的用于船舶的自适应吃水深度的外挂电动推进装置，其特征在于所述航行浮体(3)内设有与电池相连的BMS模块，该BMS模块与船舶(1)上的控制器通过有线或无线方式通信连接。

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