CN112572744A - 双轴四机式船舶混合动力***及其推进控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双轴四机式船舶混合动力***及其推进控制方法，其混合动力***包括两组相互独立的动力装置；主推柴油机的输出端通过离合器与齿轮箱的输入端连接；推进电机的输入/输出端与齿轮箱的输入/输出端连接；齿轮箱的输出端与全回转舵桨的输入端连接；推进电机的第一组输电线通过推进电机端整流器与配电板的第一组接线端连接；配电板的第二组接线端与能量储存单元连接；配电板的第三组接线端依次通过推进电机端逆变器和变频器与推进电机的第二组输电线连接。本发明功率覆盖范围广，一方面增加动力冗余，提高了动力***的可靠性，另一方面提供多种工作模式，满足各种船舶环境和工况的需求。

Description

双轴四机式船舶混合动力***及其推进控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种船舶混合动力技术领域，具体涉及一种双轴四机式船舶混合动力***及其推进控制方法。

背景技术

随着越来越严格的船舶排放法规实施，船舶节能减排技术已经成为大家关注和研究的重点。船舶混合动力技术为船舶从传统的内燃机推进方式过渡到纯电动推进方式提供可行性方案，其中柴电混合动力技术是现阶段研究的重点，我国船舶柴电混合动力***起步较晚，其发展过程经历三个阶段：第一阶段，在20世纪90年代至21世纪初，由国内造船厂建造的少数船舶采用了柴电混合动力***，但其配套的柴电混合动力***均由国外供应商设计和供货，比如江南船厂出口挪威的16400t化学品船；第二阶段，2009年前后，中船重工集团公司第七一一研究所研制出电机定转速柴电混合动力***，并为粤海铁火车渡轮提供技术支持；第三阶段，电机转速可调的柴电混合动力***研发成功，进一步拓宽了柴电混合动力***的适用船型，这一阶段的典型船舶包括：上港集团复兴船务公司“海港711”拖轮、浙江海洋大学渔业资源调查船等。

现有的柴电船舶混合动力***中电动机的主要电力来源还是来自发电机，占据大量的船舶空间，部分***加入蓄电池作为储能单元，但是其放电效率低，使用寿命短，充电方式单一，导致实际运用过程中效果较差，另外目前船舶推进控制***多采用板卡等方式控制，运行效果不稳定。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种双轴四机式船舶混合动力***及其推进控制方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种双轴四机式船舶混合动力***，混合动力***包括两组相互独立的动力装置以及配电板、推进电机端整流器、能量储存单元；动力装置包括主推柴油机、离合器、齿轮箱、全回转舵桨、推进电机、变频器、推进电机端逆变器；主推柴油机的输出端通过离合器与齿轮箱的输入端连接；推进电机的输入/输出端与齿轮箱的输入/输出端连接；齿轮箱的输出端与全回转舵桨的输入端连接；推进电机的第一组输电线通过推进电机端整流器与配电板的第一组接线端连接；配电板的第二组接线端与能量储存单元连接；配电板的第三组接线端依次通过推进电机端逆变器和变频器与推进电机的第二组输电线连接。

其进一步的技术方案为：推进电机为PTI/PTO电机，包括PTI和PTO模式；PTI模式为电动机模式；PTO模式为发电机模式。

其进一步的技术方案为：混合动力***还包括辅助发电机和发电机端整流器；辅助发电机通过发电机端整流器与配电板的第五组接线端连接。

其进一步的技术方案为：能量储存单元包括蓄电池和超级电容器；蓄电池和超级电容器与太阳能电池板连接；蓄电池和超级电容器还配有岸电接口。

其进一步的技术方案为：混合动力***还包括单轴控制***；单轴控制***包括两组独立的控制装置；第一组控制装置用于独立控制第一组动力装置；第二组控制装置用于独立控制第二组动力装置。

其进一步的技术方案为：控制装置包括机旁操作面板、舵桨转向控制子***和PLC主控制器；PLC主控制器用于控制主推柴油机和推进电机的转速、控制离合器的闭合断开以及通过舵桨转向控制子***进行舵角调节以实现船舶转向。

其进一步的技术方案为：单轴控制***还包括用于操控两组控制装置的控制驾驶室遥控面板和驾驶室应急模块。

一种通过如上所述的双轴四机式船舶混合动力***实现的推进控制方法：

机旁操作面板、驾驶室遥控面板提供推进控制模式选择按钮，包含主机推进模式、电力推进模式和混合boost模式。

主机推进模式为：两台主推柴油机处于运行状态，两台离合器均接排，两台推进电机处于PTO模式；在每组动力装置中，主推柴油机驱动全回转舵桨运转，驱动推进电机进行发电，电力通过整流器汇入配电板后进入能量储存单元；

电力推进模式为：两台主推柴油机处于停止状态，两台离合器均脱排，两台推进电机处于PTI模式；在每组动力装置中，推进电机带动全回转舵桨运转，推进电机所需电力来源于能量储存单元；当能量储存单元所储存的能源不足时，使用辅助发电机进行电力供给；

混合boost模式为：两台主推柴油机处于运行状态，两台离合器均接排，两台推进电机处于PTI模式；全回转舵桨由主推柴油机和推进电机共同驱动。

其进一步的技术方案为，在混合动力***中还设有专用操纵手柄；推进控制方法中的三种工作模式的推进功率均由专用操纵手柄控制；通过控制专用操纵手柄的推拉角度控制主推柴油机或者推进电机的转速：

在主机推进模式中，专用操纵手柄的最小角度对应主推柴油机怠速，最大角度对应主推柴油机的转速达到100％的主推柴油机额定转速；

在电力推进模式中：专用操纵手柄的最小角度对应推进电机的转速为0，最大角度对应推进电机的转速达到100％的推进电机额定转速；

在混合boost模式中，专用操纵手柄的最小角度对应主推柴油机怠速，最大角度对应100％柴油机额定转速和100％电机额定转速。

通过控制专用操纵手柄的转动角度控制全回转舵桨装置0-360°全回转，实现船舶转向；当舵桨回转180°时，船舶倒车。

本发明的有益效果如下：

1、本发明所提出的双轴四机式船舶混合动力***，设置有柴油机和电机作为动力源，功率覆盖范围广，一方面增加动力冗余，提高了动力***的可靠性，另一方面提供多种工作模式，满足船舶各种使用环境和工况的需求。

2、电力推进的运行噪声较小，大大改善船舶环境舒适度，节约安装主机降噪装置的成本，经济性高。此外电动机的动力响应性能高，在船舶环境发生改变时可迅速调整动力输出。

3、本发明的能量来源多样化，提高了船舶电网的可靠性。还进一步的增加了光伏电池板和岸电装置，可缩减辅助发电机组数量，节约船舶空间，减少对柴油的使用，提高了船舶的环保性和经济性。

4、本发明中的能量储存单元采用超级电容器和蓄电池联合的方式设计，能量储存单元的充放电速率，蓄电能力、使用寿命等有很大的提高。

5、本发明采用了基于PLC的推进控制***，控制响应速度快，***稳定性提高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为单轴推进控制***示意图。

图3为专用操纵手柄的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明一种双轴四机式船舶混合动力***，混合动力***包括两组相互独立的动力装置，还包括配电板8、推进电机端整流器11b和能量储存单元。动力装置包括主推柴油机1a，1b、离合器2a，2b、齿轮箱3a，3b、全回转舵桨4a，4b、推进电机5a，5b、变频器6a，6b和推进电机端逆变器7a，7b。

推进电机5a，5b采用PTI/PTO电机，包括PTI和PTO模式，PTI模式为电动机模式，PTO模式为发电机模式，推进电机5a，5b的PTO模式的动力源包括主推柴油机1a，1b的驱动和船舶停车制动。

在第一组动力装置中，主推柴油机1a的输出端通过离合器2a与齿轮箱3a的输入端连接。当离合器2a接排，主推柴油机1a的动力可以传递至齿轮箱3a，当离合器2a脱排，主推柴油机1a不传递动力至齿轮箱3a。

推进电机5a的输入/输出端直接与齿轮箱3a的输入/输出端连接。当推进电机5a为PTO模式，推进电机5a作为发电机，其动力源可以是主推柴油机1a，主推柴油机1a通过齿轮箱3a带动推进电机5a发电；当推进电机5a为PTI模式，推进电机5a作为电动机，其动力可以传递至齿轮箱3a。

齿轮箱3a的输出端与全回转舵桨4a的输入端连接，主推柴油机1a和/或推进电机5a可以通过齿轮箱3a带动全回转舵桨4a转动。

推进电机5a的第一组输电线通过推进电机端整流器11b与配电板8的第一组接线端连接，配电板8的第二组接线端与能量储存单元连接。能量储存单元具体包括蓄电池12和超级电容器13。

超级电容器13用于储存船舶制动能，并在船舶加速时释放，尤其适用于港口和过江轮渡等刹车制动较多的船舶环境。蓄电池12用于储存推进电机5a在PTO模式运行时所产生的电能，推进电机5a在PTO模式时，其产生的电能可以通过配电板8传递至蓄电池12，将电能储存。

进一步的，混合动力***还可以包括太阳电池板14，蓄电池12和超级电容器13与太阳能电池板14连接，蓄电池12和超级电容器13还配有岸电接口15，日常可以通过太阳能电池板14发电并储存于蓄电池12，在船舶靠岸时可以通过岸电接口15为蓄电池12充电。

进一步的，光伏电池板14可以采用柔性光伏板，超级电容器13可以为双电层型超级电容器，蓄电池12为铅酸蓄电池或锂电池。

配电板8的第三组接线端依次通过推进电机端逆变器7a和变频器6a与推进电机5a的第二组输电线连接，当推进电机5a在PTI模式的时候，能量储存单元中的电能可以通过配电板8传输给推进电机5a使用。

船用负载9通过船用负载逆变器7c与配电板8的第四组接线端连接。

进一步的，混合动力***还包括辅助发电机10，辅助发电机10通过发电机端整流器11a与配电板8的第五组接线端连接。当能量储存单元储存能源不足时，则使用辅助发电机10进行电力供给。

可参考图1所示，在第二组动力装置中，各个结构以及各个结构的连接方法与第一组动力***相同。所以，在本发明中，包含四套独立动力源：两个主推柴油机和两个推进电机。

在具体的实施例中，主推柴油机可以选用潍柴6M33C750-18型柴油机，功率为550kw，转速为1800rpm。推进电机采用西门子1LE0001型电机，功率为132kw，转速为990rpm，效率为94.6％，电机考虑到机舱环境(55℃)降容使用，其55℃时功率降容系数为0.87。全回转舵桨采用无锡长风CFCR-W-900D型舵桨，其螺旋桨采用整体铸造固定螺距对转桨，转速达到400rpm，最大功率功率为650kw，在不同的推进模式下，舵桨所受的输入功率不同，柴油机轴额定输入功率为550kw，电机轴输入功率为100kw，混合模式最大输入功率为650kw。光伏电池板采用柔性光伏板，表面可弯曲，便于安置在船舱表面，适用于船舶环境。超级电容器采用双电层型超级电容器，用于储存船舶刹车制动能，并在船舶加速时释放，尤其适用于港口和过江轮渡等刹车制动较多的船舶环境。蓄电池采用铅酸蓄电池或锂电池，用于储存电力，其电力来源包括推进电的PTO模式、辅助发电机10、光伏电池板14和岸电接口15。

单轴控制***包括两组独立的控制装置和用于操控两组控制装置的控制驾驶室遥控面板16和驾驶室应急模块17。控制装置包括机旁操作面板18a，18b、舵桨转向控制子***19a，19b和PLC主控制器20a，20b。

第一组控制装置用于独立控制第一组动力装置。第二组控制装置用于独立控制第二组动力装置。在每一组动力装置中，主推柴油机和推进电机的控制也是相互独立的。

图2为单轴推进控制***示意图。参考图2，对于第一组控制装置来说，驾驶室遥控面板16与PLC主控制器20a通过工业以太网连接，以保证通讯和数据传输稳定。驾驶室应急模块17与PLC主控制器20通过硬线连接，增加应急响应的可靠性。驾驶室应急模块17包含有紧急停车、应急操作等应急操作功能。

PLC主控制器20a控制主推柴油机1a和推进电机5a的转速、控制离合器3a的断开和闭合，以及通过舵桨转向控制子***19a进行舵角调节实现船舶转向。

第二组控制装置中的各个结构的连接方式、第二组控制装置与与其他结构的连接方式，以及第二组控制装置的控制方法均与第一组控制装置相同。

驾驶室遥控面板16和机旁操作面板18a，18b均设置有推进模式选择模块，并设置有用于控制船舶启、停、调速、转向等操作元件，并配有舵角、各轴速度等指示仪表及相应的状态指示灯。机旁操作面板18a，18b的优先级高于驾驶室遥控面板16。驾驶室遥控面板16上配有专用操纵手柄，既可以控制全回转舵桨的转舵角度，也可以控制主机或电动机的调速。

本发明还公开了通过双轴四机式船舶混合动力***实现的推进控制方法。具体是根据船舶不同的航行营运需求来选择不同的控制方法。

机旁操作面板、驾驶室遥控面板提供推进控制模式选择按钮，包含主机推进模式、电力推进模式和混合boost模式。

在具体的实施例中，主机推进模式的最大航速为13km/h。两台主推柴油机1a，1b处于运行状态，推进额定转速为1800rpm，且采用速度控制，可在怠速至全速之间调速，调速指令由相应的控制装置给出。两台离合器2a，2b均接排，两台推进电机5a，5b处于PTO模式，也即发电机模式。每组动力装置独立工作，主推柴油机1a，1b带动全回转舵桨4a，4b运转，并驱动推进电机5a，5b进行发电，电力通过推进电机端整流器11b汇入配电板8后进入能量储存单元储存。

在实施例中，电力推进模式的最大航速为8.5kn/h。两台主推柴油机1a，1b处于停止状态，两台离合器2a，2b均脱排，两台推进电机5a，5b处于PTI模式，也即电动机模式。每组动力装置独立工作，推进电机5a，5b带动全回转舵桨4a，4b运转，推进电机5a，5b采用转速闭环控制，推进额定转速为990rpm，可在0速至全速之间调速，调速指令由相应的控制装置给出，推进电机5a，5b所需电力来源于能量储存单元。当能量储存单元所储存的能源不足时，使用辅助发电机10进行电力供给。

在实施例中，混合boost模式的最大航速为13.5kn/h。两台主推柴油机1a，1b处于运行状态，两台离合器2a，2b均接排，两台推进电机5a，5b处于PTI模式，也即电动机模式。全回转舵桨4a，4b由主推柴油机1a，1b和推进电机5a，5b共同驱动。主推柴油机1a，1b和推进电机5a，5b对全回转舵桨4a，4b的具体驱动过程可以通过专用手操纵柄进行调整。图3为专用操纵手柄的示意图。专用操纵手柄的操作方法可配合图3了解。

在混合boost模式中，具体的：

当专用操纵手柄的位置使其给定达到设定值L1超过设定时间t1时，例如t1可以为5秒，推进电机5a，5b逐渐增大输出转矩直到恒定在其最大输功率，该模式下推进电机5a，5b只在高速区间输出扭矩，固定分担一部分螺旋桨功率的负载。

当专用操纵手柄的位置使其给定降低到设定值L2超过设定时间t2时，例如t2可以为5秒，推进电机5a，5b开始减少功率输出并在较短设定时间内将负荷转移给主推柴油机1a，1b，当推进电机5a、5b功率低于设定功率，例如可以是其额定功率5％时，推进电机5a、5b不再输出转矩，此时螺旋桨功率完全由主推柴油机1a和1b承担。

进一步的，推进电机5a，5b开始输出功率及停止输出功率两组转速阈值之间具有回差，防止该模式下推进电机功率出现震荡。

进一步的，专用操纵手柄在控制主机或电机调速时，速度控制从最低速到最高速的角度一定，也即，在每种模式中，手柄的最大角度对应这种模式的最大速度，手柄的最小角度对应这种模式的最小速度，但是手柄即使处于同一角度，在不同模式对应的具体速度不同。具体的，在实施例中，在不同推进模式下，专用操纵手柄同一角度对应的速度如下：

(1)主机推进模式：专用操纵手柄的最小角度对应主推柴油机怠速，最大角度对应主推柴油机的转速达到100％的主推柴油机额定转速，手柄最大刻度对应的螺旋桨转速约为400rpm；

(2)电力推进模式：专用操纵手柄的最小角度对应推进电机的转速为0，最大角度对应推进电机的转速达到100％的推进电机额定转速，手柄最大刻度对应的螺旋桨转速约为220rpm；

(3)混合boost模式：推进手柄的最小角度对应柴油机怠速，最大角度对应100％柴油机额定转速和100％电机额定转速，由于该模式只是增强主推柴油机的储备功率，因此手柄最大刻度对应的螺旋桨转速与主机推进模式相同，约为400rpm。

进一步的，通过控制专用操纵手柄的转动角度控制全回转舵桨装置0-360°全回转，实现船舶回转；当舵桨回转至180°时，船舶倒车。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (9)

1.一种双轴四机式船舶混合动力***，其特征在于：混合动力***包括两组相互独立的动力装置以及配电板、推进电机端整流器、能量储存单元；动力装置包括主推柴油机、离合器、齿轮箱、全回转舵桨、推进电机、变频器、推进电机端逆变器；主推柴油机的输出端通过离合器与齿轮箱的输入端连接；推进电机的输入/输出端与齿轮箱的输入/输出端连接；齿轮箱的输出端与全回转舵桨的输入端连接；推进电机的第一组输电线通过推进电机端整流器与配电板的第一组接线端连接；配电板的第二组接线端与能量储存单元连接；配电板的第三组接线端依次通过推进电机端逆变器和变频器与推进电机的第二组输电线连接。

2.根据权利要求1所述的双轴四机式船舶混合动力***，其特征在于：推进电机为PTI/PTO电机，包括PTI和PTO模式；PTI模式为电动机模式；PTO模式为发电机模式。

3.根据权利要求1所述的双轴四机式船舶混合动力***，其特征在于：混合动力***还包括辅助发电机和发电机端整流器；辅助发电机通过发电机端整流器与配电板的第五组接线端连接。

4.根据权利要求1所述的双轴四机式船舶混合动力***，其特征在于：能量储存单元包括蓄电池和超级电容器；蓄电池和超级电容器与太阳能电池板连接；蓄电池和超级电容器还配有岸电接口。

5.根据权利要求1所述的双轴四机式船舶混合动力***，其特征在于：混合动力***还包括单轴控制***；单轴控制***包括两组独立的控制装置；第一组控制装置用于独立控制第一组动力装置；第二组控制装置用于独立控制第二组动力装置。

6.根据权利要求5所述的双轴四机式船舶混合动力***，其特征在于：控制装置包括机旁操作面板、舵桨转向控制子***和PLC主控制器；PLC主控制器用于控制主推柴油机和推进电机的转速、控制离合器的闭合断开以及通过舵桨转向控制子***进行舵角调节以实现船舶转向。

7.根据权利要求5所述的双轴四机式船舶混合动力***，其特征在于：单轴控制***还包括用于操控两组控制装置的控制驾驶室遥控面板和驾驶室应急模块。

8.一种通过权利要求1～7任一项所述的双轴四机式船舶混合动力***实现的推进控制方法，其特征在于：

机旁操作面板、驾驶室遥控面板提供推进控制模式选择按钮，包含主机推进模式、电力推进模式和混合boost模式；

主机推进模式为：两台主推柴油机处于运行状态，两台离合器均接排，两台推进电机处于PTO模式；在每组动力装置中，主推柴油机驱动全回转舵桨运转，驱动推进电机进行发电，电力通过整流器汇入配电板后进入能量储存单元；

电力推进模式为：两台主推柴油机处于停止状态，两台离合器均脱排，两台推进电机处于PTI模式；在每组动力装置中，推进电机带动全回转舵桨运转，推进电机所需电力来源于能量储存单元；当能量储存单元所储存的能源不足时，使用辅助发电机进行电力供给；

混合boost模式为：两台主推柴油机处于运行状态，两台离合器均接排，两台推进电机处于PTI模式；全回转舵桨由主推柴油机和推进电机共同驱动。

9.根据权利要求8所述的通过双轴四机式船舶混合动力***实现的推进控制方法，其特征在于：在混合动力***中还设有专用操纵手柄；推进控制方法中的三种工作模式的推进功率均由专用操纵手柄控制；通过控制专用操纵手柄的推拉角度控制主推柴油机或者推进电机的转速：

在主机推进模式中，用操纵手柄的最小角度对应主推柴油机怠速，最大角度对应主推柴油机的转速达到100％的主推柴油机额定转速；

在电力推进模式中，专用操纵手柄的最小角度对应推进电机的转速为0，最大角度对应推进电机的转速达到100％的推进电机额定转速；

在混合boost模式，专用操纵手柄的最小角度对应主推柴油机怠速，最大角度对应100％柴油机额定转速和100％电机额定转速；

通过控制专用操纵手柄的转动角度控制全回转舵桨装置0-360°全回转，实现船舶回转；当舵桨回转至180°时，船舶倒车。

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