柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统及混合方法与流程

：本发明涉及一种柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统及混合方法。

背景技术：
：随着国际油价的快速上涨，船舶燃油费用日益增加，船舶节能技术已成为航运业研究的热点之一。我国能源形式严峻，节能已经成为国民经济发展中的重要任务。船舶是高能耗的运输工具，研究和应用节能技术,降低船舶能耗，不仅可以为航运企业节省燃油费用,还可以减少船舶造成的环境污染,获得经济和环保双重效益。针对“十二五”期间航运交通行业节能减排面临的实际，交通运输部发布了《“十二五”水运节能减排总体推进实施方案》，明确要求“把节能减排作为促进发展的重要途径和手段”。到2015年，与2005年相比较，营运船舶单位运输周转量能耗下降15%以上，其中海洋和内河船舶分别下降16%和14%以上。营运船舶单位运输周转量二氧化碳排放下降16%以上，其中海洋船舶和内河船舶分别下降17%和15%以上。为了实现以上目标，必须加强船舶动力系统节能减排技术基础性研究工作，提升科技创新能力和研发水平；突破关键技术，开发节能减排先进技术和设备，发挥科技创新在节能减排工作中的支撑和引领作用。因此，根据我国目前船舶主要以中低速柴油机为主机的使用特点，结合目前国外发达国家大量采用柴油-电力混合动力作为船舶动力系统的特点，开展船舶中低速柴电混合动力系统关键技术开发，是十分必要和迫切的。目前以柴油机为动力的船舶占世界商船队的95%以上，其中，柴油机直接驱动占55%，柴油机齿轮传动占39%。但目前无论是柴油机直接驱动螺旋桨还是柴油机齿轮传动驱动螺旋桨都存在油耗量大及污染排放多等不足，从而加大了船舶的运营成本。目前，常见的柴电混合动力系统一般是并联式系统，即柴油机和发电机-电动机组分别提供驱动功率，再通过变速箱并联后驱动螺旋桨。其特点是低工况下可采用小功率发电机组发电带动轴带电机、齿轮箱以驱动螺旋桨。较高工况下可采用较大功率柴油机驱动齿轮箱、螺旋桨。但其存在如下缺点：（1）此种混合动力要将柴油机的功率通过发电机转化为电机功率，结构比较复杂，其功率转化过程中有部分功率损失。（2）此种混合动力的电动机由于没有采用变频器，电机转速与较大功率柴油机转速不一致，不能实现功率点的最佳匹配并车。（3）此种混合动力运行时，由于没有蓄能装置，必须投入一台柴油机做为动力输出，不能满足某些港口要求的“零排放”。（4）此种混合动力未能将柴油机的烟气余热有效利用，能耗和废气排放较高。因此，发展新形式的柴电混合动力系统，更为科学有效的将主机-电机等功能设备集成起来，克服柴电混合动力系统的功能缺陷，并提高效率降低功耗，是未来船舶混合动力系统需要解决的问题。

技术实现要素：
：本发明的目的是提供一种柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统及混合方法。上述的目的通过以下的技术方案实现：一种柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统，其组成包括:主柴油发动机，所述的主柴油发动机与磁力耦合传动机构A连接，所述的磁力耦合传动机构A与齿轮箱连接，所述的齿轮箱与磁力耦合传动机构C连接，所述的磁力耦合传动机构C与电动机连接，所述的电动机与蓄电池连接，所述的蓄电池分别与涡轮发电装置A、涡轮发电装置B连接，所述的涡轮发电装置A与所述的主柴油发动机连接，所述的涡轮发电装置B与辅助柴油发动机连接，所述的辅助柴油发动机与所述的电动机通过磁力耦合传动机构B连接。所述的柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统，所述的齿轮箱包括齿轮轮系A、齿轮轮系B、齿轮轮系C，所述的齿轮轮系A与所述的齿轮轮系B连接，所述的齿轮轮系B与所述的齿轮轮系C连接，所述的齿轮轮系A与所述的磁力耦合传动机构A连接，所述的齿轮轮系B与螺旋桨连接，所述的齿轮轮系C与所述的磁力耦合传动机构C连接。所述的柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统，所述的涡轮发电装置包括涡轮增压器、压气机、高速永磁电机，所述的涡轮增压器与所述的高速永磁电机连接，所述的高速永磁电机与所述的压气机连接，所述的高速永磁电机与所述的蓄电池连接，所述的主柴油发动机分别与所述的涡轮发电装置A的压气机、涡轮增压器连接，所述的辅助柴油发动机分别与所述的涡轮发电装置B的压气机、涡轮增压器连接。所述的柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统，所述的磁力耦合传动机构包括导体转子、永磁体转子，所述的导体转子与驱动轴连接，所述的永磁体转子与负载轴连接，所述的磁力耦合传动机构通过电机一端的导体和负载一端的永磁体之间的感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的间隙就可以控制传递的转矩，从而实现驱动的智能调节。一种柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统混合方法：（1）主柴油发动机驱动模式：此时，主柴油发动机工作，辅助柴油发动机和电动机不工作，磁力耦合传动机构A接通，磁力耦合传动机构B和磁力耦合传动机构C断开，由主柴油发动机驱动螺旋桨，同时与主柴油发动机连接的涡轮增压器工作，进行能量的回收，向蓄电池充电，此种工作模式适用于巡航工作状态；（2）辅助柴油发动机+电动机驱动模式：此时，主柴油发动机不工作，辅助柴油发动机和电动机工作，磁力耦合传动机构A断开，磁力耦合传动机构B和磁力耦合传动机构C接通，由辅助柴油发动机驱动电动机，电动机驱动螺旋桨，同时与辅助柴油发动机连接的涡轮增压器工作，进行能量的回收，向蓄电池充电，此种工作模式适用于低速航行工作状态；（3）蓄电池+电动机驱动模式：此时，主柴油发动机和辅助柴油发动机均不工作，磁力耦合传动机构A和磁力耦合传动机构B断开，磁力耦合传动机构C接通，由蓄电池向电动机供电，电动机驱动螺旋桨，此种工作模式适用于进出港口和沿岸低速航行工作状态；（4）主柴油发动机+辅助柴油发动机+电动机联合驱动模式：此时，主柴油发动机、辅助柴油发动机和电动机同时工作，磁力耦合传动机构A、磁力耦合传动机构B和磁力耦合传动机构C接通，主柴油发动机和辅助柴油发动机-电动机两个驱动路径同时驱动螺旋桨，同时主柴油发动机和辅助柴油发动机的涡轮增压器均工作，进行能量的回收，向蓄电池充电，此种工作模式适用于加速工作状态。所述的柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统混合方法，通过将高速永磁电机与涡轮增压器的紧凑式结构集成，使得涡轮增压器在满足传统的吸收发动机废气进行增压的基础功能上，又可实现将废气中可供回收利用的废气热能，通过涡轮带动高速永磁电机发电，向蓄电池充电，实现能量的回收利用；高速永磁电机兼具发电-电动功能，当柴油发动机启动时，涡轮增压器可通过蓄电池电能驱动工作，完成增压功能；涡轮增压器启动之后，高速永磁电机可作为发电机工作，向蓄电池蓄能。有益效果：1.本发明通过磁力耦合的非机械传动形式，消除了复杂工况对发动机工作状态的影响，使得发动机能够保持在稳定、高效、低污染的状态下运行，从而达到节能减排的目的；。2.本发明的柴电混合的方式是柴油机直接驱动电动机，而不经过发电机，简化了系统结构；同时，采用主柴油机直接驱动和辅助柴油机与电动机混合驱动的模式；主辅动力机配置提高了系统可靠性，且可满足大功率范围的变化要求。3.本发明采用基于高速涡轮增压发电装置，实现了柴油机废气能量的回收和利用，进一步降低了柴油机排放，并有效降低了油耗。4.本发明的永磁电机配备有磁能密度极高的永久磁铁作为电极，具有功率密度和转矩密度高、效率高、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点，采用矢量控制的驱动控制系统可使永磁电机具有宽广的调速范围，将使得电机综合效率将达到甚至超过传统技术的水平。5.本发明的动力机与螺旋桨之间，不再是传统的机械连接，而是磁力耦合连接，可以最大限度的减轻发动机在运行时受到的具体工况的影响，从而大大降低动力系统控制方式的技术难度，并有效减少发动机排放。附图说明：附图1是本发明的结构示意图。图中，1为主柴油发动机，2为涡轮发电装置A，3为辅助柴油发动机，4为涡轮发电装置B，5为电动机，6为齿轮箱，7为蓄电池，8为磁力耦合传动机构A,9为磁力耦合传动机构B，10为磁力耦合传动机构C，11为齿轮轮系A，12为齿轮轮系B，13为齿轮轮系C，21为螺旋桨。附图2是本发明的涡轮增压器能量回收利用的结构原理图。图中，18为涡轮增压器，19为高速永磁电机，20为压气机。附图3是本发明的磁力耦合传动机构的原理图。图中，14为驱动轴，15为导体转子，16为永磁体转子，17为负载轴。具体实施方式：实施例1：一种柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统，其组成包括:主柴油发动机1，所述的主柴油发动机与磁力耦合传动机构A8连接，所述的磁力耦合传动机构A与齿轮箱6连接，所述的齿轮箱与磁力耦合传动机构C10连接，所述的磁力耦合传动机构C与电动机5连接，所述的电动机与蓄电池7连接，所述的蓄电池分别与涡轮发电装置A2、涡轮发电装置B4连接，所述的涡轮发电装置A与所述的主柴油发动机连接，所述的涡轮发电装置B与辅助柴油发动机3连接，所述的辅助柴油发动机与所述的电动机通过磁力耦合传动机构B9连接。实施例2：根据实施例1所述的柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统，所述的齿轮箱包括齿轮轮系A11、齿轮轮系B12、齿轮轮系C13，所述的齿轮轮系A与所述的齿轮轮系B连接，所述的齿轮轮系B与所述的齿轮轮系C连接，所述的齿轮轮系A与所述的磁力耦合传动机构A连接，所述的齿轮轮系B与螺旋桨21连接，所述的齿轮轮系C与所述的磁力耦合传动机构C连接。实施例3：根据实施例1所述的柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统，所述的涡轮发电装置包括涡轮增压器18、压气机20、高速永磁电机19，所述的涡轮增压器与所述的高速永磁电机连接，所述的高速永磁电机与所述的压气机连接，所述的高速永磁电机与所述的蓄电池连接，所述的主柴油发动机分别与所述的涡轮发电装置A的压气机、涡轮增压器连接，所述的辅助柴油发动机分别与所述的涡轮发电装置B的压气机、涡轮增压器连接。实施例4：根据实施例1所述的柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统，所述的磁力耦合传动机构包括导体转子15、永磁体转子16，所述的导体转子与驱动轴14连接，所述的永磁体转子与负载轴17连接，所述的磁力耦合传动机构通过电机一端的导体和负载一端的永磁体之间的感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的间隙就可以控制传递的转矩，从而实现驱动的智能调节。实施例5：一种柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统混合方法：（1）主柴油发动机驱动模式：此时，主柴油发动机工作，辅助柴油发动机和电动机不工作，磁力耦合传动机构A接通，磁力耦合传动机构B和磁力耦合传动机构C断开，由主柴油发动机驱动螺旋桨，同时与主柴油发动机连接的涡轮增压器工作，进行能量的回收，向蓄电池充电，此种工作模式适用于巡航工作状态；（2）辅助柴油发动机+电动机驱动模式：此时，主柴油发动机不工作，辅助柴油发动机和电动机工作，磁力耦合传动机构A断开，磁力耦合传动机构B和磁力耦合传动机构C接通，由辅助柴油发动机驱动电动机，电动机驱动螺旋桨，同时与辅助柴油发动机连接的涡轮增压器工作，进行能量的回收，向蓄电池充电，此种工作模式适用于低速航行工作状态；（3）蓄电池+电动机驱动模式：此时，主柴油发动机和辅助柴油发动机均不工作，磁力耦合传动机构A和磁力耦合传动机构B断开，磁力耦合传动机构C接通，由蓄电池向电动机供电，电动机驱动螺旋桨，此种工作模式适用于进出港口和沿岸低速航行工作状态；（4）主柴油发动机+辅助柴油发动机+电动机联合驱动模式：此时，主柴油发动机、辅助柴油发动机和电动机同时工作，磁力耦合传动机构A、磁力耦合传动机构B和磁力耦合传动机构C接通，主柴油发动机和辅助柴油发动机-电动机两个驱动路径同时驱动螺旋桨，同时主柴油发动机和辅助柴油发动机的涡轮增压器均工作，进行能量的回收，向蓄电池充电，此种工作模式适用于加速工作状态。实施例6：根据实施例5所述的柴油机-电动机集成的船舶柴电混合动力系统混合方法，通过将高速永磁电机与涡轮增压器的紧凑式结构集成，使得涡轮增压器在满足传统的吸收发动机废气进行增压的基础功能上，又可实现将废气中可供回收利用的废气热能，通过涡轮带动高速永磁电机发电，向蓄电池充电，实现能量的回收利用；高速永磁电机兼具发电-电动功能，当柴油发动机启动时，涡轮增压器可通过蓄电池电能驱动工作，完成增压功能；涡轮增压器启动之后，高速永磁电机可作为发电机工作，向蓄电池蓄能。