CN113148093B - 一种并联式船舶混合动力***的功率分配方法 - Google Patents

一种并联式船舶混合动力***的功率分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种并联式船舶混合动力***的功率分配方法，主要应用于并联式船舶混合动力***的功率优化分配领域。首先确定蓄电池组与天然气发动机组在各自重要影响因素下输出不同功率时的能量效率；其次根据给定减速齿轮箱，确定齿轮箱输出端输出给定功率及转速时，气体机组侧与蓄电池组侧在不同运行状态情况下***整体的能量效率；最后根据船舶预期输出功率、转速以及***实际状态，将***运行状态点调整至该输出功率转速能量效率最佳的***状态点处。本发明能够根据蓄电池、天然气发动机、以及***整体的实际状态，将***工作运行点一直控制在能量效率最佳的状态点，提高了混合动力***的能量效率，进而达到了节约能源、降低运行成本的目的。

Description

一种并联式船舶混合动力***的功率分配方法
技术领域
本发明属于混合动力船舶技术领域，设计气电混合动力船舶在并联工作模式下的可以根据实际运行状况通过优化功率分配方法提高动力***能量效率的控制方法。
背景技术
随着船舶排放受到严格控制，通过EGR和SCR等先进技术减少船舶柴油机排放物的方法，也很难满足日益严格的排放法规。船舶气电混合动力***利用气体发动机清洁替代能源的优点及电池组能量存储且动态响应快的特点，具有能量效率高、排放低的优点，是绿色船舶动力发展的重要战略指向。为了追求更高的燃油经济性，提高***的能量效率，需要不断地实时结合船舶实际运行状况，从整船能量管理优化角度将各***调整到最佳运行状态，不断向选取的最佳运行工况点靠近，减少船舶排放以及依据实际运行环境进行更加节能的操作。
图1所示为并联式船舶混合动力***的基本组成示意图。如图1所示，并联式船舶混合动力推进***主要由天然气发动机、蓄电池组、永磁同步可逆电机、减速齿轮箱、离合器a、离合器b、螺旋桨、岸电充电装置以及电流转换器组成，其中动力源为天然气发动机与蓄电池组。天然气发动机相比于传统燃油发动机，在降低碳排放和氮排放方面具有明显优势，几乎没有硫和PM的排放，但天然气发动机有动态响应差和低负荷性能差两大缺陷，严重限制了天然气发动机的广泛使用，而气电混合动力是弥补这两大缺陷的有效途径，并且符合国家发展战略。
天然气发动机、蓄电池组、永磁同步可逆电机等部件均有能量效率最高的运行工况点但受众多因素影响，在并联式船舶混合动力推进***整体能量效率达到最高时，各部件能量效率并非一定为最高点。因此为使并联式船舶混合动力推进***运行在整体能量效率最高的工况点，进行了本项发明。
发明内容
本发明的目的是为了提高并联式船舶混合动力推进***的能量效率，降低船舶运营成本而提供一种并联式船舶混合动力***的功率分配方法。
本发明的目的是这样实现的：
首先确定蓄电池组与天然气发动机组在各自重要影响因素下输出不同功率时的能量效率，其包括如下步骤：
(1)获得蓄电池组侧***在蓄电池组不同SOC情况下输出不同功率时能量效率。蓄电池组侧指岸电充电装置、蓄电池组、永磁同步可逆电机、离合器b。蓄电池组能量来源分为岸电E1与天然气发动机所提供的电能E2；来源能量比例为岸电E1＝n％与天然气发动机所提供的电能E2＝(1-n％)、来源能量效率为岸电效率ηan、天然气发动机所提供的电能效率ηfan＝ηgen×ηcfca×ηjiansuab×ηmotd；其中ηgen为天然气发动机效率；ηcfca为离合器a的能量效率；ηjiansuab为减速齿轮箱的a、b之间的能量效率；ηmotd为永磁同步可逆电机发电模式下的能量效率；蓄电池能量来源效率为ηbat＝E1×ηan+E2×ηfan；蓄电池组侧能量效率为ηbatce＝ηbat×ηch×ηdisch×ηmot×ηcfcb×ηjiansubc，其中ηch为蓄电池组充电效率；ηdisch为蓄电池组放电效率；ηmot为永磁同步可逆电机为电动机模式下的能量效率；ηcfcb为离合器b的能量效率；ηjiansubc为减速齿轮箱b、c的能量效率。
(2)获得天然气发动机侧***天然气发动机不同转速情况下输出不同功率时的能量效率；天然气发动机侧指天然气发动机、离合器a。天然气发动机侧能量效率为ηgence＝ηgen×ηcfca×ηjiansuac；其中ηjiansuac为减速齿轮箱a、c的能量效率。
其次根据给定减速齿轮箱，确定当减速齿轮箱输出端输出给定功率及转速时，天然气发动机组侧与蓄电池组侧在不同运行状态情况下***整体的能量效率，其包括如下步骤：
(1)根据给定减速齿轮箱，确定减速齿轮箱输入端A、B与输出端C的联结方式类型。其中天然气发动机侧输入端A与输出端C减速比为i1＝1:1或i2＝2:1；蓄电池天然气发动机侧输入端B与输出端C减速比为i3＝1:1或i4＝2:1。
(2)给定输出端C的输出功率与转速，确定输入端与减速齿轮箱的联结方式，计算给定输出功率时，每种联结方式在不同混合度下H下***整体的能量效率。混合度H即天然气发动机侧输出功率Pgenc与总输出功率Pzong占比；
Figure BDA0003033177550000021
输出给定功率及转速即输出端C的输出功率与转速确定，输入端与输出端共有4种联结方式，其中每种功率分配均有不同混合度，不同混合度对应不同运行模式。
(3)以能量效率最佳为原则，当给定输出端C的输出功率与转速时，计算获得天然气发动机侧与蓄电池侧功率匹配情况及运行状态。
最后根据船舶预期输出功率、转速以及***实际状态，将***运行点向能量效率最佳时***的运行状态点调整，其包括如下步骤：
(1)根据船舶实际运行状态，获取船舶并联式混合动力***各类参数，***参数包括：减速齿轮箱输出端转速及功率、天然气发动机运行状态及给类参数、蓄电池电压电流及SOC状态、永磁同步可逆电机输出功率及转速、***整体能量效率。
(2)根据船舶实际工作环境与状态推断该船舶预期运行状态，确定输出端C预期输出功率及转速。
(3)根据输出端C预期输出功率及转速并结合各***实际状态，将船舶混合动力***工作点调整至该输出功率转速能量效率最佳的***状态点处；
运行模式分为电动推进模式、混合推进模式、机械推进模式、充电推进模式；
电动推进模式为离合器a分离，离合器b接合；天然气发动机处于停机状态或空转怠速状态，永磁同步可逆电机处于电动机模式且提供船舶推进所需功率，蓄电池组处于放能状态并为永磁同步可逆电机提供能量。
混合推进模式为离合器a、b均接合；天然气发动机处于工作模式，永磁同步可逆电机处于电动机状态，天然气发动机与永磁同步可逆电机共同提供船舶推进所需功率，蓄电池组处于放能状态，为永磁同步电动机提供能量。
机械推进模式为离合器a接合，离合器b分离；天然气发动机处于工作状态且提供船舶推进所需功率，永磁同步可逆电机处于停机状态或空转怠速状态，蓄电池组处于休息状态。
充电推进模式为离合器a、b均接合；天然气发动机处于工作状态，永磁同步可逆电机处于发电机模式，天然气发动机提供船舶推进所需功率，且带动永磁同步可逆电机转动，使永磁同步可逆电机将机械能转化为电能，并存储在蓄电池组中，蓄电池组处于充电模式。
运行模式与混合度值范围具有一一对应关系；其中电动推进模式情况下H＝0、混合推进模式情况下0＜H＜1、机械推进模式情况下H＝1、充电推进模式情况下H>1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明能够根据蓄电池、天然气发动机、以及***整体的实际状态，将***工作运行点一直控制在能量效率最佳的状态点，提高了混合动力***的能量效率，进而达到了节约能源、降低运行成本的目的。
附图说明
图1是并联式船舶混合动力推进***部件示意图；
图2是并联式混合动力推进***电动推进模式能量流示意图；
图3是并联式混合动力推进***混合推进模式能量流示意图；
图4是并联式混合动力推进***充电推进模式能量流示意图；
图5是并联式混合动力推进***机械推进模式能量流示意图；
图6是减速齿轮箱示意图；
图7是船舶并联式混合动力***的功率分配方法流程图。
具体实施方式
下面介绍本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
本发明针对应用于船舶的并联式气电混合动力推进***结合船舶实际运行状态寻找船舶最优运行工况点从而提高***能量效率所设计。
为寻找船舶最优运行工况点，首先需要确定并联式船舶混合推进***结构，结合图1至图3进行说明。
图1为并联式船舶混合动力推进***部件示意图，其中包括天然气发动机、离合器a、岸电充电装置、电流转换器、永磁同步可逆电机、离合器b、减速齿轮箱以及螺旋桨，其中岸电充电装置、蓄电池组、电流转换器以及永磁同步可逆电机之间为电力连接，天然气发动机、离合器a、永磁同步可逆电机、离合器b、减速齿轮箱以及螺旋桨之间为机械连接，该结构一方面可以在新船建造时安装，另一方面也可以用于改装传统船舶，具有极强的适应性，即避免了串联式连接时能量转换所带来的损耗，也避免了混联式复杂繁多的部件结构。
图2～5所示为并联式船舶混合动力推进***各运行模式下的能量流路径，其中图2为电动推进模式下***的能量流动示意图；图3为混合推进模式下***的能量流动示意图；图4为机械推进模式下***的能量流动示意图；图5为充电推进模式下***的能量流动示意图
图2所示为电动推进模式，该模式离合器a分离，离合器b接合；天然气发动机处于停机状态或空转怠速状态，永磁同步可逆电机处于电动机模式且提供船舶推进所需功率，蓄电池组处于放能状态并为永磁同步可逆电机提供能量。
图3所示为混合推进模式，该模式离合器a、b均接合；天然气发动机处于工作模式，永磁同步可逆电机处于电动机状态，天然气发动机与永磁同步可逆电机共同提供船舶推进所需功率，蓄电池组处于放能状态，为永磁同步电动机提供能量。
图4所示为机械推进模式，该模式离合器a接合，离合器b分离；天然气发动机处于工作状态且提供船舶推进所需功率，永磁同步可逆电机处于停机状态或空转怠速状态，蓄电池组处于休息状态。
图5所示为充电推进模式，该模式离合器a、b均接合；天然气发动机处于工作状态，永磁同步可逆电机处于发电机模式，天然气发动机提供船舶推进所需功率，且带动永磁同步可逆电机转动，使永磁同步可逆电机将机械能转化为电能，并存储在蓄电池组中，蓄电池组处于充电模式。
图6所示为减速齿轮箱示意图。该减速齿轮箱有输入端a、输入端b、以及输出端c，输入端a与输出端c减速比为i1＝1:1或i2＝2:1、输入端b与输出端c减速比为i3＝1:1或i4＝2:1,根据实际情况，减速齿轮箱输入输出联结方式共有四种，可以选择合适的方式去进行选择。
并联式船舶混合动力推进***功率分配方法流程图如附图7具体步骤如下：
首先确定蓄电池组与天然气发动机组在各自重要影响因素下输出不同功率时的能量效率，其包括如下步骤：
(1)获得蓄电池组侧***在蓄电池组不同SOC情况下输出不同功率时能量效率。蓄电池组侧指岸电充电装置、蓄电池组、永磁同步可逆电机、离合器b。蓄电池组能量来源分为岸电E1与天然气发动机所提供的电能E2；来源能量比例为岸电E1＝n％与天然气发动机所提供的电能E2＝(1-n％)、来源能量效率为岸电效率ηan、天然气发动机所提供的电能效率ηfan＝ηgen×ηcfca×ηjiansuab×ηmotd；其中ηgen为天然气发动机效率；ηcfca为离合器a的能量效率；ηjiansuab为减速齿轮箱的a、b之间的能量效率；ηmotd为永磁同步可逆电机发电模式下的能量效率；蓄电池能量来源效率为ηbat＝E1×ηan+E2×ηfan；蓄电池组侧能量效率为ηbatce＝ηbat×ηch×ηdisch×ηmot×ηcfcb×ηjiansubc，其中ηch为蓄电池组充电效率；ηdisch为蓄电池组放电效率；ηmot为永磁同步可逆电机为电动机模式下的能量效率；ηcfcb为离合器b的能量效率；ηjiansubc为减速齿轮箱b、c的能量效率。
(2)获得天然气发动机侧***天然气发动机不同转速情况下输出不同功率时的能量效率；天然气发动机侧指天然气发动机、离合器a。天然气发动机侧能量效率为ηgence＝ηgen×ηcfca×ηjiansuac；其中ηjiansuac为减速齿轮箱a、c的能量效率。
其次根据给定减速齿轮箱，确定当减速齿轮箱输出端输出给定功率及转速时，天然气发动机组侧与蓄电池组侧在不同运行状态情况下***整体的能量效率，其包括如下步骤：
(1)根据给定减速齿轮箱，确定减速齿轮箱输入端A、B与输出端C的联结方式类型。其中天然气发动机侧输入端A与输出端C减速比为i1＝1:1或i2＝2:1；蓄电池天然气发动机侧输入端B与输出端C减速比为i3＝1:1或i4＝2:1。
(2)给定输出端C的输出功率与转速，确定输入端与减速齿轮箱的联结方式，计算给定输出功率时，每种联结方式在不同混合度下H下***整体的能量效率。混合度H即天然气发动机侧输出功率Pgenc与总输出功率Pzong占比；
Figure BDA0003033177550000061
输出给定功率及转速即输出端C的输出功率与转速确定，输入端与输出端共有4种联结方式，其中每种功率分配均有不同混合度，不同混合度对应不同运行模式。
(3)以能量效率最佳为原则，当给定输出端C的输出功率与转速时，计算获得天然气发动机侧与蓄电池侧功率匹配情况及运行状态。
最后根据船舶预期输出功率、转速以及***实际状态，将***运行点向能量效率最佳时***的运行状态点调整，其包括如下步骤：
(1)根据船舶实际运行状态，获取船舶并联式混合动力***各类参数，***参数包括：减速齿轮箱输出端转速及功率、天然气发动机运行状态及给类参数、蓄电池电压电流及SOC状态、永磁同步可逆电机输出功率及转速、***整体能量效率。
(2)根据船舶实际工作环境与状态推断该船舶预期运行状态，确定输出端C预期输出功率及转速。
(3)根据输出端C预期输出功率及转速并结合各***实际状态，将船舶混合动力***工作点调整至该输出功率转速能量效率最佳的***状态点处；
已经阐述以上公开内容以仅用于说明本发明，并且以上公开内容不是限制性的。对于本领域的技术人员来说，由于可以对包含本发明的精神和范围的所公开的实施例修改，所以本发明应当构造成包括在所附权利要求的范围内的一切及其等同方案。
综上所述：本发明提供一种并联式船舶混合动力***的功率分配方法，主要应用于并联式船舶混合动力***的功率优化分配领域。其特征在于，它首先确定蓄电池组与天然气发动机组在各自重要影响因素下输出不同功率时的能量效率；其次根据给定减速齿轮箱，确定齿轮箱输出端输出给定功率及转速时，气体机组侧与蓄电池组侧在不同运行状态情况下***整体的能量效率；最后根据船舶预期输出功率、转速以及***实际状态，将***运行状态点调整至该输出功率转速能量效率最佳的***状态点处。本发明能够根据蓄电池、天然气发动机、以及***整体的实际状态，将***工作运行点一直控制在能量效率最佳的状态点，提高了混合动力***的能量效率，进而达到了节约能源、降低运行成本的目的。

Claims (3)

1.一种船舶并联式混合动力***的功率分配方法，其特征在于，
首先确定蓄电池组与天然气发动机组在各自重要影响因素下输出不同功率时的能量效率，其包括如下步骤：
S11，获得蓄电池组侧***在蓄电池不同SOC情况下输出不同功率时能量效率；
所述蓄电池组侧指岸电充电装置、蓄电池组、永磁同步可逆电机、离合器b；
所述蓄电池组能量来源分为岸电与天然气发动机所提供的电能；来源能量比例为岸电E1＝n％与天然气发动机所提供的电能E2＝(1-n％)、来源能量效率为岸电效率ηan、天然气发动机所提供的电能效率ηfan＝ηgen×ηcfca×ηjiansuab×ηmotd，其中ηgen为天然气发动机效率；ηcfca为离合器a的能量效率；ηjiansuab为减速齿轮箱的a、b之间的能量效率；ηmotd为永磁同步可逆电机发电模式下的能量效率；
所述蓄电池能量来源效率为ηbat＝E1×ηan+E2×ηfan；
所述蓄电池组侧能量效率为ηbatce＝ηbat×ηch×ηdisch×ηmot×ηcfcb×ηjiansubc，其中ηch为蓄电池组充电效率；ηdisch为蓄电池组放电效率；ηmot为永磁同步可逆电机为电动机模式下的能量效率；ηcfcb为离合器b的能量效率；ηjiansubc为减速齿轮箱b、c的能量效率；
S12，获得天然气发动机侧***天然气发动机不同转速情况下输出不同功率时的能量效率；
所述天然气发动机侧指天然气发动机、离合器a；
所述天然气发动机侧能量效率为ηgence＝ηgen×ηcfca×ηjiansuac，ηjiansuac为减速齿轮箱a、c的能量效率；
其次根据给定减速齿轮箱，确定当减速齿轮箱输出端输出给定功率及转速时，天然气发动机组侧与蓄电池组侧在不同运行状态情况下***整体的能量效率，其包括如下步骤：
S21，根据给定减速齿轮箱，确定减速齿轮箱输入端A、B与输出端C的联结方式类型，其中天然气发动机侧输入端A与输出端C减速比为i1＝1:1或i2＝2:1；蓄电池侧输入端B与输出端C减速比为i3＝1:1或i4＝2:1；
S22，给定输出端C的输出功率与转速，确定输入端与减速齿轮箱的联结方式，计算给定输出功率时，每种联结方式在不同混合度H下***整体的能量效率；
所述混合度H即天然气发动机侧输出功率Pgenc与总输出功率Pzong占比；
Figure FDA0003662418490000021
其中Pbatc蓄电池在输出端C端的输出功率；
所述输出给定功率及转速即输出端C的输出功率与转速确定，输入端与输出端共有4种联结方式，其中每种功率分配均有不同混合度，不同混合度对应不同运行模式；
S23，以能量效率最佳为原则，当给定输出端C的输出功率与转速时，计算获得天然气发动机侧与蓄电池侧功率匹配情况及运行状态；
最后根据船舶预期输出功率、转速以及***实际状态，将***运行点向能量效率最佳时***的运行状态点调整，其包括如下步骤：
S31，根据船舶实际运行状态，获取船舶并联式混合动力***各类参数；
所述各类***参数包括：减速齿轮箱输出端转速及功率、天然气发动机运行状态及给类参数、蓄电池电压电流及SOC状态、永磁同步可逆电机输出功率及转速、***整体能量效率；
S32，根据船舶实际工作环境与状态推断该船舶预期运行状态，确定输出端C预期输出功率及转速；
S33，根据输出端C预期输出功率及转速并结合各***实际状态，将船舶混合动力***工作点调整至该输出功率转速能量效率最佳的***状态点处。
2.如权利要求1所述的船舶并联式混合动力***的功率分配方法，其特征在于，所述运行模式分为电动推进模式、混合推进模式、机械推进模式、充电推进模式；
所述电动推进模式为离合器a分离，离合器b接合；天然气发动机处于停机状态或空转怠速状态，永磁同步可逆电机处于电动机模式且提供船舶推进所需功率，蓄电池组处于放能状态并为永磁同步可逆电机提供能量；
所述混合推进模式为离合器a、b均接合；天然气发动机处于工作模式，永磁同步可逆电机处于电动机状态，天然气发动机与永磁同步可逆电机共同提供船舶推进所需功率，蓄电池组处于放能状态，为永磁同步电动机提供能量；
所述机械推进模式为离合器a接合，离合器b分离；天然气发动机处于工作状态且提供船舶推进所需功率，永磁同步可逆电机处于停机状态或空转怠速状态，蓄电池组处于休息状态；
所述充电推进模式为离合器a、b均接合；天然气发动机处于工作状态，永磁同步可逆电机处于发电机模式，天然气发动机提供船舶推进所需功率，且带动永磁同步可逆电机转动，使永磁同步可逆电机将机械能转化为电能，并存储在蓄电池组中，蓄电池组处于充电模式。
3.如权利要求1或2所述的船舶并联式混合动力***的功率分配方法，其特征在于，所述运行模式与混合度值范围具有一一对应关系；其中电动推进模式情况下H＝0、混合推进模式情况下0＜H＜1、机械推进模式情况下H＝1、充电推进模式情况下H＞1。
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