CN112706893A - 一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台及其控制方法，柴油发动机连接发电机，发电机连接试验台电网，电力测功机连接第二电动机或者连接第三变电装置且连接第一电动机，电力测功机与试验台电网连接，外接电源连接电池充电装置，进而连接蓄电池并接入试验台电网，超级电容通过支流变压装置连接试验台电网，直流电阻箱连接试验台电网，冷水机通过第一变电装置连接试验台电网。本发明实现了多动力源的优势互补，复合储能的引入能够实现电网的削峰填谷，大大提高了柴油机和发电机组成的APU系统效率。因此，发展混合动力船舶具有非常重大的意义。

Description

一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台及 其控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种试验台，具体地说是船舶动力试验台及其控制方法。

背景技术

电力推进作为未来船舶动力发展的趋势，具有高效、清洁、可靠等优点。但是电池容量的限制，导致制造成本高昂、充电时间长、续航力短、冗余度低，目前仍难于满足现实需要。而且，受发电方式、功率密度以及储能技术的影响，现阶段的纯电动船舶并不能达到高性能的速度、加速度和自控性，其续航能力也受其电池容量制约，船舶电网能够为电力推进提供持续的能量输出，但是传统的电网柴发机组定速发电效率低，长期处于低负荷工况，燃料浪费严重。

混合动力船舶兼有传统内燃机推进船舶和纯电力推进船舶的优点：相比于内燃机推进船舶，可根据灵活根据负荷调整工作模式，实现了全工况下的最优推进效率，冗余性好，动力性优；相比于纯电力推进船舶，初期投入成本低，且续航能力强。船舶的混合动力技术，解决能源问题与技术不成熟之间矛盾，实现了燃料的高效利用，为船舶从传统的机械式推进过渡到纯电力推进提供了可行性方案。

发明内容

本发明的目的在于提供能实现多动力源的优势互补、电网的削峰填谷，提高柴油机和发电机组成APU系统效率的一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台及其控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台，其特征是：包括柴油发动机、发电机、电力测功机、第一电动机、第二电动机、超级电容、直流电阻箱、冷水机，柴油发动机通过第一扭矩法兰、第一离合器连接发电机，发电机通过第一整流装置连接试验台电网，电力测功机通过第三离合器、第三扭矩法兰连接第二电动机或者连接第三变电装置且通过第二离合器、第二扭矩法兰连接第一电动机，且通过第二变电装置连接试验台电网，电力测功机通过第二整流装置与试验台电网连接，外接电源连接电池充电装置，进而连接蓄电池并接入试验台电网，超级电容通过支流变压装置连接试验台电网，直流电阻箱连接试验台电网，冷水机通过第一变电装置连接试验台电网。

本发明还可以包括：

1、采用单一电力推进模式，所述单一电力推进模式包括第一-第三单一电力推进模式；

第一单一电力推进模式时，柴油发动机通过第一扭矩法兰和第一离合器与发电机连接，发电机通过第一整流装置与试验台电网连接，进而为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，其连接关系为：电力测功机通过第三离合器和第三扭矩法兰与第二电动机连接，或者连接第三变电装置且通过第二离合器和第二扭矩法兰与第一电动机连接，且通过第二变电装置与试验台电网连接，并且电力测功机通过第二整流装置与电网连接；

第二单一电力推进模式时，蓄电池与试验台电网连接，进而为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，其连接关系为：电力测功机通过第三离合器和第三扭矩法兰与第二电动机连接，或者连接第三变电装置且通过第二离合器和第二扭矩法兰与第一电动机连接，且通过第二变电装置与试验台电网连接，并且电力测功机通过第二整流装置与电网连接；

第三单一电力推进模式时，超级电容通过直流变压装置与试验台电网连接，进而为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，其连接关系为：电力测功机通过第三离合器和第三扭矩法兰与第二电动机连接，或者连接第三变电装置且通过第二离合器和第二扭矩法兰与第一电动机连接，且通过第二变电装置与试验台电网连接，并且电力测功机通过第二整流装置与电网连接。

2、采用混合电力推进模式，所述混合电力推进模式包括第一-第四混合电力推进模式；

第一混合电力推进模式时，柴油发动机通过第一扭矩法兰和第一离合器与发电机连接，发电机通过第一整流装置与试验台电网连接，蓄电池与试验台电网连接，共同为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，其连接关系为：电力测功机通过第三离合器和第三扭矩法兰与第二电动机连接，或者连接第三变电装置且通过第二离合器和第二扭矩法兰与第一电动机连接，且通过第二变电装置与试验台电网连接，并且电力测功机通过第二整流装置与电网连接；

第二混合电力推进模式时，柴油发动机通过第一扭矩法兰和第一离合器与发电机连接，发电机通过第一整流装置与试验台电网连接，超级电容通过直流变压装置与试验台电网连接，共同为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，其连接关系为：电力测功机通过第三离合器和第三扭矩法兰与第二电动机连接，或者连接第三变电装置且通过第二离合器和第二扭矩法兰与第一电动机连接，且通过第二变电装置与试验台电网连接，并且电力测功机通过第二整流装置与电网连接；

第三混合电力推进模式时，蓄电池与试验台电网连接且超级电容通过直流变压装置与试验台电网连接，共同为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，其连接关系为：电力测功机通过第三离合器和第三扭矩法兰与第二电动机连接，或者连接第三变电装置且通过第二离合器和第二扭矩法兰与第一电动机连接，且通过第二变电装置与试验台电网连接，并且电力测功机通过第二整流装置与电网连接；

第四混合电力推进模式时，柴油发动机通过第一扭矩法兰和第一离合器与发电机连接，发电机通过第一整流装置与试验台电网连接，蓄电池与试验台电网连接，且超级电容通过直流变压装置与试验台电网连接，共同为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，其连接关系为：电力测功机通过第三离合器和第三扭矩法兰与第二电动机连接，或者连接第三变电装置且通过第二离合器和第二扭矩法兰与第一电动机连接，通过第二变电装置与试验台电网连接，并且电力测功机通过第二整流装置与电网连接。

3、采用充电模式，所述充电模式包括柴油机发电充电模式和外接电源充电模式；

柴油机发电充电模式时，柴油发动机通过第一扭矩法兰和第一离合器与发电机连接，发电机通过第一整流装置与试验台电网连接，为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，与此同时为蓄电池充电或者通过直流变压装置为超级电容充电或者为两者共同充电；

外接电源充电模式时，外接电源与电池充电装置相连并连接蓄电池为其充电。

本发明一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台控制方法，其特征是：

当试验台需求功率大于发动机最大输出功率，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机、蓄电池和超级电容共同工作，发动机工作在外特性点并输出最大功率，剩余功率由蓄电池组和超级电容补足；

当试验台需求功率大于发动机最大输出功率，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机和蓄电池共同工作，发动机工作在外特性点并输出最大功率，剩余功率由蓄电池组补足；

当试验台需求功率大于发动机最大输出功率，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机和超级电容共同工作，发动机工作在外特性点并输出最大功率，剩余功率由超级电容补足；

当试验台需求功率大于发动机最大输出功率，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，进入应急模式，不考虑蓄电池和超级电容SOC状态并继续使用其供电，当SOC低于10％时，立即停止供电；柴油机、蓄电池和超级电容共同工作，发动机工作在外特性点并输出最大功率，剩余功率由蓄电池组和超级电容补足；

当试验台需求功率小于等于发动机最大输出功率，大于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机、蓄电池和超级电容共同工作，发动机尽量工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，剩余功率由蓄电池组和超级电容补足；

当试验台需求功率小于等于发动机最大输出功率，大于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机和蓄电池共同工作，发动机尽量工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，剩余功率由蓄电池组补足；

当试验台需求功率小于等于发动机最大输出功率，大于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机和超级电容共同工作，发动机尽量工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，剩余功率由超级电容补足；

当试验台需求功率小于等于发动机最大输出功率，大于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机单独工作，发动机输出功率为试验台需求功率；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，大于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机单独工作，发动机工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，发动机输出功率为试验台需求功率；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，大于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机工作并给超级电容充电，发动机工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，发动机输出功率为试验台需求功率加超级电容需求功率；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，大于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机工作并给蓄电池组充电，发动机工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，发动机输出功率为试验台需求功率加蓄电池组需求功率；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，大于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机工作并给蓄电池组和超级电容充电，发动机工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，发动机输出功率为试验台需求功率加蓄电池组需求功率和超级电容需求功率；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机不工作，蓄电池组和超级电容联合供电；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机不工作，蓄电池组单独供电；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机不工作，超级电容单独供电；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机工作并为蓄电池组和超级电容充电；

当试验台需求功率为0时，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，通过电池充电装置为蓄电池组和超级电容充电。

本发明的优势在于：

1.本发明提出一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台，设置有柴油发动机、发电机，电力测功机，第一电动机和第二电动机，功率覆盖范围广，可以满足船舶在各种工况下的动力需求，具有明显技术效果如下：首先，柴油发动机和发电机组成的APU系统模拟了船舶上的源动力，驱动电机模拟船上螺旋桨驱动系统，这样使试验台布置更加紧凑，节约成本；其次，同轴双电动机采用功率等级不同，高效区互补，使得柴油发动机多功率段发电效率得到优化；无源试验台的建设不需要特定实验室电网，适应性高，普遍性强，大大降低了前期成本；采用电力测功机可通过整流装置连接直流电网进行电能反馈，使能源更好地利用，从而达到节约能源的效果。

2.本发明提出一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台，采用高压直流并网方式有下面几个优点：1.采用高压直流并网方式，由于电压等级较高，单位面积上导线的载流量会降低，这样能减少EV线缆直径，一方面可以降低铜的使用量，另一方面可以提高系统稳定性；2.利用高压直流并网方式，将原动机和船用动力驱动力解耦，这样能使得船用内燃机工作更加平稳和高效，也有利于进一步提高内燃机的燃烧热效率；3.采用高压直流并网方式，引入动力电池系统这样系统在停机或者靠岸状态时，避免发动机起动，直接使用岸接电源或者动力电池供电，来满足船上电气设备用电，进一步的提高系统经济性；4.采用高压直流并网方式，可以实现能源系统的互联，更容易实现能源补给和船对的规模化运营；5.采用直流耦合方式，将来系统可以融合多种能源系统的耦合，例如，太阳能光伏发电方式的引入，或其他发电设备的引入，提高系统的灵活性和兼容性。

3.试验台电网采用柴油机加发电机组成APU系统配备复合储能系统，APU系统通过复合储能系统的调峰削谷功能，可以保持在最优效率点工作，效率明显提高。所述技术效果体现如下：蓄电池在需要高功率的时段提供电力，并在需要较少的电力时进行充电；能量密度型超级电容与蓄电池组合的储能装置能够满足船舶电力动态需求，既能做到持续输出，又能满足功率要求。

4.试验台的监测控制系统包括安防检测系统、驾驶员控制器、上位机，实时控制器、数采系统1、数采系统2、DACU(变电装置控制器)和CCU(电池充电控制器)；试验台动力控制系统；试验台架控制系统。本发明的监测控制系统不仅可以监测控制试验台的各个部件，而且可以检测试验台的烟气、水电状态，全方位的保障了实验的精准性和实验人员的安全性。

5.本发明提出一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台，所描述能量管理系统，其能量管理策略包含17种模式。所述技术效果体现如下：能量管理主要功能为协调驱动系统(包括日常用电设备)和源动力系统之间的协调，实现功率的合理分配，同时，优化IPU系统中能耗问题；管理动力电池SOC及超级电容复合储能系统，为了避免在能量突变情况下对动力电池的损伤，同时采用复合储能技术可以有效的提高直流母线电压在需求功率突变情况下的主用电系统的稳定性；同时，也能进一步提高动力电池的续航能力，提高系统容错机制。

6.本发明提出一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台，在本试验台架可以进行包含发动机、电机等的部分性能及控制策略测试，以及对此系统的动力性、经济性和排放性进行相关的研究。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的试验台监控系统示意图；

图3为本发明的策略示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-3，本发明一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台，包括安防检测系统1、驾驶员控制器2、上位机3、数采系统4a、4b、电池充电控制器5、实时控制器6、冷水机7、变电装置控制器8、变电装置9a、9b、9c、直流变压装置控制器10、直流电阻箱控制器11、直流电阻箱12、直流变压装置13、超级电容14、蓄电池控制器15a、超级电容控制器15b、蓄电池16、电池充电装置17、发电机控制器18a、第一电动机控制器18b、第二电动机控制器18c、电力测功机控制器18d、动力系统控制器19a、台架系统控制器19b、发电机20、离合器21a、21b、21c、扭矩法兰22a、22b、22c、第一电动机23a、第二电动机23b、电力测功机24、发动机控制器25、柴油发动机26、整流装置控制器27a、27b。柴油发动机26通过扭矩法兰22a和离合器21a与发电机20连接，发电机20通过整流装置27a与试验台电网连接。电力测功机24通过离合器21c和扭矩法兰22c与第二电动机23b连接，或者连接变电装置9c且通过离合器21b和扭矩法兰22b与第一电动机23a连接，且通过变电装置9b与试验台电网连接，并且电力测功机24通过整流装置27b也与电网连接。外接电源与电池充电装置17连接，进而与蓄电池16连接并接入试验台电网。超级电容14通过直流变压装置13与试验台电网连接。直流电阻箱12直接接入试验台电网。冷水机7通过变电装置9a与试验台电网连接。

参加图2，试验台监控系统包括，安防检测系统1、驾驶员控制器2、上位机3，实时控制器6、数采系统4a、4b、变电装置控制器8、电池充电控制器5；试验台动力控制系统；试验台架控制系统。

试验台动力控制系统包括发动机控制器25、发电机控制器18a、第一电动机控制器18b、第二电动机控制器18c、蓄电池控制器15a、超级电容控制器15b和动力系统控制器19a。

试验台架控制系统包括电力测功机控制器18d、直流电阻箱控制器11、直流变压装置控制器10和台架系统控制器19b。

本实施例中，电力测功机24优选具有高效率、高功率密度、寿命长等优点直流永磁同步电机，蓄电池16优选功率密度高、体积重量小的磷酸铁锂电池，超级电容14优选能量密度型。

本发明的工作模式主要以下几种工作模式

电力推进模式分为单一电力推进模式和混合电力推进模式。

单一电力推进模式1：柴油发动机26通过扭矩法兰22a和离合器21a与发电机20连接，发电机20通过整流装置27a与试验台电网连接，进而为第一电动机23a或第二电动机23b供电进而带动电力测功机24。其连接关系为，电力测功机24通过离合器21c和扭矩法兰22c与第二电动机23b连接，或者连接变电装置9c且通过离合器21b和扭矩法兰22b与第一电动机23a连接，且通过变电装置9b与试验台电网连接，并且电力测功机24通过整流装置27b也与电网连接。

单一电力推进模式2：蓄电池16与试验台电网连接，进而为第一电动机23a或第二电动机23b供电进而带动电力测功机24。其连接关系为，电力测功机24通过离合器21c和扭矩法兰22c与第二电动机23b连接，或者连接变电装置9c且通过离合器21b和扭矩法兰22b与第一电动机23a连接，且通过变电装置9b与试验台电网连接，并且电力测功机24通过整流装置27b也与电网连接。

单一电力推进模式3：超级电容14通过直流变压装置13与试验台电网连接，进而为第一电动机23a或第二电动机23b供电进而带动电力测功机24。其连接关系为，电力测功机24通过离合器21c和扭矩法兰22c与第二电动机23b连接，或者连接变电装置9c且通过离合器21b和扭矩法兰22b与第一电动机23a连接，且通过变电装置9b与试验台电网连接，并且电力测功机24通过整流装置27b也与电网连接。

混合电力推进模式1：柴油发动机26通过扭矩法兰22a和离合器21a与发电机20连接，发电机20通过整流装置27a与试验台电网连接，且蓄电池16与试验台电网连接，共同为第一电动机23a或第二电动机23b供电进而带动电力测功机24。其连接关系为，电力测功机24通过离合器21c和扭矩法兰22c与第二电动机23b连接，或者连接变电装置9c且通过离合器21b和扭矩法兰22b与第一电动机23a连接，且通过变电装置9b与试验台电网连接，并且电力测功机24通过整流装置27b也与电网连接。

混合电力推进模式2：柴油发动机26通过扭矩法兰22a和离合器21a与发电机20连接，发电机20通过整流装置27a与试验台电网连接，且超级电容14通过直流变压装置13与试验台电网连接，共同为第一电动机23a或第二电动机23b供电进而带动电力测功机24。其连接关系为，电力测功机24通过离合器21c和扭矩法兰22c与第二电动机23b连接，或者连接变电装置9c且通过离合器21b和扭矩法兰22b与第一电动机23a连接，且通过变电装置9b与试验台电网连接，并且电力测功机24通过整流装置27b也与电网连接。

混合电力推进模式2：，蓄电池16与试验台电网连接且超级电容14通过直流变压装置13与试验台电网连接，共同为第一电动机23a或第二电动机23b供电进而带动电力测功机24。其连接关系为，电力测功机24通过离合器21c和扭矩法兰22c与第二电动机23b连接，或者连接变电装置9c且通过离合器21b和扭矩法兰22b与第一电动机23a连接，且通过变电装置9b与试验台电网连接，并且电力测功机24通过整流装置27b也与电网连接。

混合电力推进模式4：柴油发动机26通过扭矩法兰22a和离合器21a与发电机20连接，发电机20通过整流装置27a与试验台电网连接，且蓄电池16与试验台电网连接，且超级电容14通过直流变压装置13与试验台电网连接，共同为第一电动机23a或第二电动机23b供电进而带动电力测功机24。其连接关系为，电力测功机24通过离合器21c和扭矩法兰22c与第二电动机23b连接，或者连接变电装置9c且通过离合器21b和扭矩法兰22b与第一电动机23a连接，且通过变电装置9b与试验台电网连接，并且电力测功机24通过整流装置27b也与电网连接。

充电模式分为柴油机发电充电模式和外接电源充电模式。

柴油机发电充电模式：柴油发动机26通过扭矩法兰22a和离合器21a与发电机20连接，发电机20通过整流装置27a与试验台电网连接，为第一电动机23a或第二电动机23b供电进而带动电力测功机24。与此同时为蓄电池16充电或者通过直流变压装置13为超级电容14充电或者为两者共同充电。

外接电源充电模式：外接电源与电池充电装置相连并连接蓄电池16为其充电。

试验台动力控制系统包括ECU(发动机控制器：测量发动机转速、转向和转矩，以及发动机和控制器的温度参数)、MCU(发电机控制器：测量发电机转速、转向和转矩，以及发电机和控制器的温度参数)、MCU1(第一电动机控制器：测量第一电动机转速、转向和转矩，以及第一电动机和控制器的温度参数)、MCU2(第二电动机控制器：测量第二电动机转速、转向和转矩，以及第二电动机和控制器的温度参数)、BMS1(蓄电池控制器：单体和电池组的电压监测、电流监测、温度监测、SOC估算、均衡控制等)、BMS2(超级电容控制器：超级电容的电压监测、电流监测、温度监测、SOC估算、均衡控制等)和EMU1(动力系统控制器)。ECU、MCU、MCU1、MCU2、BMS1和BMS2收集传输的信号通过CAN线汇总到EMU1，进而通过CAN总线传输到实时监控器以及上位机进行分析、监控和研究。

试验台架控制系统包括MCU3(电力测功机控制器：测量电力测功机转速、转向和转矩，以及电力测功机和控制器的温度参数)、RCU(直流电阻箱控制器)、DCU(直流变压装置控制器)和EMU2(台架系统控制器)。MCU3、RCU和DCU收集传输的信号通过CAN线汇总到EMU2，进而通过CAN总线传输到实时监控器以及上位机进行分析、监控和研究。

本发明提供的一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台控制方法，包含17种能量分配模式：

模式1：当试验台需求功率大于发动机最大输出功率，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机、蓄电池和超级电容共同工作，发动机工作在外特性点并输出最大功率，剩余功率由蓄电池组和超级电容补足。

模式2：当试验台需求功率大于发动机最大输出功率，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机和蓄电池共同工作，发动机工作在外特性点并输出最大功率，剩余功率由蓄电池组补足。

模式3：当试验台需求功率大于发动机最大输出功率，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机和超级电容共同工作，发动机工作在外特性点并输出最大功率，剩余功率由超级电容补足。

模式4：当试验台需求功率大于发动机最大输出功率，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，进入应急模式，不考虑蓄电池和超级电容SOC状态并继续使用其供电，当SOC低于10％时，应立即停止供电。柴油机、蓄电池和超级电容共同工作，发动机工作在外特性点并输出最大功率，剩余功率由蓄电池组和超级电容补足。

模式5：当试验台需求功率小于等于发动机最大输出功率，大于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机、蓄电池和超级电容共同工作，发动机尽量工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，剩余功率由蓄电池组和超级电容补足。

模式6：当试验台需求功率小于等于发动机最大输出功率，大于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机和蓄电池共同工作，发动机尽量工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，剩余功率由蓄电池组补足。

模式7：当试验台需求功率小于等于发动机最大输出功率，大于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机和超级电容共同工作，发动机尽量工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，剩余功率由超级电容补足。

模式8：当试验台需求功率小于等于发动机最大输出功率，大于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机单独工作，发动机输出功率为试验台需求功率。

模式9：当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，大于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机单独工作，发动机工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，发动机输出功率为试验台需求功率。

模式10：当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，大于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机工作并给超级电容充电，发动机工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，发动机输出功率为试验台需求功率加超级电容需求功率。

模式11：当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，大于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机工作并给蓄电池组充电，发动机工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，发动机输出功率为试验台需求功率加蓄电池组需求功率。

模式12：当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，大于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机工作并给蓄电池组和超级电容充电，发动机工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，发动机输出功率为试验台需求功率加蓄电池组需求功率和超级电容需求功率。

模式13：当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机不工作，蓄电池组和超级电容联合供电。

模式14：当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机不工作，蓄电池组单独供电。

模式15：当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机不工作，超级电容单独供电。

模式16：当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机工作并为蓄电池组和超级电容充电。

模式17：当试验台需求功率为0时，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，通过电池充电装置为蓄电池组和超级电容充电。

出于机械设计方面的限制,减少机械磨损,保持驱动力平衡；通过合理配置电动机参数,减少功率冗余,由于电动机的分级制造,大小电动机进行匹配可提高电动机的效率,从而提高机械特性硬度，且第一电动机与第二电动机功率不同在高效区也相互补充。

无源试验台的建设不需要特定实验室电网，适应性高，普遍性强，大大降低了前期成本。

电力测功机可通过整流装置连接直流电网进行电能反馈，使能源更好地利用，从而达到节约能源的效果。

Claims (5)

1.一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台，其特征是：包括柴油发动机、发电机、电力测功机、第一电动机、第二电动机、超级电容、直流电阻箱、冷水机，柴油发动机通过第一扭矩法兰、第一离合器连接发电机，发电机通过第一整流装置连接试验台电网，电力测功机通过第三离合器、第三扭矩法兰连接第二电动机或者连接第三变电装置且通过第二离合器、第二扭矩法兰连接第一电动机，且通过第二变电装置连接试验台电网，电力测功机通过第二整流装置与试验台电网连接，外接电源连接电池充电装置，进而连接蓄电池并接入试验台电网，超级电容通过支流变压装置连接试验台电网，直流电阻箱连接试验台电网，冷水机通过第一变电装置连接试验台电网。

2.根据权利要求1所述的一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台，其特征是：采用单一电力推进模式，所述单一电力推进模式包括第一-第三单一电力推进模式；

第一单一电力推进模式时，柴油发动机通过第一扭矩法兰和第一离合器与发电机连接，发电机通过第一整流装置与试验台电网连接，进而为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，其连接关系为：电力测功机通过第三离合器和第三扭矩法兰与第二电动机连接，或者连接第三变电装置且通过第二离合器和第二扭矩法兰与第一电动机连接，且通过第二变电装置与试验台电网连接，并且电力测功机通过第二整流装置与电网连接；

第二单一电力推进模式时，蓄电池与试验台电网连接，进而为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，其连接关系为：电力测功机通过第三离合器和第三扭矩法兰与第二电动机连接，或者连接第三变电装置且通过第二离合器和第二扭矩法兰与第一电动机连接，且通过第二变电装置与试验台电网连接，并且电力测功机通过第二整流装置与电网连接；

第三单一电力推进模式时，超级电容通过直流变压装置与试验台电网连接，进而为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，其连接关系为：电力测功机通过第三离合器和第三扭矩法兰与第二电动机连接，或者连接第三变电装置且通过第二离合器和第二扭矩法兰与第一电动机连接，且通过第二变电装置与试验台电网连接，并且电力测功机通过第二整流装置与电网连接。

3.根据权利要求1所述的一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台，其特征是：采用混合电力推进模式，所述混合电力推进模式包括第一-第四混合电力推进模式；

第一混合电力推进模式时，柴油发动机通过第一扭矩法兰和第一离合器与发电机连接，发电机通过第一整流装置与试验台电网连接，蓄电池与试验台电网连接，共同为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，其连接关系为：电力测功机通过第三离合器和第三扭矩法兰与第二电动机连接，或者连接第三变电装置且通过第二离合器和第二扭矩法兰与第一电动机连接，且通过第二变电装置与试验台电网连接，并且电力测功机通过第二整流装置与电网连接；

第二混合电力推进模式时，柴油发动机通过第一扭矩法兰和第一离合器与发电机连接，发电机通过第一整流装置与试验台电网连接，超级电容通过直流变压装置与试验台电网连接，共同为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，其连接关系为：电力测功机通过第三离合器和第三扭矩法兰与第二电动机连接，或者连接第三变电装置且通过第二离合器和第二扭矩法兰与第一电动机连接，且通过第二变电装置与试验台电网连接，并且电力测功机通过第二整流装置与电网连接；

第三混合电力推进模式时，蓄电池与试验台电网连接且超级电容通过直流变压装置与试验台电网连接，共同为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，其连接关系为：电力测功机通过第三离合器和第三扭矩法兰与第二电动机连接，或者连接第三变电装置且通过第二离合器和第二扭矩法兰与第一电动机连接，且通过第二变电装置与试验台电网连接，并且电力测功机通过第二整流装置与电网连接；

第四混合电力推进模式时，柴油发动机通过第一扭矩法兰和第一离合器与发电机连接，发电机通过第一整流装置与试验台电网连接，蓄电池与试验台电网连接，且超级电容通过直流变压装置与试验台电网连接，共同为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，其连接关系为：电力测功机通过第三离合器和第三扭矩法兰与第二电动机连接，或者连接第三变电装置且通过第二离合器和第二扭矩法兰与第一电动机连接，通过第二变电装置与试验台电网连接，并且电力测功机通过第二整流装置与电网连接。

4.根据权利要求1所述的一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台，其特征是：采用充电模式，所述充电模式包括柴油机发电充电模式和外接电源充电模式；

柴油机发电充电模式时，柴油发动机通过第一扭矩法兰和第一离合器与发电机连接，发电机通过第一整流装置与试验台电网连接，为第一电动机或第二电动机供电进而带动电力测功机，与此同时为蓄电池充电或者通过直流变压装置为超级电容充电或者为两者共同充电；

外接电源充电模式时，外接电源与电池充电装置相连并连接蓄电池为其充电。

5.一种无源式带复合储能的单轴双电机船舶混合动力试验台控制方法，其特征是：

当试验台需求功率大于发动机最大输出功率，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机、蓄电池和超级电容共同工作，发动机工作在外特性点并输出最大功率，剩余功率由蓄电池组和超级电容补足；

当试验台需求功率大于发动机最大输出功率，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机和蓄电池共同工作，发动机工作在外特性点并输出最大功率，剩余功率由蓄电池组补足；

当试验台需求功率大于发动机最大输出功率，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机和超级电容共同工作，发动机工作在外特性点并输出最大功率，剩余功率由超级电容补足；

当试验台需求功率大于发动机最大输出功率，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，进入应急模式，不考虑蓄电池和超级电容SOC状态并继续使用其供电，当SOC低于10％时，立即停止供电；柴油机、蓄电池和超级电容共同工作，发动机工作在外特性点并输出最大功率，剩余功率由蓄电池组和超级电容补足；

当试验台需求功率小于等于发动机最大输出功率，大于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机、蓄电池和超级电容共同工作，发动机尽量工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，剩余功率由蓄电池组和超级电容补足；

当试验台需求功率小于等于发动机最大输出功率，大于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机和蓄电池共同工作，发动机尽量工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，剩余功率由蓄电池组补足；

当试验台需求功率小于等于发动机最大输出功率，大于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机和超级电容共同工作，发动机尽量工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，剩余功率由超级电容补足；

当试验台需求功率小于等于发动机最大输出功率，大于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间下限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间下限时，柴油机单独工作，发动机输出功率为试验台需求功率；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，大于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机单独工作，发动机工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，发动机输出功率为试验台需求功率；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，大于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机工作并给超级电容充电，发动机工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，发动机输出功率为试验台需求功率加超级电容需求功率；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，大于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机工作并给蓄电池组充电，发动机工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，发动机输出功率为试验台需求功率加蓄电池组需求功率；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率上限值，大于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机工作并给蓄电池组和超级电容充电，发动机工作在最佳燃油消耗输出功率范围内，发动机输出功率为试验台需求功率加蓄电池组需求功率和超级电容需求功率；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机不工作，蓄电池组和超级电容联合供电；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC大于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机不工作，蓄电池组单独供电；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC大于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机不工作，超级电容单独供电；

当试验台需求功率小于等于发动机最佳燃油消耗输出功率下限值，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，柴油机工作并为蓄电池组和超级电容充电；

当试验台需求功率为0时，蓄电池组SOC小于等于蓄电池组最佳工作性能的荷电状态区间上限，超级电容SOC小于等于超级电容最佳工作性能的荷电状态区间上限时，通过电池充电装置为蓄电池组和超级电容充电。

Images