一種適用于工程船的油電混合動力倒車控制系統(tǒng)的制作方法

本發(fā)明涉及一種適用于工程船的油電混合動力倒車控制系統(tǒng),屬于船舶動力技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前國內(nèi)外研究領(lǐng)域?qū)τ谟碗娀旌闲痛皠恿ο到y(tǒng)的研究更多專注于船舶正車行駛過程中，對于倒車狀態(tài)下的船舶混合動力航行的研究應(yīng)用還十分罕見。在日常工程實(shí)踐過程中經(jīng)常會有一些頻繁利用倒車工況進(jìn)行相關(guān)作業(yè)的工程船，例如港口拖輪對被拖船實(shí)施倒車拖拽作業(yè)以及內(nèi)河進(jìn)行對岸行駛的船舶在不掉頭狀態(tài)下頻繁正車、倒車往復(fù)于兩岸之間的情況等等。因此，對于有頻繁倒車工況作業(yè)需要且在倒車工況下螺旋槳所需功率較大的這些工程船來說，加入油電混合動力模式就顯得十分必要。一方面，本針對于工程船的混動倒車模式可以最大限度的保證柴油發(fā)動機(jī)始終工作在最高效的轉(zhuǎn)速上，最大限度的節(jié)省油耗，從而獲得更大的續(xù)航力。另一方面，在倒車工況開始初期，船舶可以利用純電動模式下電動機(jī)扭矩大且低轉(zhuǎn)速時輸出功率高的特點(diǎn)，從而改善工程船倒車時的操縱性能。另外，對于工程船來說，其倒車過程中螺旋槳所需扭矩及其倒車阻力與當(dāng)時船舶航速、航向與流向夾角、海況等密切相關(guān)，在螺旋槳所需扭矩不同時，選擇何種推進(jìn)方式便會對工程船單位油耗的多少產(chǎn)生很大差異。因此，有必要提出一種針對工程船的倒車控制系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種適用于工程船的油電混合動力倒車控制系統(tǒng)。該倒車控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)不同倒車船速及風(fēng)浪海況下的船舶倒車阻力來決定船舶倒車模式，從而有效平抑工程船在倒車過程中工況多變導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)負(fù)荷波動；同時，不同倒車模式的應(yīng)用也可有效提升工程船的倒車機(jī)動性及倒車能力。

本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種適用于工程船的油電混合動力倒車控制系統(tǒng)，它包括發(fā)動機(jī)、離合器、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、ac/dc整流器、鋰電池儲能單元、電池組管理系統(tǒng)和螺旋槳，它還包括駕駛臺倒車控制單元、主推進(jìn)單元、電力倒車控制單元、逆變器和倒車電動機(jī)，所述駕駛臺倒車控制單元與主推進(jìn)單元、電力倒車控制單元、電池組管理系統(tǒng)通過信號連接；所述發(fā)動機(jī)具有兩個輸出軸，兩個輸出軸通過離合器分別與齒輪箱和發(fā)電機(jī)機(jī)械連接；其中，齒輪箱與螺旋槳機(jī)械連接，電動機(jī)通過交流母線與ac/dc整流器電連接；所述ac/dc整流器通過直流母線與鋰電池儲能單元電連接，鋰電池儲能單元由電池組管理系統(tǒng)進(jìn)行控制，鋰電池儲能單元通過直流母線與逆變器電連接；所述逆變器通過交流母線與倒車電動機(jī)電連接，倒車電動機(jī)與齒輪箱通過離合器機(jī)械連接。

在所述工程船倒車時，由駕駛臺倒車控制單元根據(jù)相應(yīng)的船速、海況判斷船舶倒車阻力；根據(jù)工程船倒車時的不同阻力由駕駛臺倒車控制單元發(fā)出倒車模式指令以控制工程船以純電動倒車模式、柴動充電模式或者柴電混合模式進(jìn)行船舶倒車操作。

當(dāng)所述工程船的倒車阻力小于等于第一預(yù)定阻力時，控制工程船以船電動倒車模式進(jìn)行倒車；其中，一號離合器和二號離合器處于分離狀態(tài)，三號離合器處于接合狀態(tài)，駕駛臺倒車控制單元控制電池組管理系統(tǒng)和電力倒車控制單元，使鋰電池儲能單元通過逆變器給倒車電動機(jī)供電，從而通過齒輪箱帶動螺旋槳倒轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)工程船倒車。

當(dāng)所述工程船的倒車阻力大于第一預(yù)定阻力小于等于第二預(yù)定阻力或者鋰電池控制單元電量不足時，控制工程船以柴動充電模式進(jìn)行倒車；其中，一號離合器和二號離合器處于接合狀態(tài)，三號離合器處于分離狀態(tài)；所述駕駛臺倒車控制單元控制主推進(jìn)單元和電池組管理系統(tǒng)，使發(fā)動機(jī)通過齒輪箱帶動螺旋槳倒轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)倒車，同時，發(fā)動機(jī)通過輸出軸帶動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電機(jī)通過ac/dc整流器給鋰電池儲能單元充電。

當(dāng)所述工程船阻力大于第二預(yù)定阻力時，控制工程船以柴電混合模式進(jìn)行倒車；其中，一號離合器和三號離合器處于接合狀態(tài),二號離合器處于分離狀態(tài)；所述駕駛臺倒車控制單元控制主推進(jìn)單元、電池組管理系統(tǒng)和電力倒車控制單元，使發(fā)動機(jī)和倒車電動機(jī)通過齒輪箱帶動螺旋槳實(shí)現(xiàn)混動倒車。

本發(fā)明的有益效果是：對于工程船來說，采用上述柴電混合動力倒車模式可以有效平抑倒車過程中工況多變導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)負(fù)荷波動、油耗增加，做到增大續(xù)航力、節(jié)能減排以及減少對海洋環(huán)境的污染；同時，工程船在進(jìn)行相關(guān)作業(yè)過程中有頻繁的倒車操作且所需功率較大，采用本系統(tǒng)可以有效提升工程船的倒車機(jī)動性及倒車能力。

附圖說明

圖1是一種適用于工程船的油電混合動力倒車控制系統(tǒng)的原理圖。

圖2是倒車模式選擇流程圖。

圖中：1、一號離合器，2、二號離合器，3、三號離合器。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、實(shí)現(xiàn)流程以及有益效果更加清楚明了的展現(xiàn)，下面結(jié)合相關(guān)圖示進(jìn)行進(jìn)一步闡述。

一種適用于工程船的油電混合動力倒車控制系統(tǒng)如圖1所示，駕駛臺倒車控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際海況和船舶實(shí)際倒車速度估算出船舶倒車阻力，之后與預(yù)定的阻力進(jìn)行比較來選擇使用何種倒車模式，繼而通過信號連接控制主推進(jìn)單元和電力倒車控制單元；二者通過信號控制分別連接柴油發(fā)動機(jī)和倒車電動機(jī)；發(fā)動機(jī)的兩端分別設(shè)置一號離合器1和二號離合器2；其中一號離合器1連接齒輪箱，繼而通過機(jī)械連接到螺旋槳；二號離合器2連接發(fā)電機(jī)；發(fā)動機(jī)通過離合器帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)通過交流母線連接ac/dc整流器；整流器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姾笸ㄟ^直流母線連接鋰電池儲能單元；鋰電池儲能單元輸出的電能通過直流母線連接到逆變器；逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姾笸ㄟ^交流母線連接到齒輪箱；齒輪箱最終帶動螺旋槳反轉(zhuǎn)。

當(dāng)工程船在進(jìn)行倒車操作時，該控制系統(tǒng)會按照圖2所示的控制流程進(jìn)行倒車模式選擇。基本原則是：駕駛臺控制系統(tǒng)首先通過船舶倒車時的海況環(huán)境以及船舶倒車速度來得出一個船舶倒車阻力sar（shipasternresistance），通過比較船舶倒車阻力sar與第一預(yù)定阻力fpr(firstpredeterminedresistance)和第二預(yù)定阻力spr(secondpredeterminedresistance)之間的大小關(guān)系來選擇倒車模式，進(jìn)而實(shí)施倒車操作。當(dāng)船舶倒車阻力sar小于等于第一預(yù)定阻力fpr時，船舶采用純電動倒車模式，一號離合器1和二號離合器2分離，三號離合器接合，駕駛臺倒車控制系統(tǒng)控制鋰電池儲能單元通過逆變器給倒車發(fā)電機(jī)供電，進(jìn)而通過齒輪箱帶動螺旋槳反轉(zhuǎn)倒車；當(dāng)鋰電池儲能單元電量不足或者船舶倒車阻力sar大于第一預(yù)定阻力fpr而小于等于第二預(yù)定阻力spr時，船舶采用柴動充電模式，該模式下，一號離合器1和二號離合器2接合，三號離合器分離，發(fā)動機(jī)通過兩個輸出端帶動發(fā)電機(jī)和螺旋槳反轉(zhuǎn)倒車，發(fā)電機(jī)通過ac/dc整流器給鋰電池儲能單元進(jìn)行充電；當(dāng)船舶倒車阻力sar大于第二預(yù)定阻力spr時，一號離合器1和三號離合器接合，二號離合器2分離，此時駕駛臺倒車控制系統(tǒng)控制主推進(jìn)控制單元和電力倒車控制單元使發(fā)動機(jī)和鋰電池儲能單元同時工作，發(fā)動機(jī)和倒車電動機(jī)一起通過齒輪箱帶動螺旋槳反轉(zhuǎn)倒車。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種應(yīng)用于工程船的混合動力倒車控制系統(tǒng)，屬于船舶動力技術(shù)領(lǐng)域。這種包含純電動倒車模式、柴動充電模式及柴電混合模式三種船舶倒車模式的混合動力倒車控制系統(tǒng)，它由駕駛臺倒車控制單元、主推進(jìn)控制單元、電力倒車控制單元、發(fā)動機(jī)、離合器、齒輪箱、螺旋槳、交流和直流母線、AC/DC整流器、逆變器、鋰電池儲能單元、以及倒車電動機(jī)組成。該系統(tǒng)可以根據(jù)不同倒車船速及風(fēng)浪海況下的船舶倒車阻力來決定船舶倒車模式，從而有效平抑工程船在倒車過程中工況多變導(dǎo)致發(fā)動機(jī)負(fù)荷波動、油耗增加；同時，不同倒車模式的應(yīng)用也可有效提升工程船的倒車機(jī)動性及倒車能力。

技術(shù)研發(fā)人員：管官;周帥;王春雷;林焰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.23
技術(shù)公布日：2017.09.15