CN115009498A - 柴电混合动力推进系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种柴电混合动力推进系统及控制方法，涉及船舶推进系统相关技术领域，用于解决柴电混合动力系统的调速范围小的问题。本申请提供的柴电混合动力推进系统包括柴油机推进系统和电力推进系统，柴油机推进系统包括依次相连的柴油机、中间齿轮箱、主齿轮箱、传动轴和螺旋桨；电力推进系统包括供电装置，以及与所述供电装置依次电性连接的变频器和电机组，所述电机组包括多个电机、且多个所述电机均设置在所述中间齿轮箱上。本申请用于实现柴电混合动力推进系统的多级调速。

Description

柴电混合动力推进系统及控制方法

技术领域

本申请涉及船舶推进系统相关技术领域，具体涉及一种柴电混合动力推进系统及控制方法。

背景技术

船舶推进系统是各种能量的产生、传递、消耗的全部机械、设备，它是船舶的一个重要组成部分，为船舶航行提供动力来源和安全保障。在综合考虑运营工况多样性、可靠性、运行经济性、振动与噪声、环境污染的情况下，船舶推进系统正由单一的柴油机推进系统逐渐向混合动力推进系统方向发展，柴电混合推进系统应运而生。

图1示出了现有技术中的柴电混合动力系统的结构示意图。如图1所示，该柴电混合动力系统包括依次相连的柴油机01、齿轮箱02、轴系组件03和螺旋桨04。其中，所述齿轮箱02具有两个输入端，两个输入端中的一个输入端与柴油机01相连、另一个输入端与电机05的电机轴相连。该柴电混合动力系统还包括与所述电机05电性连接的变频器06、与变频器06电性连接的供电装置07。

然而，现有的柴油机01上仅连接有一台电机05，该柴电混合动力系统的调速范围与该电机的转速范围相关，由此上述柴电混合动力系统的调速范围较小。

发明内容

本申请提供了一种柴电混合动力推进系统及控制方法，以解决柴电混合动力系统的调速范围较小的问题。

为达上述目的，一方面，本申请提供的柴电混合动力推进系统包括：

柴油机推进系统，包括依次相连的柴油机、中间齿轮箱、主齿轮箱、传动轴和螺旋桨；

电力推进系统，包括供电装置，以及与所述供电装置依次电性连接的变频器和电机组，所述电机组包括多个电机、且多个所述电机均设置在所述中间齿轮箱上。

在本申请的一些实施例中，所述柴油机推进系统具有两组，所述变频器、所述电机组均具有两个，其中，每组所述柴油机推进系统的中间齿轮箱上均设置有所述电机组，每个所述电机组通过与其相对设置的所述变频器连接至同一所述供电装置。

在本申请的一些实施例中，所述柴电混合动力推进系统还包括：

转换装置，电性连接所述供电装置和两个所述变频器，以将所述供电装置提供的直流电源转化成交流电源后同时供给两个所述变频器。

在本申请的一些实施例中，所述中间齿轮箱内设有离合器，所述的柴电混合动力推进系统还包括：

控制器，与所述离合器连接，控制所述离合器的状态使得所述柴油机与所述中间齿轮箱连接或断开。

在本申请的一些实施例中，多个所述电机均集成在设置在所述中间齿轮箱上，并与所述中间齿轮箱形成一体式结构。

在本申请的一些实施例中，所述控制器与多个所述电机均电性连接，控制多个所述电机中处于工作状态的电机数量以及处于工作状态的所述电机的转速。

在本申请的一些实施例中，所述供电装置被配置为电池组。

相较于现有技术，本申请在中间齿轮箱上设有多个电机，由于电机数量增加将会使得传递到中间齿轮箱的输出端的总功率增加，并且驱动上述螺旋桨转动所需的负载扭矩为定值，因此中间齿轮箱的输出端的输出转速将会增大，从而保证上述柴电混合动力推进系统具有相对较大的输出转速范围，即上述柴电混合动力推进系统的调速范围较大，进而实现了该柴电混合动力推进系统的多级调速。

同时，本申请将中间齿轮箱和柴油机在设计上固化形成母型，在此基础上根据客户需求仅需增加电机和变频器的配置数量，从而实现了柴电混合动力系统的标准化和模块化设计。

此外，本申请通过在中中间齿轮箱上集成多个电机，即可选多个小功率电机，以降低电机的尺寸重量，将单机单工况点拆分为两个或多个工况点，细化工况适应性，以更高效的组合方式提升电驱动系统的经济性。

另一方面，本申请还提供了一种柴电混合动力推进系统的控制方法，应用于上述柴电混合动力推进系统，所述电机包括将电能转换为机械能的第一模式，所述柴电混合动力推进系统的控制方法包括：

控制多个电机以所述第一模式运行，并控制处于工作状态的电机数量以及处于工作状态的电机的转速，使得中间齿轮箱的输出端的转速得到调节。

在本申请的一些实施例中，在所述控制多个电机以所述第一模式运行，并控制处于工作状态的电机数量以及处于工作状态的电机的转速的步骤之前，还包括：

若所述柴电混合动力推进系统处于电力推进模式，则控制中间齿轮箱中的离合器切换到分离状态，控制供电装置进行供电；或者，

若所述柴电混合动力推进系统处于柴油机和电力联合推进模式，则控制中间齿轮箱中的离合器切换到结合状态，控制柴油机开启、供电装置进行供电。

在本申请的一些实施例中，在所述控制多个电机以所述第一模式运行，并控制处于工作状态的电机数量以及处于工作状态的电机的转速之前，还包括：

若所述柴电混合动力推进系统处于柴油机推进模式，则控制中间齿轮箱中的离合器切换到结合状态，控制供电装置停止供电。

在本申请的一些实施例中，所述电机还包括将机械能转换为电能的第二模式，在所述若所述柴电混合动力推进系统处于柴油机推进模式，则控制中间齿轮箱中的离合器切换到结合状态，控制供电装置停止供电的步骤之后，还包括：

检测所述柴电混合动力推进系统的输出功率和所述柴油机的工作功率；

判断所述输出功率和所述工作功率的大小，若所述工作功率大于所述输出功率，则控制所述电机以所述第二模式运行，将所述电机产生的电能输送至所述供电装置。

由此，本申请通过增加(或减小)电机数量就能够使得传递到中间齿轮箱的输出端的总功率增加(或减小)，并且驱动上述螺旋桨转动所需的负载扭矩为定值，因此中间齿轮箱的输出端的输出转速将会增大(或减小)，从而保证上述柴电混合动力推进系统的输出转速范围较大，即本申请通过控制多个电机处于工作状态的电机数量以及处于工作状态的电机的转速，就能够实现该柴电混合动力推进系统的多级调速。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中柴电混合动力推进系统的结构示意图；

图2是本申请实施例中柴电混合动力推进系统的结构示意图。

本申请说明书附图中的主要附图标记说明如下：

1-柴油机；2-中间齿轮箱；3-主齿轮箱；4-螺旋桨；5-电机；6-供电装置；7-变频器；8-转换装置；9-传动轴。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请提供一种柴电混合动力推进系统及控制方法，以下分别进行详细说明。需要说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对本申请实施例优选顺序的限定。且在以下实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

图2是本申请实施例中柴电混合动力推进系统的结构示意图。以下，参照图2，对本申请中的柴电混合动力推进系统进行详细说明。

如图2所示，本申请提供的柴电混合动力推进系统包括柴油机推进系统和电力推进系统。所述柴油机推进系统包括依次相连的柴油机1、中间齿轮箱2、主齿轮箱3、传动轴9和螺旋桨4。电力推进系统包括供电装置6，以及与所述供电装置6依次电性连接的变频器7和电机组，其中，所述电机组包括多个电机5、且多个所述电机5均设置在所述中间齿轮箱2上。

相较于现有技术，本申请在中间齿轮箱2上设有多个电机5，以带动中间齿轮箱2内的齿轮转动。同时，由于电机5数量增加将会使得传递到中间齿轮箱2的输出端的总功率增加，并且驱动上述螺旋桨4转动所需的负载扭矩为定值，因此中间齿轮箱2的输出端的输出转速将会增大，从而保证上述柴电混合动力推进系统具有相对较大的输出转速范围，即上述柴电混合动力推进系统的调速范围较大，进而实现了该柴电混合动力推进系统的多级调速。

同时，本申请将中间齿轮箱和柴油机在设计上固化形成母型，在此基础上根据客户需求仅需增加电机和变频器的配置数量，从而实现了柴电混合动力系统的标准化和模块化设计。

此外，本申请通过在中中间齿轮箱上集成多个电机，即可选多个小功率电机，以降低电机的尺寸重量，将单机单工况点拆分为两个或多个工况点，细化工况适应性，以更高效的组合方式提升电驱动系统的经济性。

更具体地讲，在柴油机推进系统中，所述柴油机1的输出端与中间齿轮箱2的输入端相连，所述的中间齿轮箱2的输出端与所述主齿轮箱3的输入端相连。其中，所述柴油机推进系统还包括传动轴9，所述的主齿轮箱3的输出端与传动轴9的一端相连，所述传动轴9的另一端与所述螺旋桨4(即推进器)相连，进而构成本申请上述柴油机推进系统。

可以理解的是，上述多个电机5与中间齿轮箱2相连。即，多个电机5通过电机轴上的齿轮与中间齿轮箱2内的输入轴上的齿轮相啮合。其中，柴电混合动力推进系统顾名思义其可以通过柴油机1推进、电力推进或者通过柴油机1和电力联合推进。由此，通过电力推进能够保证该推进系统在柴油机1发生故障时也不丧失动力。即，柴电混合动力推进系统可灵活提供各种工况需要的驱动力，具有较好的工况适应性。

在本申请另一些实施例中，所述柴油机推进系统具有两组，所述变频器7、所述电机组均具有两个，其中，每组所述柴油机推进系统的中间齿轮箱2上均设置有所述电机组，每个所述电机组通过与其相对设置的所述变频器7连接至同一所述供电装置6，以实现双桨混合动力推进。

需要说明的是，上述柴油机推进系统也可以具有一组。

基于上述实施例，该柴电混合动力推进系统还包括转换装置8，所述转换装置8电性连接所述供电装置6和两个所述变频器7，以将所述供电装置6提供的直流电源转化成交流电源后同时供给两个所述变频器7，由此，本申请通过将多个变频器7与转换装置8接在一起，避免需要同步运行的变频器7运行不同步的现象的发生，有利于提升柴电混合动力推进系统的安全性。在本申请的一些实施例中，该转换装置8为直流母线，直流母线能够在逆变器中将直流转变为交流。

更具体地讲，在电力推进系统中，所述的供电装置6通过线缆与直流母线的一侧相连以提供直流电源，所述直流母线的另一侧通过线缆与所述变频器7相连为所述变频器7提供直流电源。所述变频器7通过线缆与每个所述电机5相连，以对所述电机5进行调速。

其中，所述中间齿轮箱2内设有离合器，所述的柴电混合动力推进系统还包括控制器，控制器与所述离合器连接，所述控制器能够通过控制所述离合器的状态使得所述柴油机1与所述中间齿轮箱2连接或断开，以实现柴电混合动力推进系统中的柴油机1推进、电力推进或者通过柴油机1和电力联合推进之间的切换，进而根据不同的工况选择不同的推进方式。

需要说明的是，本申请柴电混合动力推进系统中的中间齿轮箱2和主齿轮箱3独立设置，而现有技术柴电混合动力推进系统中的仅有一个齿轮箱、且该齿轮箱内包括全部的传动齿轮，该单个设计的齿轮箱的体积相对较大，不利于搬运。然而，本申请中的柴电混合动力推进系统包括中间齿轮箱2和主齿轮箱3，中间齿轮箱2和主齿轮箱3的体积相对较小，有利于搬运安装。

继续参照图2，多个所述电机5均集成在设置在所述中间齿轮箱2上，并与所述中间齿轮箱2形成一体式结构。一方面，上述设置能够保证该柴电混合动力推进系统所需要占用的轴向空间(即图2中的水平方向)较小，提高了柴电混合动力推进系统对船舶的空间适应性。另一方面，上述设置能够有利于实现结构的模块化，在组装该柴电混合动力推进系统的过程中，能够省略将电机5安装至中间齿轮箱2上的步骤。

示例地，本申请在每个中间齿轮箱2的壳体上集成设有两个电机5，并且两个电机5的电机轴均垂直于该柴电混合动力推进系统的轴向布置(即图2中的竖向)。其中，需要说明的是，该电机5的数量包括但不仅限于两个。

此外，所述控制器与多个所述电机5均电性连接，所述控制器能够控制多个所述电机5中处于工作状态的电机数量以及处于工作状态的所述电机5的转速。更具体地讲，上述连接至同一个中间齿轮箱2的多个电机5可以全部同时工作，也可以部分电机5工作。并且，本申请通过上述变频器7能够调节每个电机5的转速，同时结合控制所述电机5中处于工作状态的电机数量，以实现该柴电混合动力推进系统的多级调速。

需要说明的是，上述电机5包括第一模式(即PTO模式)和第二模式(即PTI模式)。在第一模式该电机5作为发电机发电输出功率，即，当船舶稳定运行时，柴油机1产生的多余能量能够通过该电机5、转换装置8回馈给供电装置6，以对供电装置6进行充电，由此将柴油机1产生的多余能量储蓄起来以达到节约能源的目的。在第二模式下供电装置6中储存的电能通过转换装置8和变频器7传递至电机5，即该电机5当作普通电机5使用，以带动中间齿轮箱2内的齿轮、主齿轮箱3内的齿轮和螺旋桨4运转。

在本申请一些实施例中，所述供电装置6被配置为电池组，以保证供电装置6的结构较为简单、且易于实现。同时，若所述供电装置6为电池组，能够保证所述柴电混合动力推进系统无需外接电源线，即对其的安装位置没有固定限制，可以安装在任意位置，进而保证上述柴电混合动力推进系统的使用场景较为广泛。

本申请还提供了一种柴电混合动力推进系统的控制方法，应用于上述柴电混合动力推进系统，所述电机包括将电能转换为机械能的第一模式(PTI模式)，所述控制方法包括：控制多个电机5以所述第一模式运行，并控制处于工作状态的电机数量以及处于工作状态的电机5的转速，使得中间齿轮箱2的输出端的转速得到调节。由此，本申请通过增加(或减小)电机5的数量就能够使得传递到中间齿轮箱2的输出端的总功率增加(或减小)，并且驱动上述螺旋桨4转动所需的负载扭矩为定值，因此中间齿轮箱2的输出端的输出转速将会增大(或减小)，从而保证上述柴电混合动力推进系统的输出转速范围较大，即本申请通过控制多个电机5中处于工作状态的电机数量以及处于工作状态的电机5的转速，就能够实现该柴电混合动力推进系统的多级调速。

基于上述实施例，在所述控制多个电机5以所述第一模式运行、并控制处于工作状态的电机数量以及处于工作状态的电机5的转速的步骤之前，还包括：若所述柴电混合动力推进系统处于电力推进模式，则控制中间齿轮箱2中的离合器切换到分离状态，控制供电装置6进行供电；或者，若所述柴电混合动力推进系统处于柴油机1和电力联合推进模式，则控制中间齿轮箱2中的离合器切换到结合状态，柴油机1与中间齿轮箱2连接，并且控制供电装置6进行供电以通过变频器7驱动电机5转动，即通过柴油机1和供电装置6进行联合推进，柴油机1与不同工作数量的电机5联合推进，以进一步加快所述船舶的运行速度，适合高速运行的工况。

并且，在所述控制多个电机5以所述第一模式运行，并控制处于工作状态的电机数量以及处于工作状态的电机5的转速的步骤之前，还包括：若所述柴电混合动力推进系统处于柴油机推进模式，则控制中间齿轮箱2中的离合器切换到结合状态，以将柴油机1和中间齿轮箱2连接，通过柴油机1带动中间齿轮箱2内的齿轮转动，进而带动主齿轮箱3内的齿轮转动，最终实现螺旋桨4的运转。在柴油机1推进工况下，电机5无需运转，此时控制供电装置6停止供电。

基于上述实施例，所述电机还包括将机械能转换为电能的第二模式(PTO模式)，在所述若所述柴电混合动力推进系统处于柴油机推进模式，则控制中间齿轮箱2中的离合器切换到结合状态，控制供电装置6停止供电的步骤之后，还包括：检测所述柴电混合动力推进系统的输出功率和所述柴油机1的工作功率；判断所述输出功率和所述工作功率的大小，若所述工作功率大于所述输出功率，即表明柴油机1有产生的多余能量，则控制所述电机5以第二模式运行，将所述电机5产生的电能输送至所述供电装置6，对供电装置6进行充电，进而达到节约能源的目的。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。此外，说明书中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (11)

1.一种柴电混合动力推进系统，其特征在于，包括：

柴油机推进系统，包括依次相连的柴油机、中间齿轮箱、主齿轮箱、传动轴和螺旋桨；

电力推进系统，包括供电装置，以及与所述供电装置依次电性连接的变频器和电机组，所述电机组包括多个电机、且多个所述电机均设置在所述中间齿轮箱上。

2.根据权利要求1所述的柴电混合动力推进系统，其特征在于，所述柴油机推进系统具有两组，所述变频器、所述电机组均具有两个，其中，每组所述柴油机推进系统的中间齿轮箱上均设置有所述电机组，每个所述电机组通过与其相对设置的所述变频器连接至同一所述供电装置。

3.根据权利要求2所述的柴电混合动力推进系统，其特征在于，还包括：

转换装置，电性连接所述供电装置和两个所述变频器，以将所述供电装置提供的直流电源转化成交流电源后同时供给两个所述变频器。

4.根据权利要求1所述的柴电混合动力推进系统，其特征在于，所述中间齿轮箱内设有离合器，所述柴电混合动力推进系统还包括：

控制器，与所述离合器连接，控制所述离合器的状态使得所述柴油机与所述中间齿轮箱连接或断开。

5.根据权利要求4所述的柴电混合动力推进系统，其特征在于，多个所述电机均集成设置在所述中间齿轮箱上，并与所述中间齿轮箱形成一体式结构。

6.根据权利要求5所述的柴电混合动力推进系统，其特征在于，所述控制器与多个所述电机均电性连接，控制多个所述电机中处于工作状态的电机数量以及处于工作状态的所述电机的转速。

7.根据权利要求1所述的柴电混合动力推进系统，其特征在于，所述供电装置被配置为电池组。

8.一种柴电混合动力推进系统的控制方法，应用于如权利要求1～7中任一项所述的柴电混合动力推进系统，其特征在于，所述电机包括将电能转换为机械能的第一模式，所述柴电混合动力推进系统的控制方法包括：

控制多个电机以所述第一模式运行，并控制处于工作状态的电机数量以及处于工作状态的电机的转速，使得中间齿轮箱的输出端的转速得到调节。

9.根据权利要求8所述的柴电混合动力推进系统的控制方法，其特征在于，在所述控制多个电机以所述第一模式运行，并控制处于工作状态的电机数量以及处于工作状态的电机的转速的步骤之前，还包括：

若所述柴电混合动力推进系统处于电力推进模式，则控制中间齿轮箱中的离合器切换到分离状态，控制供电装置进行供电；或者，

若所述柴电混合动力推进系统处于柴油机和电力联合推进模式，则控制中间齿轮箱中的离合器切换到结合状态，控制柴油机开启、供电装置进行供电。

10.根据权利要求9所述的柴电混合动力推进系统的控制方法，其特征在于，在所述控制多个电机以所述第一模式运行，并控制处于工作状态的电机数量以及处于工作状态的电机的转速之前，还包括：

若所述柴电混合动力推进系统处于柴油机推进模式，则控制中间齿轮箱中的离合器切换到结合状态，控制供电装置停止供电。

11.根据权利要求10所述的柴电混合动力推进系统的控制方法，其特征在于，所述电机还包括将机械能转换为电能的第二模式，在所述若所述柴电混合动力推进系统处于柴油机推进模式，则控制中间齿轮箱中的离合器切换到结合状态，控制供电装置停止供电的步骤之后，还包括：

检测所述柴电混合动力推进系统的输出功率和所述柴油机的工作功率；

判断所述输出功率和所述工作功率的大小，若所述工作功率大于所述输出功率，则控制所述电机以所述第二模式运行，将所述电机产生的电能输送至所述供电装置。

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