柴電混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)及其能量管理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種柴電混合動(dòng)力船舶，特別是指一種柴電混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)及其能量管理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]拖輪、挖泥船等工程船舶廣泛運(yùn)用于港口作業(yè)中，選擇柴油主機(jī)時(shí)往往需根據(jù)最大功率需求配置從而造成柴油主機(jī)在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)工作于低負(fù)荷區(qū)，所帶來的問題是燃油經(jīng)濟(jì)性差，排放性能差。且這些船舶大多工作于近海，與遠(yuǎn)洋船舶相比，受到更嚴(yán)苛的排放法規(guī)約束，改善其排放性刻不容緩。
[0003]造成上述問題的原因是船舶能量系統(tǒng)剛性較大，沒有儲(chǔ)能原件，推進(jìn)能量僅由柴油主機(jī)產(chǎn)生。通過將儲(chǔ)能裝置加入至船舶中，可以對(duì)船舶能量系統(tǒng)進(jìn)行柔化，從而改善上述問題。近年來，各類儲(chǔ)能裝置如超級(jí)電容，蓄電池發(fā)展迅猛，性能有了大幅度提升。其應(yīng)用于船舶已經(jīng)有相關(guān)案例。
[0004]各類儲(chǔ)能裝置因其結(jié)構(gòu)與原理的區(qū)別使其儲(chǔ)能特性不同，如超級(jí)電容充放電快，但功率密度較低；鋰聚合物電池功率密度較高，但承受充放電電流能力有限，根據(jù)它們特性取長補(bǔ)短，構(gòu)成復(fù)合能量存儲(chǔ)裝置使其能夠更好的應(yīng)對(duì)船舶的功率需求，也能延長儲(chǔ)能裝置的壽命。
[0005]能量管理方法對(duì)有儲(chǔ)能裝置的船舶至關(guān)重要，其控制了何時(shí)使用，如何使用儲(chǔ)能裝置，這對(duì)最大程度發(fā)揮儲(chǔ)能裝置特性以及延長其使用壽命、減少維護(hù)都有重要作用。
[0006]以下給出了幾種柴電混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)及其能量管理方法:
[0007]中國專利申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)?01310264651.7，名稱為“一種混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)的能量管理”的發(fā)明專利申請(qǐng)，公開了一種混合電力推進(jìn)船舶的能量管理策略，雖然涉及到超級(jí)電容與鋰電池，但是并沒有根據(jù)不同儲(chǔ)能裝置的特性設(shè)計(jì)能量管理策略。且該專利能量轉(zhuǎn)化是先由柴油機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能(交流)，再將交流轉(zhuǎn)化為直流，等傳遞到電機(jī)時(shí)，又將直流轉(zhuǎn)換到交流，過程復(fù)雜，能量經(jīng)多次轉(zhuǎn)化使得效率較低。
[0008]中國專利，專利號(hào)ZL201320327319.6，名稱為“混聯(lián)結(jié)構(gòu)的船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)及混合方法”的發(fā)明專利，公開了一種柴一電混聯(lián)結(jié)構(gòu)的船舶，柴油機(jī)經(jīng)磁力耦合器與永磁發(fā)電機(jī)同軸相連，永磁發(fā)電機(jī)再由磁力耦合器與齒輪箱相連，齒輪箱的另一端帶動(dòng)推進(jìn)器；同時(shí)柴油機(jī)的另一端帶動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)，渦輪發(fā)電機(jī)與永磁發(fā)電機(jī)一起向蓄電池充電，蓄電池帶動(dòng)電機(jī)也向齒輪箱輸入功率。所存在的問題是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且該發(fā)明僅使用了蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，不能滿足大電流短時(shí)間充放電。
[0009]中國專利，專利號(hào)ZL201220370587.1，名稱為“船舶復(fù)合能源裝置及設(shè)置有復(fù)合能源裝置的船舶”的新型實(shí)用專利，公開了一種船用復(fù)合能源裝置及設(shè)置有復(fù)合能源裝置的船舶，但僅探討了超級(jí)電容與蓄電池在船舶電網(wǎng)中的應(yīng)用，并沒有涉及作為輔助推進(jìn)能源的作用，且沒有涉及管理超級(jí)電容與蓄電池的方法。
[0010]綜上所述，上述專利雖然涉及到儲(chǔ)能裝置在船舶中的應(yīng)用，但都沒有較好地改善前述柴油主機(jī)工作特性差的缺點(diǎn)，也沒有較為充分地應(yīng)用儲(chǔ)能裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種燃油經(jīng)濟(jì)性好、能量利用效率高的柴電混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)及其能量管理方法。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的柴電混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)的能量管理方法，用于確定柴電混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行模式，所述柴電混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)包括柴油主機(jī)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)能裝置和推進(jìn)器，所述儲(chǔ)能裝置包括超級(jí)電容和蓄電池。
[0013]所述柴電混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)包括如下四種運(yùn)行模式:
[0014]模式A:經(jīng)由儲(chǔ)能裝置提供能量，發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)模式以驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器運(yùn)行；
[0015]模式B:柴油主機(jī)給推進(jìn)器提供能量，發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)模式并對(duì)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充電；
[0016]模式C:柴油主機(jī)給推進(jìn)器提供能量，發(fā)電電動(dòng)機(jī)不工作；
[0017]模式D:柴油主機(jī)與儲(chǔ)能裝置一起給推進(jìn)裝置提供能量，發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)模式。
[0018]該能量管理方法包括如下步驟:
[0019]I)獲取需求功率P和儲(chǔ)能裝置狀態(tài){SC，BA}
[0020]所述需求功率P由外部輸入；
[0021]所述儲(chǔ)能裝置狀態(tài){SC，BA}根據(jù)超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOC_SC和蓄電池的荷電狀態(tài)SOC_BA按如下方式確定:
[0022]a.當(dāng)超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOC_SC彡a時(shí)，定義SC = 1(代表適宜充電狀態(tài))，反之定義SC = O (代表適合放電狀態(tài));
[0023]b.當(dāng)蓄電池的荷電狀態(tài)SOC_BA彡b時(shí)，定義BA= 1(代表適宜充電狀態(tài))，反之定義BA = O (代表適合放電狀態(tài));
[0024]其中a為根據(jù)充放電特性或用戶需求設(shè)定的超級(jí)電容充放電閾值，b為根據(jù)充放電特性或用戶需求設(shè)定的蓄電池充放電閾值。
[0025]特別說明，上述SOC_SC ( a，SOC_BA ( b 如果簡單替換為 SOC_SC < a、SOC_BA < b等形式，由于具體應(yīng)用時(shí)沒有區(qū)別，視為前者的等同特征，適用等同原則。
[0026]2)根據(jù)儲(chǔ)能裝置狀態(tài){SC，BA}選擇運(yùn)行模式
[0027]a.當(dāng)P彡P(guān)L時(shí)，儲(chǔ)能裝置狀態(tài){I, 1}，{O, 1}對(duì)應(yīng)模式B，{I, 0}，{O, 0}對(duì)應(yīng)模式A；
[0028]b.當(dāng)PL < P彡P(guān)e時(shí)，儲(chǔ)能裝置狀態(tài){1，1}，{O, 1}對(duì)應(yīng)模式B，{1,0}, {O, 0}對(duì)應(yīng)模式C ;
[0029]c.當(dāng)功率需求P > Pe時(shí)，無論何種儲(chǔ)能裝置狀態(tài)，均對(duì)應(yīng)于模式D ；
[0030]其中，PL為設(shè)定的功率下限，其值根據(jù)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的額定功率確定(PL不大于發(fā)電電動(dòng)機(jī)的額定功率)，Pe為柴油主機(jī)的額定功率。
[0031]特別說明，上述P彡P(guān)L, PL < P彡P(guān)e，P > Pe也可以是P < PL，PL彡P(guān) < Pe,P^Pe等形式，由于具體應(yīng)用時(shí)沒有區(qū)別，視為前者的等同特征，適用等同原則。
[0032]優(yōu)選的，該能量管理方法提供了手動(dòng)控制模式，可根據(jù)需要人為定義船舶運(yùn)行模式，提高船舶運(yùn)行的靈活性。如需要船舶某段時(shí)間完全靠儲(chǔ)能裝置供電可通過對(duì)儲(chǔ)能裝置預(yù)充電實(shí)現(xiàn)，這在科考船需要做精密實(shí)驗(yàn)或船舶在特定海域達(dá)到排放要求時(shí)有一定意義。
[0033]可選的，所述超級(jí)電容充放電閾值a = 0.2，所述蓄電池充放電閾值b = 0.4。
[0034]本發(fā)明同時(shí)提供了一種應(yīng)用前述能量管理方法的柴電混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)，包括柴油主機(jī)、推進(jìn)器、發(fā)電電動(dòng)機(jī)、齒輪箱、儲(chǔ)能裝置和能量管理模塊。所述柴油主機(jī)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)通過軸、法蘭各自連接在齒輪箱的一個(gè)輸入端口上，所述推進(jìn)器通過尾軸連接在齒輪箱的輸出端口上，所述儲(chǔ)能裝置電連接在發(fā)電電動(dòng)機(jī)上。所述發(fā)電電動(dòng)機(jī)與儲(chǔ)能裝置之間設(shè)置有充電逆變一體機(jī)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置的充電與放電。所述儲(chǔ)能裝置包括超級(jí)電容、蓄電池和功率分配單元。所述功率分配單元的輸入端與充電逆變一體機(jī)電連接，所述超級(jí)電容、蓄電池分別并聯(lián)在功率分配單元的兩個(gè)輸出端上。所述能量管理模塊集成在PLC、DSP等控制系統(tǒng)內(nèi)，采用前述能量管理方法對(duì)柴電混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)的能量進(jìn)行管理。所述能量管理模塊的主機(jī)控制信號(hào)輸出端與柴油主機(jī)的控制信號(hào)輸入端相連，所述能量管理模塊的電機(jī)控制信號(hào)輸出端與設(shè)置在發(fā)電電動(dòng)機(jī)與齒輪箱之間的離合器的控制信號(hào)輸入端相連，所述能量管理模塊的充放電管理信號(hào)輸入輸出端與充電逆變一體機(jī)的充電/逆變控制信號(hào)輸入端、儲(chǔ)能裝置的功率分配控制信號(hào)輸入端及儲(chǔ)能裝置狀態(tài)反饋信號(hào)輸出端相連。
[0035]可選的，作為一種具體的功率分配實(shí)現(xiàn)方式，所述功率分配單元包括減法器、功率微分限制器、雙向DC/DC變換器A和雙向DC/DC變換器B，所述減法器的正輸入端、功率微分限制器的輸入端與充電逆變一體機(jī)電連接，所述功率微分限制器的輸出端分別與減法器的負(fù)輸入端、雙向DC/DC變換器A的輸入端電連接，所述減法器的輸出端與雙向DC/DC變換器B的輸入端電連接，所述雙向DC/DC變換器A、雙向DC/DC變換器B的輸出端分別與超級(jí)電容、蓄電池的輸入端電連接。雙向DC/DC變換器A/B為儲(chǔ)能裝置(超級(jí)電容/蓄電池)提供正常的充放電電壓，并且可以將儲(chǔ)能裝置的充放電的工作分離出來，運(yùn)用雙向DC/DC變換器單獨(dú)處理儲(chǔ)能裝置的充放電操作，更容易優(yōu)化充放電過程，有利于延長儲(chǔ)能裝置的使用壽命。也可將超級(jí)電容與蓄電池的位置互換，即:將蓄電池連接在雙向DC/DC變換器A的輸出端，將超級(jí)電容連接在雙向DC/DC變換器B的輸出端。
[0036]可選的，所述充電逆變一體機(jī)的交流側(cè)連接有配電板，其作用是靠岸后為儲(chǔ)能裝置充電，或?yàn)榇疤峁┱彰鞯容o助電力。
[0037]優(yōu)選的，所述發(fā)電電動(dòng)機(jī)采用永磁同步電機(jī)，永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)。
[0038]優(yōu)選的，所述蓄電池采用鋰離子電池或鋰聚合物電池，鋰離子電池、鋰聚合物電池具有環(huán)保、體積小、比能量尚、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)。
[0039]本發(fā)明的有益效果是:所提供的柴電混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)及其能量管理方法可應(yīng)用于柴油主機(jī)在大多數(shù)工況下呈現(xiàn)過度配置情形的船舶，如拖輪這種“個(gè)子小，力氣大”的船舶，通過使用儲(chǔ)能裝置對(duì)船舶功率需求進(jìn)行柔化，并根據(jù)需求功率、儲(chǔ)能裝置狀態(tài)選擇合適的推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行模式，可使柴油主機(jī)最大程度工作于最佳效率區(qū)間內(nèi)，因此具有燃油經(jīng)濟(jì)性好、能量利用效率高的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)充分利用超級(jí)電容和蓄電池不同的充放電特點(diǎn)，需要快速充放電的功率由超級(jí)電容滿足，其余由蓄電池滿足，提高了儲(chǔ)能裝置的效能和壽命。
【附圖說明】
[0040]圖1為本發(fā)明柴電混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖2為圖1中儲(chǔ)能裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖3為圖1中能量管理模塊所采用的能量管理方法的示意圖。
[0043]圖4為圖3中運(yùn)行模式判斷表，表中，A、B、C、D為推進(jìn)系統(tǒng)的四種運(yùn)行模式，P為需求功率，PL為設(shè)定的功率下限，Pe為柴油主機(jī)的額定功率，SC、BA分別為表征超級(jí)電容、蓄電池充放電狀態(tài)的定義值。
[0044]其中:能量管理模塊2、柴油主機(jī)3、齒輪箱5、推進(jìn)器7、發(fā)電電動(dòng)機(jī)9、充電逆變一體機(jī)10、儲(chǔ)能裝置11、斷路器12、配電板13、功率分配單元21、雙向DC/DC變換器A 22、超級(jí)電容23、雙向DC/DC變換器B 24、蓄電池25、功率微分限制器31、減法器32
【具體實(shí)施方式】
[0045]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0046]如圖1?2所示，本發(fā)明改進(jìn)的柴電混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)，包括柴油主機(jī)3、推進(jìn)器7(螺旋槳)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)9、齒輪箱5、儲(chǔ)能裝置11和能量管理模塊2。
[0047]柴油主機(jī)3、發(fā)電電動(dòng)機(jī)9各自法蘭連接在齒輪箱