CN113071649A - 一种船舶气电混合动力模式切换协调控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种混合动力船舶模式切换控制策略，该模式切换控制策略首先将混合动力运行模式分为电动机单独推进，气体机单独推进，气体机和电动机联合推进以及充电推进四种模式。该策略的主要特征为：首先，计算出船舶运行时所需的总的转矩需求，根据运行需求转矩和动力电池SOC的值，以优化气体机运行效率为原则制定模式切换控制规则。当混合动力系统运行状况发生变化，满足模式切换条件时，混合动力总成控制器协调动力系统各部件向目标模式进行切换。本发明根据船舶运行需求转矩和动力电池制定混合动力系统在运行状况改变时的目标模式，有利于提高系统运行效率、节省燃油、改善混合动力船舶的运行性能、延长动力电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶气电混合动力模式切换控制策略，尤其是混合动力船舶在多工作模式下的切换控制方法及系统。
背景技术
近年来，随着全球环境和能源问题的日益突出，以及国际油价的快速上涨，开发低排放、低油耗的新型船舶成为当今船舶工业发展的首要任务。
纯电力推进船舶具有良好的经济性、操纵性、安全性、低噪声以及低污染等优点，是未来船舶动力技术研究的方向之一。然而，受发电方式、功率密度以及储能技术的影响，现阶段的纯电力推进船舶并不能完全满足人们对速度、加速度和操控性的需求，其续航能力也受到电池容量制约。
混合动力系统正是为解决能源危机和船舶排放问题开发的新型船舶动力形式。它融合了电动机和传统内燃机优点，既能满足船舶对动力性的需求，又能够改善燃油经济性和排放性，还继承了传统燃油船舶持续行驶里程长的优点，成为当今最具有应用前景的低排放、低能耗船舶动力系统，代表了未来船舶发展的一个重要方向。
气电混合动力船舶是指将气体机和电动机进行动力集成，共同驱动船舶行驶。其具有两个或两个以上的能量源，通过能量管理策略协调各部件的运行，将两种或更多的动力源和一种或多种能量存储技术集合于一体，根据行驶工况的需求，切换不同的工作模式，以充分发挥气体机和电动机的优点，在保证动力性的同时又兼顾了燃油经济性和排放性，最终实现最佳的能源分配。
天然气作为发动机的燃料是未来发动机发展的趋势之一，天然气有着绿色环保、经济实惠、安全可靠的优点。但受现阶段技术水平的限制，气体机还存在动力响应性差、功率不足等缺点。
船舶混合动力技术有助于解决能源问题与技术不成熟之间的矛盾，可以根据船舶的行驶工况和各部件的运行状态控制混合动力船舶在不同的工作模式之间进行切换，从而发挥混合动力系统的优势。但是，在混合动力系统各模式切换的过程中，若不能制定合理的模式切换控制策略，就不能充分发挥混合动力在燃油经济性和排放性的优势，反而可能造成模式切换频繁，对船舶传动系统造成冲击，降低其寿命。
发明内容
本发明的目的是为解决上述问题的不足，提供一种船舶气电混合动力模式切换控制策略。根据船舶行驶时的转矩需求和动力电池剩余的电量，以优化气体机工作效率为目标制定混合动力系统在运行状况发生改变的情况下制定合理的模式切换控制策略，从而降低船舶尾气的排放，节省燃油的使用，加速环保、绿色船舶的发展，提高混合动力船舶的续航能力。
本发明的目的是这样实现的：
混合动力船舶多工作
模式下的能量切换控制方法，首先识别混合动力船舶在运行过程中的转矩需求；其次根据动力电池的特性，将动力电池的工作区间按照SOC的大小划分为不同的区域：最后根据控制策略判断混合动力系统运行状态是否满足模式切换条件，如果所述混合动力系统满足状态切换条件，则向总成控制器发送模式切换控制请求，从而控制系统各部件向目标状态转换，改变混合动力系统运行状态。
船舶在行驶过程中的转矩需求主要包括对驱动转矩的需求和动力电池充电对转矩的需求。
在船舶行驶的过程中，对驱动转矩的需求主要是由推杆位置根据船舶驾驶特性函数来确定。
动力电池在需要充电时向混合动力系统控制总成发出充电请求，混合动力控制总成根据电池SOC值确定电动机作为发电机运行的目标功率，将对气体机提供的充电功率的需求转化为对充电转矩的需求。
为了延长动力电池的寿命，使动力电池始终处在高效率工作区间，将动力电池按照SOC的大小分成若干个区间。(1)不可用区，SOC小于15％；(2)低效率区，SOC介于15％-45％和SOC大于80％；(3)高效率区SOC介于45％-80％。定义：0为不可用区；1为15％-45％低效率区；2为高效率区；3为大于80％的低效率区。
船舶混合动力系统默认初始模式为电动机单独推进模式，根据总需求转矩、SOC和气体机稳态效率MAP图制定混合动力模式切换的具体条件。在本次模式切换控制策略中，气体机和电动机的工作模式主要是通过优化气体机的工作效率确定的。根据驱动转矩需求、制动转矩需求和充电转矩需求及气体机稳态效率MAP图，就可以确定气体机和电动机的工作模式，从而确定系统的运行状态。
1)当前运行模式为电动机单独推进
当总需求转矩大于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC2或SOC3时，切换为气体机单独推进模式。
当总需求转矩大于电动机辅助最小工作转矩，且SOC＝SOC1或SOC2或SOC3时，切换为气体机和电动机联合驱动模式。
当总需求转矩大于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC0或SOC1时，切换为充电推进模式。
2)当前运行模式为气体机单独推进
当总需求转矩小于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC2或SOC3时，切换为电动机单独推进模式。
当总需求转矩大于电动机辅助最小工作转矩，且SOC＝SOC1或SOC2或SOC3时，切换为气体机和电动机联合驱动模式。
当总需求转矩大于气体机最小工作转矩小于电动机辅助工作最小转矩，且SOC＝SOC0或SOC1时，切换为充电推进模式。
3)当前模式为气体机单独推进且向动力电池充电
当总需求转矩小于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC1时，切换为电动机单独推进模式。
当总需求转矩大于气体机最小工作转矩小于电动机辅助最小工作转矩，且SOC＝SOC2或SOC3时，切换为气体机单独推进模式。
4)当前模式为气体机和电动机联合驱动
当总需求转矩小于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC2或SOC3时，切换为电动机单独推进模式。
当总需求转矩小于电动机辅助最小工作转矩，且SOC＝SOC2或SOC3时，切换为气体机单独推进模式。
所述气电混合动力模式切换控制策略，根据效率损失最小化原则在气体机稳态效率图上确定气体机最小工作转矩线和电动机辅助最小工作曲线。气体机最优经济扭矩范围，是根据气体机转速和气体机最优经济特性曲线查表得到，气体机最优经济特性曲线是气体机固有的特性曲线，在有气体机参与工作的模式中，要始终确保气体机输出的扭矩值在气体机最优经济扭矩范围内。
如果当总的驱动转矩需求或者充电转矩需求两者中的任何一种需求发生变化，导致了系统运行状态条件不成立时，就表明当前运行状态下的气体机和电动机工作模式已经不能使系统效率最优，这时，模式切换管理策略将依据效率最优的原则改变气体机和电动机的工作模式，从而引起了状态切换。
所述气电混合动力模式切换控制策略，其特点为：对驱动转矩需求的优先级要高于电池对充电转矩的需求。如，当对驱动转矩的需求大于电动机辅助工作最小转矩，需要电动机提供动力时，即使电池处于SOC1需要充电时，电池仍须工作在放电状态，使电动机工作在驱动模式下，满足对动力性的需要。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明给出了一种气电混合动力船舶系统，包括气体机、可逆电机，离合器、动力电池、减速器、传动轴等。该系统功率覆盖范围广，可以满足船舶在各种工况下的动力需求，并能使气体机、可逆电机的工作在高效率区，降低了气体机的燃料消耗，提高了船舶的经济性和排放性，同时有效改善了船舶航行时的动力响应，提升了船舶在加减速和船舶停靠时的性能。
本发明给出了气电混合动力船舶在不同行驶工况下具体的模式切换控制策略，可根据实际动力需求和船舶航行环境，选择适合的工作模式，使其能够在多种工作模式之间进行切换，有效提高了船舶混合动力系统的效率。该方案不仅能够满足不同港口和海域的排放标准，还能有效缓解技术不成熟与愈加严格的排放标准之间的矛盾，提高了船舶经济性和排放性。
本发明给出的是基于规则的气电混合动力系统模式切换控制策略，具体规则是根据大量工程实践经验得出的，具有较高的工程实用性，可以直接作为混合动力船舶的模式切换控制策略，减小混合动力船舶初期制造的成本。
附图说明
图1是本发明所述模式切换过程中系统控制流程图；
图2是本发明所述系统模式切换方向环形图。图中T总表示总需求转矩；Te_min表示气体机最小工作转矩；Tm_ass表示电动机辅助最小工作转矩；SOC0为不可用区；SOC1为15％-45％低效率区；SOC2为高效率区；SOC3为大于80％的低效率区。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
为解决船舶气电混合动力在多种模式下的动力转换问题，以及提高混合动力的效率，减小燃料消耗，延长混合动力各部件的寿命提出一种船舶气电混合动力系统模式切换控制策略，主要包括以下步骤：
步骤1)识别混合动力船舶在运行过程中的转矩需求。
步骤2)为了延长电池的寿命、优化电池的工作效率，根据动力电池的特性，将电池的工作区间按照SOC的值划分为不同的区域。
步骤3)根据制定的模式切换控制策略，判断动力系统当前状态是否满足切换条件，如果满足状态切换条件，则向总成控制器发送模式切换控制请求，控制系统中各部件向目标进行状态转换，改变混合动力系统的运行状态。
气电混合动力模式切换控制策略，要求计算船舶在运行过程中所需总的转矩请求。
对驱动转矩的需求
在船舶行驶的过程中，对驱动转矩的需求主要是由推杆位置根据船舶驾驶特性函数来确定的。
动力电池对转矩的需求
动力电池在需要充电时向混合动力系统控制总成发出充电请求，混合动力控制总成根据电池SOC值确定电动机作为发电机运行的目标功率，将对气体机提供的充电功率的需求转化为对充电转矩的需求。
为了延长动力电池的寿命，使动力电池始终处在高效率工作区间，将动力电池按照SOC的大小分成若干个区间。(1)不可用区，SOC小于15％；(2)低效率区，SOC介于15％-45％和SOC大于80％；(3)高效率区SOC介于45％-80％。定义；SOC0为不可用区；SOC1为15％-45％低效率区；SOC2为高效率区；SOC3为大于80％的低效率区。
船舶混合动力系统默认初始模式为电动机单独推进模式，根据船舶行驶总需求转矩、SOC值和气体机稳态效率MAP图制定混合动力模式切换的具体条件。在本次模式切换控制策略中，气体机和电动机的工作模式主要是通过优化气体机工作时的效率确定的。根据对驱动转矩需求、制动转矩需求和充电转矩需求以及气体机稳态效率MAP图，就可以确定气体机和电动机的工作模式，从而确定系统的运行状态。
1)当前运行模式为电动机单独推进
当总需求转矩大于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC2或SOC3时，切换为气体机单独推进模式。
当总需求转矩大于电动机辅助最小工作转矩，且SOC＝SOC1或SOC2或SOC3时，切换为气体机和电动机联合驱动模式。
当总需求转矩大于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC0或SOC1时，切换为充电推进模式。
2)当前运行模式为气体机单独推进
当总需求转矩小于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC2或SOC3时，切换为电动机单独推进模式。
当总需求转矩大于电动机辅助最小工作转矩，且SOC＝SOC1或SOC2或SOC3时，切换为气体机和电动机联合驱动模式。
当总需求转矩大于气体机最小工作转矩小于电动机辅助工作最小转矩，且SOC＝SOC0或SOC1时，切换为充电推进模式。
3)当前模式为充电推进
当总需求转矩小于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC1时，切换为电动机单独推进模式。
当总需求转矩大于气体机最小工作转矩小于电动机辅助最小工作转矩，且SOC＝SOC2/SOC3时，切换为气体机单独推进模式。
4)当前模式为气体机和电动机联合驱动
当总需求转矩小于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC2或SOC3时，切换为电动机单独推进模式。
当总需求转矩小于电动机辅助最小工作转矩，且SOC＝SOC2或SOC3时，切换为气体机单独推进模式。
根据效率损失最小化原则在气体机稳态效率图上确定气体机最小工作转矩线和电动机辅助最小工作曲线。气体机最优经济扭矩范围，是根据气体机转速和气体机最优经济特性曲线查表得到，气体机最优经济特性曲线是气体机固有的特性曲线，在有气体机参与工作的模式中，要始终确保气体机输出的扭矩值在气体机最优经济扭矩范围内。
如果当总的驱动转矩需求或者充电转矩需求两者中的任何一种需求发生变化，导致系统运行状态条件不成立时，就表明当前运行模式下的气体机和电动机工作模式已经不能使混合动力系统效率最优。这时，模式切换管理策略将依据效率最优的原则改变气体机和电动机的工作模式，从而引起了状态切换
本发明涉及的船舶气电混合动力系统包括气体机和电动机两套相互独立的驱动系统，发动机和电动机在动力耦合装置上进行动力组合，从而可实现气体机和电动机的单独驱动和联合驱动。混合动力系统各部件将自身所处的运行状态发送到混合动力系统总控制器中，总控制器根据既定的混合动力系统模式切换控制策略进行相应的模式切换。
本发明所述的混合动力系统模式切换控制策略结构简单，便于应用到现有的混合动力船舶中，该混合动力模式切换控制策略在不影响动力性和行驶里程的前提下可有效降低尾气排放，减少燃料的消耗，延长动力系统部件的寿命。
综上所述：本发明公开了一种混合动力船舶模式切换控制策略，该模式切换控制策略首先将混合动力运行模式分为电动机单独推进，气体机单独推进，气体机和电动机联合推进以及充电推进四种模式。该策略的主要特征为：首先，计算出船舶运行时所需的总的转矩需求，根据运行需求转矩和动力电池SOC的值，以优化气体机运行效率为原则制定模式切换控制规则。当混合动力系统运行状况发生变化，满足模式切换条件时，混合动力总成控制器协调动力系统各部件向目标模式进行切换。本发明根据船舶运行需求转矩和动力电池制定混合动力系统在运行状况改变时的目标模式，有利于提高系统运行效率、节省燃油、改善混合动力船舶的运行性能、延长动力电池的使用寿命。
Claims (6)
1.一种船舶气电混合动力模式切换协调控制策略，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)识别混合动力船舶在运行过程中的转矩需求；
步骤2)为了延长电池的寿命、优化电池的工作效率，根据动力电池的特性，将电池的工作区间按照SOC的值划分为不同的区域；
步骤3)根据制定的模式切换控制策略，判断动力系统当前状态是否满足切换条件，如果满足状态切换条件，则向总成控制器发送模式切换控制请求，控制系统中各部件向目标进行状态转换，改变混合动力系统的运行状态。
2.根据权利要求1所述的气电混合动力模式切换控制策略，其特征在于，计算船舶在运行过程中所需总的转矩请求；
a)对驱动转矩的需求
在船舶行驶的过程中，对驱动转矩的需求主要是由推杆位置根据船舶驾驶特性函数来确定的；
b)动力电池对转矩的需求
动力电池在需要充电时向混合动力系统控制总成发出充电请求，混合动力控制总成根据电池SOC值确定电动机作为发电机运行的目标功率，将对气体机提供的充电功率的需求转化为对充电转矩的需求。
3.根据权利要求1所述的气电混合动力模式切换控制策略，其特征在于，为了延长动力电池的寿命，使动力电池始终处在高效率工作区间，将动力电池按照SOC的大小分成若干个区间；(1)不可用区，SOC小于15％；(2)低效率区，SOC介于15％-45％和SOC大于80％；(3)高效率区SOC介于45％-80％；定义；SOC0为不可用区；SOC1为15％-45％低效率区；SOC2为高效率区；SOC3为大于80％的低效率区。
4.根据权利要求1所述的气电混合动力模式切换控制策略，其特征在于，船舶混合动力系统默认初始模式为电动机单独推进模式，根据船舶行驶总需求转矩、SOC值和气体机稳态效率MAP图制定混合动力模式切换的具体条件；在本次模式切换控制策略中，气体机和电动机的工作模式主要是通过优化气体机工作时的效率确定的；根据对驱动转矩需求、制动转矩需求和充电转矩需求以及气体机稳态效率MAP图，就可以确定气体机和电动机的工作模式，从而确定系统的运行状态；
1)当前运行模式为电动机单独推进
当总需求转矩大于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC2或SOC3时，切换为气体机单独推进模式；
当总需求转矩大于电动机辅助最小工作转矩，且SOC＝SOC1或SOC2或SOC3时，切换为气体机和电动机联合驱动模式；
当总需求转矩大于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC0或SOC1时，切换为充电推进模式；
2)当前运行模式为气体机单独推进
当总需求转矩小于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC2或SOC3时，切换为电动机单独推进模式；
当总需求转矩大于电动机辅助最小工作转矩，且SOC＝SOC1或SOC2或SOC3时，切换为气体机和电动机联合驱动模式；
当总需求转矩大于气体机最小工作转矩小于电动机辅助工作最小转矩，且SOC＝SOC0或SOC1时，切换为充电推进模式；
3)当前模式为充电推进
当总需求转矩小于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC1时，切换为电动机单独推进模式；
当总需求转矩大于气体机最小工作转矩小于电动机辅助最小工作转矩，且SOC＝SOC2/SOC3时，切换为气体机单独推进模式；
4)当前模式为气体机和电动机联合驱动
当总需求转矩小于气体机最小工作转矩，且SOC＝SOC2或SOC3时，切换为电动机单独推进模式；
当总需求转矩小于电动机辅助最小工作转矩，且SOC＝SOC2或SOC3时，切换为气体机单独推进模式。
5.根据权利要求4所述的气电混合动力模式切换控制策略，其特征在于，根据效率损失最小化原则在气体机稳态效率图上确定气体机最小工作转矩线和电动机辅助最小工作曲线；气体机最优经济扭矩范围，是根据气体机转速和气体机最优经济特性曲线查表得到，气体机最优经济特性曲线是气体机固有的特性曲线，在有气体机参与工作的模式中，要始终确保气体机输出的扭矩值在气体机最优经济扭矩范围内。
6.根据权利要求5所述的气电混合动力模式切换控制策略，其特征在于，如果当总的驱动转矩需求或者充电转矩需求两者中的任何一种需求发生变化，导致系统运行状态条件不成立时，就表明当前运行模式下的气体机和电动机工作模式已经不能使混合动力系统效率最优；这时，模式切换管理策略将依据效率最优的原则改变气体机和电动机的工作模式，从而引起了状态切换。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113525656A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-10-22 | 哈尔滨工程大学 | 基于螺旋桨转速闭环的气电混合动力船舶能量分配方法 |
| CN113525657A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-10-22 | 哈尔滨工程大学 | 基于混合逻辑动态理论的船舶混合动力混杂模型预测控制方法 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113525656A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-10-22 | 哈尔滨工程大学 | 基于螺旋桨转速闭环的气电混合动力船舶能量分配方法 |
| CN113525657A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-10-22 | 哈尔滨工程大学 | 基于混合逻辑动态理论的船舶混合动力混杂模型预测控制方法 |
| CN113525657B (zh) * | 2021-07-08 | 2022-08-02 | 哈尔滨工程大学 | 基于混合逻辑动态理论的船舶混合动力混杂模型预测控制方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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