CN115783209A - 一种船用混合动力系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用柴电混合动力系统，由左、右舷柴电混合动力系统拓扑和右舷柴电混合动力系统拓扑组成，还公开了其控制方法，根据船舶航行状态及动力电池电量，选择船舶锚泊值班工况、静音工况、巡航工况、高速航行工况、全速工况和制动工况六种工况的运行与转换，提高船舶动力系统的综合效率与燃油经济性。

Description

一种船用混合动力系统及控制方法

技术领域

本发明属于船舶动力技术领域，具体涉及一种新能源船用混合动力系统，以及控制方法。

背景技术

为了有效控制船舶环境污染及有效维持海洋湖泊生态环境，国家相关部门提出“低碳经济”和绿色造船的新发展概念，船舶的动力系统正由传统的柴油机单驱动往混合动力系统和纯电动系统方向发展，解决船舶的动力和电力使用问题，达到了节能减排的目的。最近几年来，锂离子动力电池在能量密度和充放电倍率等方面都大幅提升，驱动电机的转矩密度和功率密度取得了较大进步，锂离子动力电池和驱动电机广泛应用于电动汽车领域。采用锂离子动力电池作为船舶储能介质，集合柴油机组和驱动电机，把船舶动力节能环保性能有机结合，混合动力新型船舶是未来的必然发展趋势。

船舶航行时所需功率要求的跨度是非常大的，因此，亟待解决如何构建船用混合动力系统，配置柴油机、电机和锂电池组的参数，以及使用智能控制方法，发挥动力系统各个设备的优点，进而提高船舶动力系统的节能减排能力，其船用混合动力系统及控制方法仍需要进一步突破研究。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种船用混合动力系统，该系统实现了柴电混合船动力与电力系统的能量有效分配，提高船舶动力系统的综合效率与燃油经济性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种船用柴电混合动力系统，由左舷柴电混合动力系统拓扑和右舷柴电混合动力系统拓扑组成；所述的左舷柴电混合动力系统拓扑包括连接左舷螺旋桨的左舷齿轮箱以及分别连接左舷齿轮箱的左舷主离合器和左舷并联离合器，左舷主离合器上连接有作为左舷发电电机使用的左舷串联电机，左舷串联电机上分别连接作为左舷主推进设备的左舷柴油机和左舷变流器，左舷变流器上连接作为船舶动力用电或生活用电的锂离子左舷动力电池，左舷并联离合器连接左舷推进电机，作为船舶左舷航行使用的左舷推进电机上依次连接左舷变流器；所述的右舷柴电混合动力系统拓扑包括连接右舷螺旋桨的右舷齿轮箱以及分别连接右舷齿轮箱的右舷主离合器和右舷并联离合器，右舷主离合器上连接有作为右舷发电电机使用的右舷串联电机，右舷串联电机上分别连接作为右舷主推进设备的右舷柴油机和右舷变流器，右舷变流器上连接作为船舶动力用电或生活用电的锂离子右舷动力电池，右舷并联离合器连接右舷推进电机，作为船舶右舷航行使用的右舷推进电机上依次连接右舷变流器；所述的左舷变流器和左舷动力电池通过左舷熔断器连接左舷直流母线，所述的左舷变流器通过左舷熔断器连接左舷直流母线，所述的左舷变流器通过左舷断路器连接左舷交流母线，所述的右舷变流器和右舷动力电池通过右舷熔断器连接右舷直流母线，所述右舷变流器通过右舷熔断器连接右舷直流母线，所述右舷变流器通过右舷断路器连接右舷交流母线，所述的左舷直流母线通过断路器连接右舷直流母线，所述左舷交流母线通过断路器连接右舷交流母线，所述的交流母线通过断路器连接岸电。

本发明的目的之二是提供一种船用混合动力系统的控制方法，根据船舶航行状态及动力电池电量，通过任选其一的方式完成以下步骤：

左舷动力电池、右舷动力电池电量低于设定值时，船舶无航行需求，系统启动充电模式，左舷柴油机、右舷柴油机停机，所有离合器分排，左舷断路器、断路器、右舷断路器闭合，断路器分断，通过岸电分别给动力电池左舷动力电池、右舷动力电池充电，补充电池电量进入船舶锚泊值班工况；

左舷动力电池、右舷动力电池电量高于设定值时，能够分别满足左舷推进电机或右舷推进电机驱动整船所需的功率，柴油机不启动，动力电池输出功率采用纯电力推进，左舷主离合器和右舷主离合器分排，左舷并联离合器和右舷并联离合器合排，左舷推进电机、右舷推进电机运行推进船舶航行，进入船舶静音工况；

左舷柴油机或右舷柴油机启动，左舷串联电机或右舷串联电机发电运行，左舷推进电机或右舷推进电机电动运行，推进船舶航行，同时给左舷动力电池、右舷动力电池充电，进入船舶巡航工况；

左舷柴油机和右舷柴油机直接推进船舶航行，左舷主离合器和右舷主离合器合排，左舷并联离合器和右舷并联离合器分排，左舷推进电机和右舷推进电机不运行，当左舷动力电池和右舷动力电池电量不足时，启动串联左舷串联电机和右舷串联电机发电运行，为左舷动力电池或右舷动力电池充电，进入船舶高速航行工况，对转速和扭矩的需求基本处在柴油机高效工作区；

船舶处于逆水航行、急加速等工况时，左舷动力电池和右舷动力电池电量充足，为了提高船舶的机动性，系统选择推进电机和柴油机同时运行，左舷主离合器和右舷主离合器合排，左舷并联离合器和右舷并联离合器合排，左舷柴油机与左舷推进电机通过左舷齿轮箱并联运行，右舷柴油机与右舷推进电机通过右舷齿轮箱并联运行，进入船舶全速工况以应对船舶极端工况对动力的需求；

当驾驶员降低航行档位时，系统判断驾驶员有减速意图，左舷并联离合器和右舷并联离合器合排，左舷推进电机和右舷推进电机发电运行，提供负扭矩为船舶减速，将制动能量转换成电能储存于左舷动力电池和右舷动力电池中，进入船舶制动工况。

所述的一种船用混合动力系统的控制方法，船舶巡航工况时左舷动力电池和右舷动力电池电量不能够分别满足左舷推进电机和右舷推进电机推动整船所需的功率时，左舷柴油机启动，右舷柴油机不启动，左舷主离合器和右舷主离合器分排，左舷并联离合器和右舷并联离合器合排，断路器闭合，左舷串联电机发电运行，左舷推进电机和右舷推进电机电动运行，推进船舶航行，同时给左舷动力电池、右舷动力电池充电，与此同理左舷动力电池和右舷动力电池电量不能够分别满足左舷推进电机和右舷推进电机推动整船所需的功率时，右舷柴油机启动，左舷柴油机不启动，左舷主离合器和右舷主离合器分排，左舷并联离合器和右舷并联离合器合排，断路器闭合，右舷串联电机发电运行，左舷推进电机和右舷推进电机电动运行，推进船舶航行，同时给左舷动力电池和右舷动力电池充电。

本发明的技术效果是：相比于现有技术，本发明产生的有益效果是：本发明系统实现了柴电混合船动力与电力系统的能量有效分配，提高船舶动力系统的综合效率与燃油经济性，达到节能减排的目的，适用于新能源船用动力系统领域。

附图说明

图1是本发明的船用混合动力系统的结构示意图；

图2是本发明的船用混合动力系统控制方法的流程示意图。

图中标记说明：100—左舷螺旋桨，101—左舷齿轮箱，102—左舷主离合器，103—左舷串联电机，104—左舷柴油机，105—左舷并联离合器，106—左舷推进电机，107/111/114—左舷变流器，108/109/112/113—左舷熔断器，110—左舷动力电池，115—左舷断路器，116/117/118—断路器，200—右舷螺旋桨，201—右舷齿轮箱，202—右舷主离合器，203—右舷串联电机，204—右舷柴油机，205—右舷并联离合器，206—右舷推进电机，207/211/214—右舷变流器，208/209/212/213—右舷熔断器，210—右舷动力电池，215—右舷断路器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种船用混合动力系统的拓扑系统，包括柴油机、锂离子动力电池、串联电机、推进电机、变流器、断路器、熔断器、主离合器、并联离合器、齿轮箱、螺旋桨组成。

所述的左舷柴电混合动力系统拓扑包括连接左舷螺旋桨100的左舷齿轮箱101以及分别连接左舷齿轮箱101的左舷主离合器102和左舷并联离合器105，左舷主离合器102上连接有作为左舷发电电机使用的左舷串联电机103，左舷串联电机103上分别连接作为左舷主推进设备的左舷柴油机104和左舷变流器107，左舷变流器107上连接作为船舶动力用电或生活用电的锂离子左舷动力电池110，左舷并联离合器105连接左舷推进电机106，作为船舶左舷航行使用的左舷推进电机106上依次连接左舷变流器111和左舷变流器114。

所述的右舷柴电混合动力系统拓扑包括连接右舷螺旋桨200的右舷齿轮箱201以及分别连接右舷齿轮箱201的右舷主离合器202和右舷并联离合器205，右舷主离合器202上连接有作为右舷发电电机使用的右舷串联电机203，右舷串联电机203上分别连接作为右舷主推进设备的右舷柴油机204和右舷变流器207，右舷变流器207上连接作为船舶动力用电或生活用电的锂离子右舷动力电池210，右舷并联离合器205连接右舷推进电机206，作为船舶右舷航行使用的右舷推进电机206上依次连接右舷变流器211和右舷变流器214。

所述的左舷变流器107和左舷动力电池110分别通过左舷熔断器108及左舷熔断器109连接左舷直流母线，所述的左舷变流器111和左舷变流器114分别通过左舷熔断器112及左舷熔断器113连接左舷直流母线。

所述的左舷变流器114通过左舷断路器115连接左舷交流母线，所述的右舷变流器207和右舷动力电池210分别通过右舷熔断器208及右舷熔断器209连接右舷直流母线。

所述右舷变流器211和右舷变流器214分别通过右舷熔断器212及右舷熔断器213连接右舷直流母线，所述右舷变流器214通过右舷断路器215连接右舷交流母线。

所述的左舷直流母线通过断路器117连接右舷直流母线，所述左舷交流母线通过断路器118连接右舷交流母线，所述的交流母线通过断路器116连接岸电。

如图2所示，本发明的船用混合动力系统控制方法的流程示意图，本发明根据船舶航行状态及动力电池电量，控制方法实现船舶锚泊值班工况、静音工况、巡航工况、高速航行工况、全速工况、制动工况的运行与转换，实现了柴电混合船动力与电力系统的能量有效分配，提高船舶动力系统的综合效率与燃油经济性。

(1)船舶锚泊值班工况：左舷动力电池110和右舷动力电池210电量低于设定值时，船舶无航行需求，系统启动充电模式，左舷柴油机104、右舷柴油机204停机，所有离合器分排，左舷断路器115、断路器116、断路器118、右舷断路器215闭合，断路器117分断，通过岸电分别给动力电池左舷动力电池110、右舷动力电池210充电，此时，动力电池电量低于设定值，船舶无航行需求，系统启动岸电充电模式，补充电池电量。

(2)静音工况：左舷动力电池110和右舷动力电池210电量高于设定值时，能够分别满足左舷推进电机106和右舷推进电机206驱动整船所需的功率，柴油机不启动，动力电池输出功率采用纯电力推进，左舷主离合器102和右舷主离合器202分排，左舷并联离合器105和右舷并联离合器205合排，左舷推进电机106和右舷推进电机206运行推进船舶航行。此时动力电池电量高于设定值，动力电池输出功率，采用纯电力推进，推进电机电动运行，推进船舶航行。

(3)巡航工况：左舷动力电池110和右舷动力电池210电量不能够分别满足左舷推进电机106和右舷推进电机206推动整船所需的功率时，左舷柴油机104启动，右舷柴油机204不启动，左舷主离合器102和右舷主离合器202分排，左舷并联离合器105和右舷并联离合器205合排，断路器117闭合，左舷串联电机103发电运行，左舷推进电机106和右舷推进电机206电动运行，推进船舶航行，同时给左舷动力电池110和右舷动力电池210充电。此时单台柴油机启动，其串联电机发电运行，推进电机电动运行，推进船舶航行，同时给动力电池充电。

与此同理，左舷动力电池110和右舷动力电池210电量不能够分别满足左舷推进电机106和右舷推进电机206推动整船所需的功率时，右舷柴油机204启动，左舷柴油机104不启动，左舷主离合器102和右舷主离合器202分排，左舷并联离合器105和右舷并联离合器205合排，断路器117闭合，右舷串联电机203发电运行，左舷推进电机106和右舷推进电机206电动运行电动运行，推进船舶航行，同时给左舷动力电池110和右舷动力电池210充电。

(4)高速航行工况：船舶处于高速航行时，对转速和扭矩的需求基本处在柴油机高效工作区，系统会选择左舷柴油机104和右舷柴油机204直接推进船舶航行，左舷主离合器102和右舷主离合器202合排，左舷并联离合器105和右舷并联离合器205分排，左舷推进电机106和右舷推进电机206不运行，同时，当左舷动力电池110和右舷动力电池210电量不足时，启动串联左舷串联电机103和右舷串联电机203发电运行，为左舷动力电池110或右舷动力电池210充电，进入船舶高速航行工况，对转速和扭矩的需求基本处在柴油机高效工作区。此时，舷柴油机直接推进船舶航行，串联电机发电运行，为动力电池充电。

(5)全速工况：左舷动力电池110和右舷动力电池210电量充足，为了提高船舶的机动性，系统选择推进电机和柴油机同时运行，左舷主离合器102和右舷主离合器202合排，左舷并联离合器105和右舷并联离合器205合排，左舷柴油机104与左舷推进电机106通过左舷齿轮箱101并联运行，右舷柴油机204与右舷推进电机206通过右舷齿轮箱201并联运行，进入船舶全速工况以应对船舶极端工况对动力的需求。此时推进电机和柴油机并联运行，联合推进船舶航行。

(6)制动工况：当驾驶员降低航行档位时，系统判断驾驶员有减速意图，左舷并联离合器105和右舷并联离合器205合排，左舷推进电机106和右舷推进电机206发电运行，提供负扭矩为船舶减速，将制动能量转换成电能储存于左舷动力电池110和右舷动力电池210中，进入船舶制动工况。此时推进电机发电运行，将制动能量转换成电能储存于动力电池。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形式上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种船用混合动力系统，其特征在于：由左舷柴电混合动力系统拓扑和右舷柴电混合动力系统拓扑组成；

所述的左舷柴电混合动力系统拓扑包括连接左舷螺旋桨(100)的左舷齿轮箱(101)以及分别连接左舷齿轮箱(101)的左舷主离合器(102)和左舷并联离合器(105)，左舷主离合器(102)上连接有作为左舷发电电机使用的左舷串联电机(103)，左舷串联电机(103)上分别连接作为左舷主推进设备的左舷柴油机(104)和左舷变流器(107)，左舷变流器(107)上连接作为船舶动力用电或生活用电的锂离子左舷动力电池(110)，左舷并联离合器(105)连接左舷推进电机(106)，作为船舶左舷航行使用的左舷推进电机(106)上依次连接左舷变流器(111)和左舷变流器(114)；

所述的右舷柴电混合动力系统拓扑包括连接右舷螺旋桨(200)的右舷齿轮箱(201)以及分别连接右舷齿轮箱(201)的右舷主离合器(202)和右舷并联离合器(205)，右舷主离合器(202)上连接有作为右舷发电电机使用的右舷串联电机(203)，右舷串联电机(203)上分别连接作为右舷主推进设备的右舷柴油机(204)和右舷变流器(207)，右舷变流器(207)上连接作为船舶动力用电或生活用电的锂离子右舷动力电池(210)，右舷并联离合器(205)连接右舷推进电机(206)，作为船舶右舷航行使用的右舷推进电机(206)上依次连接右舷变流器(211)和右舷变流器(214)；

所述的左舷变流器(107)和左舷动力电池(110)通过左舷熔断器连接左舷直流母线，所述的左舷变流器(111)和左舷变流器(114)通过左舷熔断器连接左舷直流母线，所述的左舷变流器(114)通过左舷断路器(115)连接左舷交流母线，所述的右舷变流器(207)和右舷动力电池(210)通过右舷熔断器(208、209)连接右舷直流母线，所述右舷变流器(211)和右舷变流器(214)通过右舷熔断器(212、213)连接右舷直流母线，所述右舷变流器(214)通过右舷断路器(215)连接右舷交流母线，所述的左舷直流母线通过断路器(117)连接右舷直流母线，所述左舷交流母线通过断路器(118)连接右舷交流母线，所述的交流母线通过断路器(116)连接岸电。

2.一种如权利要求1所述船用混合动力系统的控制方法，其特征在于，根据船舶航行状态及动力电池电量，通过任选其一的方式完成以下步骤：

左舷动力电池(110)和右舷动力电池(210)电量低于设定值时，船舶无航行需求，系统启动充电模式，左舷柴油机(104)、右舷柴油机(204)停机，所有离合器分排，左舷断路器(115)、断路器(116、118)、右舷断路器(215)闭合，断路器(117)分断，通过岸电分别给动力电池左舷动力电池(110)和右舷动力电池(210)充电，补充电池电量进入船舶锚泊值班工况；

左舷动力电池(110)和右舷动力电池(210)电量高于设定值时，分别满足左舷推进电机(106)和右舷推进电机(206)驱动整船所需的功率，动力电池输出功率采用纯电力推进，左舷主离合器(102)和右舷主离合器(202)分排，左舷并联离合器(105)和右舷并联离合器(205)合排，左舷推进电机(106)和右舷推进电机(206)运行推进船舶航行，进入船舶静音工况；

左舷柴油机(104)或右舷柴油机(204)启动，左舷串联电机(103)或右舷串联电机(203)发电运行，左舷推进电机(106)或右舷推进电机(206)电动运行，推进船舶航行，同时给左舷动力电池(110)、右舷动力电池(210)充电，进入船舶巡航工况；

左舷柴油机(104)和右舷柴油机(204)直接推进船舶航行，左舷主离合器(102)和右舷主离合器(202)合排，左舷并联离合器(105)和右舷并联离合器(205)分排，左舷推进电机(106)和右舷推进电机(206)不运行，当左舷动力电池(110)和右舷动力电池(210)电量不足时，启动串联左舷串联电机(103)和右舷串联电机(203)发电运行，为左舷动力电池(110)或右舷动力电池(210)充电，进入船舶高速航行工况；

船舶处于逆水航行、急加速工况时，左舷动力电池(110)和右舷动力电池(210)电量充足，为了提高船舶的机动性，系统选择推进电机和柴油机同时运行，左舷主离合器(102)和右舷主离合器(202)合排，左舷并联离合器(105)和右舷并联离合器(205)合排，左舷柴油机(104)与左舷推进电机(106)通过左舷齿轮箱(101)并联运行，右舷柴油机(204)与右舷推进电机(206)通过右舷齿轮箱(201)并联运行，进入船舶全速工况以应对船舶极端工况对动力的需求；

当驾驶员降低航行档位时，系统判断驾驶员有减速意图，左舷并联离合器(105)和右舷并联离合器(205)合排，左舷推进电机(106)和右舷推进电机(206)发电运行，提供负扭矩为船舶减速，将制动能量转换成电能储存于左舷动力电池(110)和右舷动力电池(210)中，进入船舶制动工况。

3.根据权利要求2所述的一种船用混合动力系统的控制方法，其特征在于，船舶巡航工况时左舷动力电池(110)和右舷动力电池(210)电量不能够分别满足左舷推进电机(106)和右舷推进电机(206)推动整船所需的功率时，左舷柴油机(104)启动，右舷柴油机(204)不启动，左舷主离合器(102)和右舷主离合器(202)分排，左舷并联离合器(105)和右舷并联离合器(205)合排，断路器(117)闭合，左舷串联电机(103)发电运行，左舷推进电机(106)和右舷推进电机(206)电动运行，推进船舶航行，同时给左舷动力电池(110)、右舷动力电池(210)充电，与此同理左舷动力电池(110)和右舷动力电池(210)电量不能够分别满足左舷推进电机(106)和右舷推进电机(206)推动整船所需的功率时，右舷柴油机(204)启动，左舷柴油机(104)不启动，左舷主离合器(102)和右舷主离合器(202)分排，左舷并联离合器(105)和右舷并联离合器(205)合排，断路器(117)闭合，右舷串联电机(203)发电运行，左舷推进电机(106)和右舷推进电机(206)电动运行，推进船舶航行，同时给左舷动力电池(110)和右舷动力电池(210)充电。

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