CN204871558U - 一种电动拖船及其动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机电一体化技术领域，提供了一种电动拖船及其动力系统。动力系统应用于电动拖船，动力系统包括电池模块、推动模块和辅助发电模块，电池模块和辅助发电模块可为推动模块提供电能；电池模块输出电能至推动模块，推动模块将电能转化为动能驱动电动拖船运动；当电池模块的电量下降到预设值时辅助发电模块开始工作，辅助发电模块输出电能至电池模块从而给电池模块充电，或者辅助发电模块输出电能至推动模块，推动模块将电能转化为动能驱动电动拖船运动。本实用新型有效解决了拖船的瞬间功率和续航里程的问题，并且可大幅度减少动力电池的使用量，大大降低电动拖船的制造成本，能节省能源，减少有害气体排放。

Description

一种电动拖船及其动力系统

技术领域

本实用新型涉及机电一体化技术领域，尤其涉及一种电动拖船及其动力系统。

背景技术

远洋航运对于环境污染随着世界经济的发展越来越严重。世界十大港口有七个在中国，这十大港口的吞吐量占全球吞吐量的26%。船舶活动频繁会导致严重的空气污染。中国正为航运所造成的空气污染付出高昂的代价。

2014年10月，自然资源保护协会在京发布的《船舶和港口空气污染防治白皮书》指出，由于远洋船舶使用高硫含量油，其排放废气中所含的柴油颗粒物、氮氧化物和硫氧化物，严重威胁着人类健康与环境。绝大部分远洋船舶主要使用高污染的燃料油（也称为渣油或重油）来提供动力、供热和电力。燃料油是炼油的残余产物，具有含硫量高、粘度高的特点，还含有重金属，如镉、钒和铅等。远洋船舶发动机烟气中的柴油颗粒物毒性较强，已被世界卫生组织（WHO）的癌症研究所认定为致癌物质。柴油颗粒物的体积非常小，包含了大约40种有毒污染物，其中15种被确认为致癌物质。

世界各国对远洋船舶的环境污染都非常重视，北美、欧洲及亚洲一些国家和地区的政府也都非常重视，意识到航运的空气污染对健康和环境的影响，分别都已采取了相关措施来防治船舶和港口的空气污染。

我国国务院发布的《国家环境保护“十二五”规划》以及《节能减排“十二五”规划》中，船舶和港口的废气减排主要通过以下两种途径实现：1、逐步淘汰落后且污染严重的船舶；2、利用绿色技术提升港口基础设施，包括门式起重机“油改电”技术和为泊岸船舶提供岸电的设施、港口运输车辆和货物装卸设备升级等。

目前国际上为了减小远洋船舶污染的通用措施是采用拖船入港方法，一定程度上减少了远洋货轮的重油废气的污染，但是所有拖船仍是柴油机直接驱动，柴油机的废气污染程度仍然不小。港口环境污染的问题到目前为止依然是难以解决的重大问题。

电动拖船的核心技术是电力推进技术（即电机和电控技术）和动力电池技术：目前船舶电力推进技术已很成熟，并已经广泛应用在潜艇、起重船、破冰船、挖泥船、消防船、滚装船、领航船、航标工作、船渡船、豪华游船以及军事舰艇上。我国最新建造的海警船和远洋科考船都采用了先进的电力推进技术。

由于在电池技术中，电池的比能量和重量等不能满足电动拖船的电力推进要求，因此目前在电动拖船中还尚未采用电池作为电力推进技术的能源。本实用新型使得用电池做为电动拖船中电力推进技术的能源成为可能。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术中通过柴油机驱动拖船的方式对环境有污染，若换成电池电力推进的方式，电池的性能又不能满足要求，通过本实用新型提供的增程式技术，解决了柴油有污染，动力电池寿命短、续航里程短的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供以下技术方案：

本实用新型提供一种动力系统，应用于电动拖船，所述动力系统包括电池模块（100）、推动模块（200）和辅助发电模块（300），所述电池模块（100）和辅助发电模块（300）可为推动模块（200）提供电能；其中：

所述电池模块（100）与所述推动模块（200）连接，电池模块（100）输出电能至推动模块（200），推动模块（200）将所述电能转化为动能驱动所述电动拖船运动；

所述辅助发电模块（300）分别与所述电池模块（100）和所述推动模块（200）连接，当所述电池模块（100）的电量下降到预设值时辅助发电模块（300）开始工作，所述辅助发电模块（300）输出电能至电池模块（100）从而给所述电池模块（100）充电，或者辅助发电模块（300）输出电能至推动模块（200），推动模块（200）将所述电能转化为动能驱动所述电动拖船运动。

在一些实施例中，所述电池模块（100）包括动力电池（110）和电池管理单元（120），所述电池管理单元（120）和动力电池（110）连接，电池管理单元（120）对动力电池（110）进行监测和管理。

在一些实施例中，所述推动模块（200）包括依次连接的主控制器（210）、推动电机（220）和推动装置（230），所述主控制器（210）与动力电池（110）连接，主控制器（210）接收动力电池（110）输出的电能并进行变频控制后带动推动电机（220）转动，从而带动推动装置（230）运转以驱动所述电动拖船运动。

在一些实施例中，所述辅助发电模块（300）包括发动机（310）、发电机（320）和发电控制器（330），所述发电机（320）分别和所述动力电池（110）、主控制器（210）连接，所述发电机（320）输出电能给动力电池（110）充电或者输出电能给主控制器（210），主控制器（210）进行变频控制后带动推动电机（220）转动，从而带动推动装置（230）运转以驱动所述电动拖船运动。

在一些实施例中，所述辅助发电模块（300）为辅助电池（340），所述辅助电池（340）分别和所述动力电池（110）、主控制器（210）连接，所述辅助电池（340）输出电能给动力电池（110）充电或者输出电能给主控制器（210），主控制器（210）进行变频控制后带动推动电机（220）转动，从而带动推动装置（230）运转以驱动所述电动拖船运动。

在一些实施例中，所述动力电池（110）为锂离子电池、锂聚合物电池、锂硫电池、镍氢电池、镉镍电池、铅酸电池或超级电容。

在一些实施例中，所述发动机（310）使用的燃料为液化天然气、甲醇、汽油、柴油或煤油。

在一些实施例中，所述辅助电池（340）为燃料电池或者太阳能电池。

在一些实施例中，所述推动装置（230）为螺旋桨。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型采用增程式电动模式有效解决了拖船的瞬间功率和续航里程的问题，并且可大幅度减少动力电池的使用量，从目前锂动力电池的体积重量和造价方面考虑，采用增程式技术能够大大降低电动拖船的制造成本；此外，本实用新型相比目前使用的柴油机拖船有明显的节省能源、减少有害气体排放的作用，从而保证了港口的空气环境。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种电动拖船的动力系统的结构框图；

图2为本实用新型实施例1提供的一种电动拖船的动力系统的详细结构框图；

图3为本实用新型实施例2提供的一种电动拖船的动力系统的详细结构框图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型实施例提供一种动力系统，应用于电动拖船，该电动拖船可以用于远洋货轮港口，是一种新式拖船。本实用新型的动力系统采用电池模块作为主要能源，辅助发电模块作为补充能源。采用本实用新型的增程式电动拖船技术后，目前的锂动力电池在比能量、使用寿命、制造成本方面完全可以满足电动拖船的技术要求。

如图1所示，本实用新型实施例提供的动力系统包括电池模块100、推动模块200和辅助发电模块300，所述电池模块100和辅助发电模块300可为推动模块200提供电能；其中：

所述电池模块100与所述推动模块200连接，电池模块100输出电能至推动模块200，推动模块200将所述电能转化为动能驱动所述电动拖船运动；

所述辅助发电模块300分别与所述电池模块100和所述推动模块200连接，当所述电池模块100的电量下降到预设值时辅助发电模块300开始工作，所述辅助发电模块300输出电能至电池模块100从而给所述电池模块100充电，或者辅助发电模块300输出电能至推动模块200，推动模块200将所述电能转化为动能驱动所述电动拖船运动。

下面通过多个实施例对该动力系统的详细结构做具体说明：

实施例1：

如图2所示，并同时参考图1，所述电池模块100包括动力电池110和电池管理单元120，所述电池管理单元120和动力电池110连接，电池管理单元120对动力电池110进行监测和管理。所述动力电池110可以采用锂离子电池、锂聚合物电池、锂硫电池、镍氢电池、镉镍电池、铅酸电池等可重复充电的二次电池，也可以使用超级电容等非化学储能装置，本实用新型不做限定。

所述推动模块200包括依次连接的主控制器210、推动电机220和推动装置230，所述主控制器210与动力电池110连接，主控制器210接收动力电池110输出的电能并进行变频控制后带动推动电机220转动，从而带动推动装置230运转以驱动所述电动拖船运动。所述推动装置230可以是螺旋桨，或者其他推动装置。

所述辅助发电模块300包括发动机310、发电机320和发电控制器330，所述发电机320分别和所述动力电池110、主控制器210连接，所述发电机320输出电能给动力电池110充电或者输出电能给主控制器210，主控制器210进行变频控制后带动推动电机320转动，从而带动推动装置230运转以驱动所述电动拖船运动。所述发动机310使用的燃料可以采用液化天然气、甲醇、汽油、柴油或煤油等燃料。

本实施例的工作原理如下：

动力系统的主要能源来自于动力电池110，动力电池110的电能经主控制器210变频控制使推动电机220转动，带动推动装置230推动船舶。主控制器210接受来自船舶控制室的指令，控制船舶的方向和速度。电池管理单元120实现对动力电池110的监测和管理，保证动力电池110的正常工作。发动机310、发电机320、发电控制器330三个部件共同完成发电功能，称为辅助发电模块。当动力电池110电量用完或达到某个预先设定的最低电量时，辅助发电模块开始工作；发动机310开始启动并带动发电机320发电，发电性能由发电控制器330进行调节。发电机320发出的电量可以通过主控制器210直接供给推动电机220，也可以给动力电池110充电，实现了动力电池110的船载发电机充电过程，补充了电能，增大了船舶的续航里程。

本实施例提供的动力系统可以有三种工作模式：纯电动工作模式，混合动力工作模式，增程式工作模式。可以根据不同的工作环境，灵活变换这三种工作模式，达到最佳节能减排效果：

（1）纯电动工作模式：

采用岸上充电，在电池容量范围内可纯电动模式运行，发动机不启动，达到零排放，所需电池容量小，造价低且不会发生缺电抛锚现象。

（2）混合动力模式：

无需充电即可长期运行，操作完全同传统燃油拖船，动力电池只起到启动助力和大功率时辅助能量作用，发动机长期工作在最佳状态，效率最高，比传统发动机节油率在20-30%左右。

（3）插电式工作模式：

采用岸上充电，工作时有计划使用动力电池能量，减少燃油发动机动力，可以显著提高节油率，在混合动力基础上进一步提高了节油率。

本实施例采用电力推进的方式，采用动力电池及船载辅助发电模块供电，动力电池作为主要能源，辅助发电模块作为补充能源，使动力电池可以大幅度减少，而且能提高瞬间功率和增加续驶里程，动力电池充放电可以浅充浅放，有利于电池寿命，发动机一直处于最佳工作状态，效率高，排放小。此外，还具有以下优点：

（1）电力推进装置操纵灵活，机动性能好，有更好的经济性；

（2）操纵由驾驶台直接控制，应付紧急状态能力强，有利于提高安全；

（3）有很好的低速特性，恒功率特性，恒电流特性和陡转特性；

（4）因省去了主机与螺旋桨之间的轴系以及舵，节省了大量的空间，可以增加船舶有效空间和有效载荷；

（5）噪声小，震动小，有害废气排放减少。

实验：

根据拖船的功率计算公式，拖带5万吨轮船需2500kw功率的拖船，拖力为49吨。可以采用目前已有的柴油机拖船改造，或重新设计建造，其标准性能参数如表1所示：表一

考虑增程式技术方案，初步计算动力电池需5000kwh电能。采用38130磷酸铁锂容量功率兼容型圆柱电池10Ah，3.2V。单电芯能量32Wh。每条拖船需38130磷酸铁锂电池总数量15.6万只。推动电机采用1250kW的吊舱式电力推动系统2套，与螺旋桨是直驱方式，直接安装在船尾底部。主控制器采用ABB公司的1500KW电力推进装置2套，充分考虑到发电系统的功率余量，发电机、发电控制器、发动机采用标准的750kW发电机组4套，发动机采用液化天然气为燃料。电池管理系统采用国产ZM-100BMS监控电池的工作情况。拖船的其他操作完全同传统拖船相同。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中辅助发电模块300采用电池供电的方式，而不是发电的方式。

如图3所示，并同时参考图1，所述电池模块100包括动力电池110和电池管理单元120，所述电池管理单元120和动力电池110连接，电池管理单元120对动力电池110进行监测和管理。所述动力电池110可以采用锂离子电池、锂聚合物电池、锂硫电池、镍氢电池、镉镍电池、铅酸电池等可重复充电的二次电池，也可以使用超级电容等非化学储能装置，本实用新型不做限定。

所述推动模块200包括依次连接的主控制器210、推动电机220和推动装置230，所述主控制器210与动力电池110连接，主控制器210接收动力电池110输出的电能并进行变频控制后带动推动电机220转动，从而带动推动装置230运转以驱动所述电动拖船运动。所述推动装置230可以是螺旋桨等推动装置。

所述辅助发电模块300为辅助电池340，所述辅助电池340分别和所述动力电池110、主控制器210连接，所述辅助电池340输出电能给动力电池110充电或者输出电能给主控制器210，主控制器210进行变频控制后带动推动电机220转动，从而带动推动装置230运转以驱动所述电动拖船运动。所述辅助电池340可以采用燃料电池或者太阳能电池。

本实施例的工作原理如下：

动力系统的主要能源来自于动力电池110，动力电池110的电能经主控制器210变频控制使推动电机220转动，带动推动装置230推动船舶。主控制器210接受来自船舶控制室的指令，控制船舶的方向和速度。电池管理单元120实现对动力电池110的监测和管理，保证动力电池110的正常工作。辅助发电模块采用辅助电池340。当动力电池110电量用完或达到某个预先设定的最低电量时，辅助发电模块开始工作，由辅助电池340提供电量，通过主控制器210直接供给推动电机220，也可以由辅助电池340给动力电池110充电，实现了动力电池110的船载发电机充电过程，补充了电能，增大了船舶的续航里程。

本实施例的有益效果和实施例1相同，此处不再赘述。

实施例3：

本实施例提供了一种电动拖船，其上设有如实施例1所述的动力系统。

本实施例的工作原理、有益效果和实施例1相同，此处不再赘述。

实施例4：

本实施例提供了一种电动拖船，其上设有如实施例2所述的动力系统。

本实施例的工作原理、有益效果和实施例1相同，此处不再赘述。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动力系统，应用于电动拖船，其特征在于，所述动力系统包括电池模块（100）、推动模块（200）和辅助发电模块（300），所述电池模块（100）和辅助发电模块（300）可为推动模块（200）提供电能；其中：

所述电池模块（100）与所述推动模块（200）连接，电池模块（100）输出电能至推动模块（200），推动模块（200）将所述电能转化为动能驱动所述电动拖船运动；

所述辅助发电模块（300）分别与所述电池模块（100）和所述推动模块（200）连接，当所述电池模块（100）的电量下降到预设值时辅助发电模块（300）开始工作，所述辅助发电模块（300）输出电能至电池模块（100）从而给所述电池模块（100）充电，或者辅助发电模块（300）输出电能至推动模块（200），推动模块（200）将所述电能转化为动能驱动所述电动拖船运动。

2.如权利要求1所述的动力系统，其特征在于，所述电池模块（100）包括动力电池（110）和电池管理单元（120），所述电池管理单元（120）和动力电池（110）连接，电池管理单元（120）对动力电池（110）进行监测和管理。

3.如权利要求2所述的动力系统，其特征在于，所述推动模块（200）包括依次连接的主控制器（210）、推动电机（220）和推动装置（230），所述主控制器（210）与动力电池（110）连接，主控制器（210）接收动力电池（110）输出的电能并进行变频控制后带动推动电机（220）转动，从而带动推动装置（230）运转以驱动所述电动拖船运动。

4.如权利要求3所述的动力系统，其特征在于，所述辅助发电模块（300）包括发动机（310）、发电机（320）和发电控制器（330），所述发电机（320）分别和所述动力电池（110）、主控制器（210）连接，所述发电机（320）输出电能给动力电池（110）充电或者输出电能给主控制器（210），主控制器（210）进行变频控制后带动推动电机（220）转动，从而带动推动装置（230）运转以驱动所述电动拖船运动。

5.如权利要求3所述的动力系统，其特征在于，所述辅助发电模块（300）为辅助电池（340），所述辅助电池（340）分别和所述动力电池（110）、主控制器（210）连接，所述辅助电池（340）输出电能给动力电池（110）充电或者输出电能给主控制器（210），主控制器（210）进行变频控制后带动推动电机（220）转动，从而带动推动装置（230）运转以驱动所述电动拖船运动。

6.如权利要求2-5任一项所述的动力系统，其特征在于，所述动力电池（110）为锂离子电池、锂聚合物电池、锂硫电池、镍氢电池、镉镍电池、铅酸电池或超级电容。

7.如权利要求4所述的动力系统，其特征在于，所述发动机（310）使用的燃料为液化天然气、甲醇、汽油、柴油或煤油。

8.如权利要求5所述的动力系统，其特征在于，所述辅助电池（340）为燃料电池或者太阳能电池。

9.如权利要求3-5任一项所述的动力系统，其特征在于，所述推动装置（230）为螺旋桨。

10.一种电动拖船，其特征在于，所述电动拖船上设有如权利要求1-9任一项所述的动力系统。