CN114084334A - 基于动力电池能量转换的船舶航行系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于动力电池能量转换的船舶航行系统及方法，所述基于动力电池能量转换的船舶航行系统包括：动力机械结构、轴带发电机、动力电池和变频器；在第一航行工况下，所述动力机械结构通过轴带动所述轴带发电机转动，所述轴带发电机在发电状态下通过所述变频器给所述动力电池充电；在第二航行工况下，所述动力电池通过所述变频器给所述轴带发电机供电，所述轴带发电机在电动状态下，为螺旋桨提供动力。本发明利用轴带发电机和动力电池的能量转换，抵消螺旋桨功率的波动，从而抵消或减小主机的功率波动，达到省油和节约航行成本的目的。

Description

基于动力电池能量转换的船舶航行系统及方法

技术领域

本发明属于船舶动力设计的技术领域，涉及一种船舶航行方法，特别是涉及一种基于动力电池能量转换的船舶航行系统及方法。

背景技术

目前在船舶行业中，船舶一般以内燃机作为动力源，将化石能源转化为动力推动船舶前进。根据化石燃料的特点，内燃机在使用过程中会排放硫化物、氮化物及二氧化碳等气体。随着各国对环保要求的不断提高，船舶加装了脱硫脱氮等装置降低排放污染，增加了使用成本。

电池在使用期间有着无污染、低噪声和高效率的特点。随着电池性能尤其是能量密度的不断提升，它在船舶的应用也越来越高。在船舶配备轴带发电机和动力电池的组合下，轴带发电机可以给动力电池充电以及给船舶供电，动力电池可以给侧推及船舶其他设备提供电力，能量可以相互转换。

当船舶在航行时受到风、浪和涌的影响时，螺旋桨吸收的功率会有周期性的波动。螺旋桨由主机即船舶上的动力机械结构驱动，主机的功率和油耗也会受这些波动的影响。然而一般船舶并没有降低这种波动的措施。

因此，如何提供一种基于动力电池能量转换的船舶航行系统及方法，以解决现有技术航行中螺旋桨随着浪和涌的波动引起主机功率的波动，进而引起主机燃料的增加及航运成本增加等缺陷，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于动力电池能量转换的船舶航行系统及方法，用于解决现有技术航行中螺旋桨随着浪和涌的波动引起主机功率的波动，进而引起主机燃料的增加及航运成本增加的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种基于动力电池能量转换的船舶航行系统，所述基于动力电池能量转换的船舶航行系统包括：动力机械结构，用于推进船舶航行；轴带发电机，用于在不同航行工况下进行发电机和电动机的功能切换；动力电池，用于在不同航行工况下进行充电和供电的功能切换；变频器，用于电力的变换和能量的控制，实现与所述变频器连接的所述轴带发电机、所述动力电池之间的能量流通；在第一航行工况下，所述动力机械结构通过轴带动所述轴带发电机转动，所述轴带发电机在发电状态下通过所述变频器给所述动力电池充电；在第二航行工况下，所述动力电池通过所述变频器给所述轴带发电机供电，所述轴带发电机在电动状态下，为螺旋桨提供动力。

于本发明的一实施例中，所述基于动力电池能量转换的船舶航行系统还包括：螺旋桨；所述动力机械结构通过轴带动所述螺旋桨转动，所述螺旋桨提供动力使船舶前进。

于本发明的一实施例中，所述基于动力电池能量转换的船舶航行系统还包括：负载；在所述第一航行工况下，所述负载由所述轴带发电机在发电状态下通过所述变频器进行供电。

于本发明的一实施例中，所述负载为电力负载，所述电力负载是指船舶的电力消耗用户。

于本发明的一实施例中，在第三航行工况下，所述动力机械结构提供动力，通过所述轴带动所述螺旋桨和所述轴带发电机转动，所述螺旋桨提供动力使船舶前进，所述轴带发电机和所述动力电池共同给所述负载供电，或者由所述动力电单独给所述负载供电。

于本发明的一实施例中，所述第三航行工况为船舶进出港工况。

于本发明的一实施例中，所述第一航行工况为船舶正常航行工况。

于本发明的一实施例中，所述第二航行工况为船舶重载航行工况。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明另一方面提供一种基于动力电池能量转换的船舶航行方法，所述基于动力电池能量转换的船舶航行方法包括：在第一航行工况下，令动力机械结构通过轴带动轴带发电机转动，所述轴带发电机在发电状态下通过变频器给动力电池充电；在第二航行工况下，令所述动力电池通过所述变频器给所述轴带发电机供电，所述轴带发电机在电动状态下，为螺旋桨提供动力。

于本发明的一实施例中，在所述第一航行工况为船舶正常航行工况下，令所述动力机械结构提供动力，通过轴带动所述螺旋桨和所述轴带发电机转动，所述螺旋桨提供动力使船舶前进，所述轴带发电机运行在发电状态下，通过所述变频器给负载供电和所述动力电池充电；在所述第二航行工况为船舶重载航行工况下，令所述动力机械结构提供动力，通过所述轴带动所述螺旋桨和所述轴带发电机转动，所述螺旋桨提供动力使船舶前进，所述动力电池通过所述变频器给所述轴带发电机供电，使所述轴带发电机运行在电动状态，为螺旋桨提供动力；在船舶进出港工况下，令所述动力机械结构提供动力，通过所述轴带动所述螺旋桨和所述轴带发电机转动，所述螺旋桨提供动力使船舶前进，所述轴带发电机和所述动力电池共同给所述负载供电，或者由所述动力电单独给所述负载供电。

如上所述，本发明所述的基于动力电池能量转换的船舶航行系统及方法，具有以下有益效果：

本发明利用动力电池具有存储能量并按需释放能量的特点以及轴带发电机安装在主机或推进轴上，作为能量转换的装置可以用来发电，给动力电池充电，或者从电池吸收能量给轴提供动力，实现能量的相互转换，抵消螺旋桨功率的波动，从而抵消或减小主机的功率波动，实现船舶主机削峰填谷，并因此可以减少或排除主机燃料的变化，起到节油的目的。

附图说明

图1显示为本发明的基于动力电池能量转换的船舶航行系统于一实施例中的结构示意图。

图2显示为本发明的基于动力电池能量转换的船舶航行系统于一实施例中的结构原理图。

图3显示为本发明的基于动力电池能量转换的船舶航行方法于一实施例中的原理流程图。

元件标号说明

1 基于动力电池能量转换的船舶航行系统

11 动力机械结构

12 轴带发电机

13 变频器

14 动力电池

15 螺旋桨

16 负载

17 推进轴

18 电缆

S11～S12 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明所述的基于动力电池能量转换的船舶航行系统及方法利用轴带发电机和动力电池的能量转换，抵消螺旋桨功率的波动，从而抵消或减小主机的功率波动，达到省油和节约航行成本的目的。

以下将结合图1至图3详细阐述本实施例的一种基于动力电池能量转换的船舶航行系统及方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的基于动力电池能量转换的船舶航行系统及方法。

以下将结合图示对本实施例所提供的基于动力电池能量转换的船舶航行系统进行详细描述。

请参阅图1，显示为本发明的基于动力电池能量转换的船舶航行系统于一实施例中的结构示意图。如图1所示，所述基于动力电池能量转换的船舶航行系统包括：动力机械结构11、轴带发电机12、变频器13和动力电池14。

所述动力机械结构11用于推进船舶航行。

所述轴带发电机12用于在不同航行工况下进行发电机和电动机的功能切换。

具体地，轴带发电机12是指由船舶推进轴提供动力，将动力转换成电力的发电机，其也可将电力转换成动力，当做电动机用，是双向能量转换装置。

所述变频器13用于电力的变换和能量的控制，实现与所述变频器连接的所述轴带发电机、所述动力电池之间的能量流通。

所述动力电池14用于在不同航行工况下进行充电和供电的功能切换。

在第一航行工况下，所述动力机械结构11通过轴带动所述轴带发电机12转动，所述轴带发电机12在发电状态下通过所述变频器13给所述动力电池14充电。

在第二航行工况下，所述动力电池14通过所述变频器13给所述轴带发电机12供电，所述轴带发电机12在电动状态下，为螺旋桨提供动力。

请参阅图2，显示为本发明的基于动力电池能量转换的船舶航行系统于一实施例中的结构原理图。如图2所示，所述基于动力电池能量转换的船舶航行系统包括：动力机械结构11、轴带发电机12、变频器13、动力电池14、螺旋桨15、负载16、推进轴17和电缆18。

于实际应用中，所述动力机械结构11为主机(Main Engine,ME)，主机即是用于推进船舶航行的动力机械。

具体地，主机11通过推进轴(Shaft)17与螺旋桨(Propeller)15连接，主机11与螺旋桨15之间设有轴带发电机(Shaft Generator，SG)12，轴带发电机12通过电缆18连接有变频器(Convertor)13，变频器13通过电缆(Cable)18连接动力电池14和船舶的负载(Load)16。

于实际应用中，动力电池14为动力电池组(Battery Pack，BP)。所述动力电池组是指并联的数组电池，该电池组可以是铅酸电池、锂离子电池或燃料电池等多种形式，单独或结合其他能源共同给船舶提供电力。

所述动力机械结构11通过轴(推进轴17)带动所述螺旋桨15转动，所述螺旋桨15提供动力使船舶前进。

在所述第一航行工况下，所述负载16由所述轴带发电机12在发电状态下通过所述变频器13进行供电。

于一实施例中，所述负载16为电力负载，所述电力负载是指船舶的电力消耗用户。

于一实施例中，在第三航行工况下，所述动力机械结构11提供动力，通过所述轴17带动所述螺旋桨15和所述轴带发电机12转动，所述螺旋桨15提供动力使船舶前进，所述轴带发电机12和所述动力电池14共同给所述负载16供电，或者由所述动力电池14单独给所述负载16供电。

具体地，所述第三航行工况为船舶进出港工况。

于实际应用中，所述第一航行工况为船舶正常航行工况。所述第二航行工况为船舶重载航行工况。

由此，本发明中基于动力电池能量转换的船舶航行方法运行在船舶正常航行工况下，当主机负荷波动时，通过调节动力电池的输出功率来抵消或降低主机的负荷波动，实现主机削峰填谷，从而节省燃料的目的。

进一步地，所述基于动力电池能量转换的船舶航行方法削峰填谷的具体分析如下：

在船舶正常航行工况下，主机发出的功率给螺旋桨提供动能使船舶航行，以及给轴带发电机发电，轴带发电机发出的电给船舶的用电设备使用。即主机功率等于螺旋桨功率加轴带发电机功率，并且轴带发电机功率等于船舶用电设备总功率，用第一公式组表示如下：

P1＝P3+P2

P2＝P8

其中，P1表示主机发出的功率，P2表示轴带发电机功率，P3表示螺旋桨功率，P8表示船舶用电设备总功率。螺旋桨功率P3受到风、浪和涌等自然因素的影响会有周期性的波动，而船舶用电设备总功率即船舶的用电负荷P8在较长时间内几乎是恒定的，这样，主机发出的功率P1也就会有周期性的波动，造成主机燃料的波动并降低效率。

若将螺旋桨功率波动表示为P3＝P3C+ΔP，其中P3C为螺旋桨功率平均值，ΔP为螺旋桨功率波动值，有正有负，则上述公式组可改写为第二公式组：

P1＝P3C+ΔP+P2

P2＝P8

为起到削峰填谷的作用，将动力电池功率P4参与到能量转换中，其作为负载吸收电能时，将第二公式组改写为第三公式组：

P1＝P3C+ΔP+P2

P2＝P8+P4

将第三公式组的两式相加，得如下公式：

P1＝P3C+P8+ΔP+P4

控制P4＝-ΔP，考虑P3C和P8为恒定值，则P1也为恒定值，即当螺旋桨功率增加时，ΔP为正值，控制电池组输出电能，反之，ΔP为负值，控制电池组吸收电能，即可使主机功率保持恒定，达到节油的目的。

需要说明的是，在实际项目中，受限于系统配置的不同，P4不必完全等同于ΔP，只要降低主机负荷的波动幅度，就能降低主机燃料。

请参阅图3，显示为本发明的基于动力电池能量转换的船舶航行方法于一实施例中的原理流程图。如图3所示，所述基于动力电池能量转换的船舶航行方法应用于所述基于动力电池能量转换的船舶航行中，具体包括以下几个步骤：

S31，在第一航行工况下，令动力机械结构通过轴带动轴带发电机转动，所述轴带发电机在发电状态下通过变频器给动力电池充电。

S32，在第二航行工况下，令所述动力电池通过所述变频器给所述轴带发电机供电，所述轴带发电机在电动状态下，为螺旋桨提供动力。

在所述第一航行工况为船舶正常航行工况下，令所述动力机械结构提供动力，通过轴带动所述螺旋桨和所述轴带发电机转动，所述螺旋桨提供动力使船舶前进，所述轴带发电机运行在发电状态下，通过所述变频器给负载供电和所述动力电池充电。

在所述第二航行工况为船舶重载航行工况下，令所述动力机械结构提供动力，通过所述轴带动所述螺旋桨和所述轴带发电机转动，所述螺旋桨提供动力使船舶前进，所述动力电池通过所述变频器给所述轴带发电机供电，使所述轴带发电机运行在电动状态，为螺旋桨提供动力。

在船舶进出港工况下，令所述动力机械结构提供动力，通过所述轴带动所述螺旋桨和所述轴带发电机转动，所述螺旋桨提供动力使船舶前进，所述轴带发电机和所述动力电池共同给所述负载供电，或者由所述动力电单独给所述负载供电。

本发明所述的基于动力电池能量转换的船舶航行方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本发明的保护范围内。

本发明所述的基于动力电池能量转换的船舶航行系统的原理与所述的基于动力电池能量转换的船舶航行方法一一对应，本发明所述的基于动力电池能量转换的船舶航行系统可以实现本发明所述的基于动力电池能量转换的船舶航行方法，但本发明所述的基于动力电池能量转换的船舶航行方法的实现装置包括但不限于本实施例列举的基于动力电池能量转换的船舶航行系统的结构，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的结构变形和替换，都包括在本发明的保护范围内。

综上所述，本发明所述基于动力电池能量转换的船舶航行系统及方法利用动力电池具有存储能量并按需释放能量的特点以及轴带发电机安装在主机或推进轴上，作为能量转换的装置可以用来发电，给动力电池充电，或者从电池吸收能量给轴提供动力，实现能量的相互转换，抵消螺旋桨功率的波动，从而抵消或减小主机的功率波动，实现船舶主机削峰填谷，并因此可以减少或排除主机燃料的变化，起到节油的目的。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于动力电池能量转换的船舶航行系统，其特征在于，所述基于动力电池能量转换的船舶航行系统包括：

动力机械结构，用于推进船舶航行；

轴带发电机，用于在不同航行工况下进行发电机和电动机的功能切换；

动力电池，用于在不同航行工况下进行充电和供电的功能切换；

变频器，用于电力的变换和能量的控制，实现与所述变频器连接的所述轴带发电机、所述动力电池之间的能量流通；

在第一航行工况下，所述动力机械结构通过轴带动所述轴带发电机转动，所述轴带发电机在发电状态下通过所述变频器给所述动力电池充电；在第二航行工况下，所述动力电池通过所述变频器给所述轴带发电机供电，所述轴带发电机在电动状态下，为螺旋桨提供动力。

2.根据权利要求1所述的基于动力电池能量转换的船舶航行系统，其特征在于，所述基于动力电池能量转换的船舶航行系统还包括：螺旋桨；

所述动力机械结构通过轴带动所述螺旋桨转动，所述螺旋桨提供动力使船舶前进。

3.根据权利要求1所述的基于动力电池能量转换的船舶航行系统，其特征在于，所述基于动力电池能量转换的船舶航行系统还包括：负载；

在所述第一航行工况下，所述负载由所述轴带发电机在发电状态下通过所述变频器进行供电。

4.根据权利要求3所述的基于动力电池能量转换的船舶航行系统，其特征在于，所述负载为电力负载，所述电力负载是指船舶的电力消耗用户。

5.根据权利要求3所述的基于动力电池能量转换的船舶航行系统，其特征在于，在第三航行工况下，所述动力机械结构提供动力，通过所述轴带动所述螺旋桨和所述轴带发电机转动，所述螺旋桨提供动力使船舶前进，所述轴带发电机和所述动力电池共同给所述负载供电，或者由所述动力电单独给所述负载供电。

6.根据权利要求5所述的基于动力电池能量转换的船舶航行系统，其特征在于，所述第三航行工况为船舶进出港工况。

7.根据权利要求1所述的基于动力电池能量转换的船舶航行系统，其特征在于，所述第一航行工况为船舶正常航行工况。

8.根据权利要求1所述的基于动力电池能量转换的船舶航行系统，其特征在于，所述第二航行工况为船舶重载航行工况。

9.一种基于动力电池能量转换的船舶航行方法，其特征在于，所述基于动力电池能量转换的船舶航行方法包括：

在第一航行工况下，令动力机械结构通过轴带动轴带发电机转动，所述轴带发电机在发电状态下通过变频器给动力电池充电；

在第二航行工况下，令所述动力电池通过所述变频器给所述轴带发电机供电，所述轴带发电机在电动状态下，为螺旋桨提供动力。

10.根据权利要求9所述的基于动力电池能量转换的船舶航行系统，其特征在于：

在所述第一航行工况为船舶正常航行工况下，令所述动力机械结构提供动力，通过轴带动所述螺旋桨和所述轴带发电机转动，所述螺旋桨提供动力使船舶前进，所述轴带发电机运行在发电状态下，通过所述变频器给负载供电和所述动力电池充电；

在所述第二航行工况为船舶重载航行工况下，令所述动力机械结构提供动力，通过所述轴带动所述螺旋桨和所述轴带发电机转动，所述螺旋桨提供动力使船舶前进，所述动力电池通过所述变频器给所述轴带发电机供电，使所述轴带发电机运行在电动状态，为螺旋桨提供动力；

在船舶进出港工况下，令所述动力机械结构提供动力，通过所述轴带动所述螺旋桨和所述轴带发电机转动，所述螺旋桨提供动力使船舶前进，所述轴带发电机和所述动力电池共同给所述负载供电，或者由所述动力电单独给所述负载供电。

Images