CN114291244A

CN114291244A - 一种纯电动船舶艉部推进装置及系统

Info

Publication number: CN114291244A
Application number: CN202111562693.XA
Authority: CN
Inventors: 姚世强; 王伟; 孟少邦
Original assignee: CRRC Xian Yongdian Electric Co Ltd
Current assignee: CRRC Xian Yongdian Electric Co Ltd
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-04-08

Abstract

本发明公开了一种纯电动船舶艉部推进装置及系统，包括船体，所述船体内设有电池舱、机舱、舵机舱和电力推进机构；其中，电力推进机构主要由电池单元、直流配电板、逆变器、变频器、电动机、舵桨单元和推进控制柜组成，电池单元通过直流配电板和逆变器为电动机和日用负载提供电源，变频器和推进控制柜控制电动机的运行，电动机驱动舵桨单元运转；推进装置与待推进船舶可拆卸连接，用于驱动整体移动；另外在待推进船舶上设有控制整体运行的操作控制台。本发明特别适用于柴油船舶与新造新能源船舶当下共存的过渡期，不需大幅新造新能源船舶、同时使未达到报废船舶继续运行，减少资金投入、避免资源浪费且能够满足环保要求。

Description

一种纯电动船舶艉部推进装置及系统

技术领域

本发明属于船用艉部推进装置技术领域，具体涉及一种纯电动船舶艉部推进装置，该推进装置通过与传统柴油船刚性联结，可作为新造新能源船舶和传统柴油机船共存的过渡期使用。

背景技术

现在大多数传统船舶的动力装置都采用柴油作为燃料。但随着国际海事组织和各国政府对船舶排放控制规定的出台和生效，柴油已经不能满足这些法规对排放的要求。就要采用新的技术，来满足这些法规的要求。新能源锂电池船舶以其振动小、噪音低、零排放等优势，有着巨大的市场前景，同时，也符合国家发展低碳绿色经济、节能减排，实现可持续发展的能源发展战略。

目前，国家和地方已经出台了很多鼓励或强制条例，如：《水污染防治行动计划》、《中共中央国务院关于加快推进生态文明建设的意见》、《打赢蓝天保卫战三年行动计划》、《珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区实施方案》、《推进长江航运科学发展的若干意见》、《广州港口船舶排放控制补贴资金实施方案的通知》、《关于浙江省实施船舶排放控制区的通告》、《云南省滇池保护条例》等。随着国家环保政策的管控力度加大和新能源船舶技术的日臻成熟，新能源船舶在两江和内湖得到越来越多的应用，目前全国部分地方已经出台的强制替换要求或鼓励政策，未来适合新能源船舶工况的游船、渡船、公务艇、内河运输船将有可能全部替换成新能源船只，但是新造新能源船舶或者改造传统的柴油船需要一定的周期，短时间内难以取代传统的柴油船，且存在以下具体问题：

一是新造船舶投资费用大，其中船体和动力锂电池各占一半；二是现有船舶尚未达到报废年限，如强行报废造成资源的浪费，但如果对其进行升级改造需要将柴油机、齿轮箱等从船体上拆除，增设电池舱并按船级社规范完成电池舱室“A-60”级分隔结构及其他安全措施配套，改造周期长，影响船东收益，尤其是客船不允许对其进行改造；三是现有单艘电池船舶由于充电时间长达5个小时左右，造成诸多不便。

综上所述，新能源船舶初期投资高，电池充电时间长，在现有船只改造可行性不高，且船舶所有权私有化特征，船东改造或新建新能源船舶积极性不好，导致国家船舶新能源化进程推进缓慢，因此在相当长一段时间是新造新能源船舶和传统柴油船共存的过渡期，如何避免传统柴油船对环境造成危害，是当下过渡期亟待解决的问题。

有鉴于此，本发明人提出一种纯电动船舶艉部推进装置及系统，将其应用在传统柴油机船中，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种纯电动船舶艉部推进装置及系统，该推进装置的动力来源无污染的锂电池，可将该推进装置与传统柴油船可拆卸连接，作为新造新能源船舶和传统柴油机船共存的过渡期使用。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种纯电动船舶艉部推进装置，包括船体，所述船体内设置有电池舱、机舱、舵机舱和电力推进机构，所述电池舱和舵机舱位于船体的收尾两端，所述机舱位于电池舱与舵机之间；

其中，所述电力推进机构主要由电池单元、直流配电板、逆变器、变频器、电动机、舵桨单元和推进控制柜组成，所述电池单元通过直流配电板和逆变器为电动机和日用负载提供电源，所述变频器和推进控制柜控制电动机的运行，所述电动机驱动舵桨单元运转；

所述船体位于电池舱的一端与待推进船舶可拆卸连接，用于推动待推进船舶移动。

进一步地，所述电池单元包括两套磷酸铁锂动力电池组和用于管理及维护两套磷酸铁锂动力电池组的电池管理系统；

其中，所述两套磷酸铁锂动力电池组均安装在电池舱内，且两套磷酸铁锂动力电池组独立运行，为电动机和日用负载供电。

进一步地，所述直流配电板为直立式箱体结构，所述直流配电板的前后面板上下均开设有用于散热的网孔；

所述直流配电板上安装的电器元件与箱体壁之间留有间隙，以消除电器元件短路时产生的飞弧，同时间隙满足电缆弯曲的需要。

进一步地，所述直流配电板包括左右两个相同结构的推进配电控制屏以及中央配电控制屏；

其中，所述推进配电控制屏内部布置有双向DCDC、充电ACDC 以及各自附属的控制单元、滤波组件、辅助DCAC的滤波组件、检测单元、交流熔断器、隔离型开关电源、推进控制负荷开关，所述推进配电控制箱的面板上布置有DCDC、ACDC本地操纵面板、电压表、电流表及变频器的运行状态指示灯、合分闸指示灯、合分闸控制按钮；

所述中央配电控制屏内布置有辅助DCAC、网络控制模块、交换机、各配电变频器的直流熔断器及控制/中间继电器、母排分段隔离开关，述中央配电控制箱的面板布置有机舱监测显示屏、DCAC本地操纵面板、直流母排绝缘状态指示灯、电源状态指示灯及复位、消音控制按钮。

进一步地，所述直流配电板分别与两套磷酸铁锂动力电池组电性连接，所述直流配电板通过充电ACDC分别对两套磷酸铁锂动力电池组充电。

进一步地，所述电动机为永磁同步风冷变频电动机，且设置两台。

进一步地，所述推进控制柜主要由推进操纵单元、推进控制单元、功率和转速控制单元、扭矩控制单元组成；

其中，所述推进操纵单元用于控制舵桨单元的启停、设定舵桨单元转速以及控制舵桨单元舵角；

所述推进控制单元接受来自操纵单元转速设定的信号，处理后传送到功率和转速控制单元；

功率和转速控制单元则将推进控制单元传送过来的转速信号转变为电流(扭矩)信号，并传送到扭矩控制单元，而扭矩控制单元则根据收到的电流信号控制变频器内可控硅的触发脉冲，使得变频器输出电源频率发生变化，从而控制电动机的转速。

进一步地，所述推进控制柜选用西门子PLC1200系列。

进一步地，所述舵桨单元主要由桨轴、桨叶、导流罩、安装底座法兰、齿轮箱和轴系部件组成；

其中，所述桨叶固定安装在桨轴的周面上，且所述桨叶位于导流罩内，所述齿轮箱与桨轴之间设置有安装底座法兰，所述桨轴与齿轮箱内的齿轮啮合传动；所述轴系部件包括电机和万向轴，所述轴系部件通过万向轴与位于水下的桨叶和齿轮箱连接，用于实现推进装置 360°范围内自由旋转；

所述舵桨单元本体上安装有手动机械转舵部件和舵角反馈器，用于在安装、维修时调节舵角位置；所述舵角反馈器与实际舵角同步，用于实时将舵角位置转化为电信号，传输到推进控制柜。

一种推进系统，所述推进系统包括在待推进船舶驾控室内增设一台操作控制台，所述操作控制台与以上所述的推进装置中的直流配电板和推进控制柜分别连接，用于控制推进装置与待推进船舶整体运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明一种纯电动船舶艉部推进装置及系统，仅需在传统柴油船舶的端部设置连接件，通过连接件即可实现传统柴油船舶与推进装置的可拆卸连接，以实现纯电动驱动取代原有柴油驱动，满足国家整体环保要求。相比现有技术具有以下优势：

节省成本：不用短时间投资巨额资金全面新造新能源船舶替换现有柴油船舶，也不用停止现有船舶运营；

缩短周期：艉部推进装置建造不影响待改造船舶运行，仅需在待改造船舶上设置连接件和操作控制台，完成后将两者连接即可投入运营；

系统冗余率：本发明在传统柴油船增设一台操作控制台，该操作控制台与艉部推进装置集成，保留原传统柴油船舶的系统，实现两套系统完全独立，互不干涉；

社会效益显著：在现有柴油船舶未达到报废年限情况下，船东不愿意大幅投资新能源船舶取代现有柴油船舶，导致环保号召落地不到位的，而该艉部推进装置可充分取长补短，集优势于一体，成为国家新能源革新过渡阶段的产品。

2、本发明一种纯电动船舶艉部推进装置，该艉部推进装置建设成本低廉，可根据预要推进船舶的型号进行相匹配的设计，当批量生产后，组建运营公司“嘀嘀打船”，现有柴油船船舶可根据需求进行租赁，在航道码头替换艉部推船，船东只需承担租金和电费即可。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种纯电动船舶艉部推进装置结构示意图；

图2是本发明艉部推进装置与待推进船舶连接后结构示意图；

图3是本发明直流配电板与电池单元、逆变器等连接示意图；

图4是本发明直流配电板结构示意图；

图5是本发明舵桨单元结构示意图。

其中：1为电池舱；2为机舱；3为舵机舱；4为电力推进机构； 5为船员室；41为电动机；42为舵桨单元；43为电池单元；42为直流配电板；421为桨轴；422为桨叶；423为导流罩；424为齿轮箱； 425为安装底座法兰；426为轴系部件。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

参见图1～5所示，本发明提供一种纯电动船舶艉部推进装置，包括船体，所述船体内设置有电池舱1、机舱2、舵机舱3和电力推进机构，电池舱1和舵机舱3位于船体的收尾两端，所述机舱2位于电池舱1与舵机舱3之间，另外根据需求可选择设置船员室4。

其中，电力推进机构4主要由电池单元43、直流配电板44、逆变器、变频器、电动机41、舵桨单元42和推进控制柜等组成，电池单元43通过直流配电板44和逆变器为电动机和日用负载提供电源，变频器和推进控制柜控制电动机41的运行，电动机驱动舵桨单元42 运转。

具体的，本发明实施例电池单元43包括安全等级为2级的两套磷酸铁锂动力电池组和用于管理及维护两套磷酸铁锂动力电池组的电池管理系统；其中，每套磷酸铁锂动力电池组由电池单体、电池模组、电池包、电池簇、电池域逐级串并联组成；电池管理系统(BMS) 监控动每套磷酸铁锂动力电池组的运行和使用状态，确保磷酸铁锂动力电池组的安全使用，优选的，所述两套磷酸铁锂动力电池组均安装在电池舱内，且两套磷酸铁锂动力电池组独立运行，可为电动机和日用负载供电。

如图4所示，本发明实施例直流配电板44为直立式箱体结构，直流配电板的面板采用厚度2.0mm钢制制作，箱柜经热浸镀锌处理，抗腐蚀性强，箱柜前后面板的底部开进气网孔，上部开散热网孔。直流配电板箱体的设计使电气开关便于操作，活动门的缝隙一致，开启角度应不小于90°，并带有位置开关；另外直流配电板要求能够受吊装、运输过程中的冲击和振动，电器元件与箱柜壁之间留有间隙，以消除电器元件短路时产生的飞弧，同时间隙要求满足电缆弯曲的需要。

本发明实施例直流配电板包括左右两个相同结构的推进配电控制屏以及中央配电控制屏；其中，推进配电控制屏内部布置有双向 DCDC、充电ACDC以及各自附属的控制单元、滤波组件、辅助DCAC 的滤波组件、检测单元、交流熔断器、隔离型开关电源、推进控制负荷开关，推进配电控制箱的面板上布置有DCDC、ACDC本地操纵面板、电压表、电流表及变频器的运行状态指示灯、合分闸指示灯、合分闸控制按钮；中央配电控制屏内布置有辅助DCAC、网络控制模块、交换机、各配电变频器的直流熔断器及控制/中间继电器、母排分段隔离开关，述中央配电控制箱的面板布置有机舱监测显示屏、DCAC 本地操纵面板、直流母排绝缘状态指示灯、电源状态指示灯及复位、消音控制按钮。

其中，直流配电板分别与两套磷酸铁锂动力电池组电性连接，直流配电板通过充电ACDC分别对两套磷酸铁锂动力电池组充电，并由岸电箱提供AC380V或DC750V国标电源。

本发明实施例变频器具体参数如下表一所示：

表一：

。

本发明实施例电动机具体参数如下表二所示：表二：

本发明实施例推进控制柜选用西门子PLC1200系列，推进控制柜是推进控制的核心，进行数据采集、运算和传输，控制电源、通讯均满足冗余要求，设置有报警单元，报警单元配合整船网络监控组成 Profinet网络构架，重要信号与驾控台、逆变器、推进单元硬性连接；

推进控制柜的中央控制箱包含如下表三所示：

表三：

名称	数量	备注
			电源模块	1个
主控制器	1个
			I/O输入输出模块	若干
继电器	若干
			熔断器	若干
空气断路器	若干
			220V插座	1个
显示屏	1个
			信号隔离模块	6个

。

本发明实施例推进控制柜主要由推进操纵单元、推进控制单元、功率和转速控制单元、扭矩控制单元组成；其中，所述推进操纵单元用于控制舵桨单元的启停、设定舵桨单元转速以及控制舵桨单元舵角；所述推进控制单元接受来自操纵单元转速设定的信号，处理后传送到功率和转速控制单元；功率和转速控制单元则将推进控制单元传送过来的转速信号转变为电流(扭矩)信号，并传送到扭矩控制单元，而扭矩控制单元则根据收到的电流信号控制变频器内可控硅的触发脉冲，使得变频器输出电源频率发生变化，从而控制电动机的转速。

如图5所示，本发明舵桨单元42由桨轴421、桨叶422、导流罩423、齿轮箱424、安装底座法兰425、桨轴密封和轴系部件426 等部件组成；其中，轴系部分426包含电机、过渡法兰、及万向轴等部件，桨叶422固定安装在桨轴421的周面上，且桨叶421位于导流罩422内，齿轮箱424与桨轴421之间设置有安装底座法兰425，桨 421与齿轮箱424内的齿轮啮合传动；轴系部件通过万向轴与位于水下的桨叶422和齿轮箱424连接，电机通过轴系部分传递至桨叶产生推力，用于实现推进装置360°范围内自由旋转，形成全方位推力，极大地提高了船舶的灵活性。

本发明实施例舵桨单元本体上安装有手动机械转舵部件和舵角反馈器，用于在安装、维修时调节舵角位置；舵角反馈器与实际舵角同步，用于实时将舵角位置转化为电信号，传输到推进控制柜。

本发明艉部推进装置船体位于电池舱的一端与待推进船舶可拆卸连接，用于推动待推进船舶移动。其中，艉部推进装置与待推进船舶连接后要求两者为一个整体，连接方式方式可以为铰接、螺接等多种结构，例如可在艉部推进装置上设置外凸设置的公接口，在待推进船舶上相应位置设置内凹的母接口，当公接口伸入内凹的母接口后，在通过螺栓将两者紧固。

另外本发明还提供一种推进系统，所述推进系统包括在待推进船舶驾控室内增设一台操作控制台，操作控制台与上述推进装置中的直流配电板和推进控制柜分别连接，用于控制推进装置与待推进船舶整体运行。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims

1.一种纯电动船舶艉部推进装置，其特征在于，包括船体，所述船体内设置有电池舱、机舱、舵机舱和电力推进机构，所述电池舱和舵机舱位于船体的收尾两端，所述机舱位于电池舱与舵机之间；

2.根据权利要求1所述的一种纯电动船舶艉部推进装置，其特征在于，所述电池单元包括两套磷酸铁锂动力电池组和用于管理及维护两套磷酸铁锂动力电池组的电池管理系统；

3.根据权利要求2所述的一种纯电动船舶艉部推进装置，其特征在于，所述直流配电板为直立式箱体结构，所述直流配电板的前后面板上下均开设有用于散热的网孔；

4.根据权利要求3所述的一种纯电动船舶艉部推进装置，其特征在于，所述直流配电板包括左右两个相同结构的推进配电控制屏以及中央配电控制屏；

其中，所述推进配电控制屏内部布置有双向DCDC、充电ACDC以及各自附属的控制单元、滤波组件、辅助DCAC的滤波组件、检测单元、交流熔断器、隔离型开关电源、推进控制负荷开关，所述推进配电控制箱的面板上布置有DCDC、ACDC本地操纵面板、电压表、电流表及变频器的运行状态指示灯、合分闸指示灯、合分闸控制按钮；

5.根据权利要求4所述的一种纯电动船舶艉部推进装置，其特征在于，所述直流配电板分别与两套磷酸铁锂动力电池组电性连接，所述直流配电板通过充电ACDC分别对两套磷酸铁锂动力电池组充电。

6.根据权利要求1所述的一种纯电动船舶艉部推进装置，其特征在于，所述电动机为永磁同步风冷变频电动机，且设置两台。

7.根据权利要求1所述的一种纯电动船舶艉部推进装置，其特征在于，所述推进控制柜主要由推进操纵单元、推进控制单元、功率和转速控制单元、扭矩控制单元组成；

8.根据权利要求7所述的一种纯电动船舶艉部推进装置，其特征在于，所述推进控制柜选用西门子PLC1200系列。

9.根据权利要求1所述的一种纯电动船舶艉部推进装置，其特征在于，所述舵桨单元主要由桨轴、桨叶、导流罩、安装底座法兰、齿轮箱和轴系部件组成；

其中，所述桨叶固定安装在桨轴的周面上，且所述桨叶位于导流罩内，所述齿轮箱与桨轴之间设置有安装底座法兰，所述桨轴与齿轮箱内的齿轮啮合传动；所述轴系部件包括电机和万向轴，所述轴系部件通过万向轴与位于水下的桨叶和齿轮箱连接，用于实现推进装置360°范围内自由旋转；

10.一种推进系统，其特征在于，所述推进系统包括在待推进船舶驾控室内增设一台操作控制台，所述操作控制台与权利要求1～9任一项所述的推进装置中的直流配电板和推进控制柜分别连接，用于控制推进装置与待推进船舶整体运行。