油电自混合动力推进装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了油电自混合动力推进装置，包括控制器、驾控台、电源管理器、动力蓄电池组、驱动器、同步电机、船舶推进器、主柴油机、齿轮箱，动力蓄电池组通过电源管理器与控制器电联接，控制器与驾控台电联接；控制器还电联接驱动器，驱动器电联接同步电机，同步电机的电机轴安装同步带轮一；控制器还电联接柴油机油门伺服电机驱动器，柴油机油门伺服电机驱动器电联接柴油机油门伺服电机；主柴油机通过齿轮箱安装同步带轮二，同步带轮二与同步带轮一间通过同步齿形带连动；同步齿形带与同步电机的电机轴通过同步带轮一连动，与万向联轴器的一端通过同步带轮二连动，万向联轴器的另一端与船舶推进器的动力输入端连动。
【专利说明】油电自混合动力推进装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于船舶动力系统【技术领域】，具体涉及一种运用于内河运输船舶的油 电自混合动力推进装置。
【背景技术】
[0002] 交通运输业是能源消耗和排放的重点领域之一，而船舶作为交通运输中载运量比 例最大的载运工具，其节能效果的好坏，对国民经济的影响很大。节能减排已成为世界各国 造船界和航运界研究的重要课题，它关系到节约燃料资源和费用、降低废气排放、环境保护 以及船舶运营的经济效益等问题，发展低碳经济，也是实现交通运输发展方式转变的重要 途径。
[0003] 2011年，国际海事组织海洋环境保护委员会通过了国际海运温室气体减排措施强 制规定，确定了新船设计能效指数EEDI和船舶能效管理计划SEEMP两项船舶能效标准。我 国《内河绿色船舶规范》也已生效，对内河运输船舶的能效指标、排放控制及噪声污染等提 出了明确的要求。
[0004] 目前内河运输船舶存在的主要问题：
[0005] 1、航道复杂多变，主机功率冗余
[0006] 我国内河航道水域辽阔，航线延绵，航道复杂，为适应不同的航道水流港口码头等 地理环境的需要，通常内河运输船舶的主机功率在设计时都有一定的冗余度，以便在恶劣 工况时，可以保证船舶推进的安全性，这就使得主机在大量的工作时间都没有运行在其最 佳工况，即最节能和效率最高点。
[0007] 2、受吃水限制，螺旋桨效率较低
[0008] 许多内河航道的支线情况还处于5级航道以下，水深较浅，水下杂草丛生，河道淤 泥堆积，即便是河道经过渠化，但由于河面狭窄、船舶在交汇或超越时，与岸边极近，为避免 螺旋桨与河堤的碰擦，再加上受吃水限制的影响，通常内河船舶的螺旋桨的直径都较小，导 致推进效率较低。
[0009] 3、航道穿越城市或风景旅游区，环境污染严重
[0010] 内河航运与沿岸居民生活息息相关，柴油机的排放及噪声，已严重影响两岸居民 的生活，成为环境空气污染方面不可忽视的问题。
[0011] 鉴于上述原因，目前内河运输船舶急需寻求各种新能源、新产品、新技术，以节能 能源、减少排放、降低噪声为根本目的。船舶混合动力推进系统是目前的研究方向之一。
[0012] (一）目前国外关于船舶混合动力推进系统的研究现状
[0013] 混合动力船舶技术目前尚处在不断探索和研究的阶段。在国际上，有不少科研院 提出了一些相关理论和方法，并在潜艇和游艇领域有所实现一世界上第一艘燃料电池和 柴一电混合动力系统的潜艇已于2003年4月在德国基尔港开始首次试航。2010年1月，意 大利和斯洛维尼亚联合研制了 GREENLINE 33混合动力游艇，是首艘混合了电池组、太阳能 和柴油机动力的游艇。近些年，船舶设计者开始把这个概念运用于商用船舶，尤其是深 海作业多用途工作船。
[0014] 国外目前使用的船舶混合动力推进系统是结合了机械推进和电力推进的一种新 的推进方式之一，是将机械(主柴油机）推进和电力（发电机组）推进结合在一起，根据不同 工况、不同的需求，切换主柴油机驱动螺旋桨或者主柴油机与轴带电机同时驱动螺旋桨，有 效地解决了船舶短时间内工况多变和输出较大推力的需求，减少了船舶的总燃油消耗量和 废气排放，可节省船舶的运营成本，同时提高船舶运行的可靠性。
[0015] (二）国内船舶混合动力推进系统的发展情况
[0016] 国内在船舶混合动力领域方面起步较晚，成功应用的例子并不多。目前阐述较多 的混合动力主要是指"新能源混合电力船舶"。常用作船舶动力的新能源有太阳能、风能等， 风能由于受区域限制以及稳定性、连续性和可靠性差，作为内河小型船舶能源并不合适。而 电力推进装置的电池主要有燃料电池、超级电容器和动力电池等，其中以动力电池作为船 舶动力源最为合适，同时，为提高船舶的续航能力和冗余性，混合动力船舶中采用技术成熟 的柴油发电机组作为辅助动力。
[0017] 油电混合动力推进系统的船舶在国内应用较少，即便应用，也是不同工况的切换 使用，即电力推进作为柴油机推进的补充，在小负荷工况时，采用电力推进，在大负荷工况 时切换至柴油机推进，以弥补柴油机在低转速低扭矩时排放指标过大，油耗指标差的缺陷。
[0018] (三）油电混合动力推进系统在内河船舶应用遇到的主要问题
[0019] 国内在混合动力船舶领域方面起步较晚,成功应用的例子并不多。主要原因有：
[0020] 1.系统复杂，研发技术难度大
[0021] 由于油电自混合动力推进系统设计中涉及轴带电机在不同的负载工况下工作模 式的自动转变，双向变频技术的应用，以及为实现两种不同动力的平稳并车而采取的技术 方案，包括轴功率的叠加方式、混合动力的能源管理系统、软件开发及测量、监控、安保系统 等系列工程，这是一个专业的复杂的综合系统工程。同时由于航道变化较大，船舶工况较复 杂，油电混合动力系统的性能与航道及船况的匹配难度较高，研发技术难度大成本高。目前 国内在船舶上实际安装并成功运行的案例较少报道，相关设计研发及应用经验不足，节能 减排的技术参数和指标没有经过权威部门的检验测定，不具说服力。
[0022] 2.自动化操作要求较高，船员素质跟不上
[0023] 目前对油电混合动力船舶进行控制监测的软件常常采用LABVIEW软件编制，以图 形插件模块的形式安装在驾驶台，并通过不同形式的配置构成显示界面，以便驾驶者及时 掌握机舱柴油机、发电机、蓄电池等各种设备的运行状况，保证船舶安全运行。相对于传统 机械推进船舶驾驶台，油电自混合动力系统驾驶台的自动化、智能化程度以及监测程序和 电脑操作系统自动化程度较高，对于船员素质也提出了较高的要求，作为新型的操作系统 要让行业接受和熟悉还需要一段较长的过程。
[0024] 3.相对于单纯的柴油机或电力推进而言，初投资成本较大
[0025] 因油电自混合推进系统的智能化、自动化程度较高，能量转换机构、双向变频控制 系统及测量保护系统的成熟产品不多，需特殊研发。再加上今后营运中还增加了对该系统 的维护、保养和管理费用，因此将导致船舶建造成本高于传统机械推进系统，再加上传统的 思维模式，认为内河运输船舶主机功率较小，航速较慢，在节能减排方面没有多大空间。
【发明内容】
[0026] 鉴于现有技术存在的上述问题，本实用新型提供了一种运用于内河运输船舶的油 电自混合动力推进装置。
[0027] 本实用新型采取以下技术方案：油电自混合动力推进装置，其特征是包括控制器、 驾控台、电源管理器、动力蓄电池组、驱动器、同步电机、船舶推进器、主柴油机、齿轮箱，动 力蓄电池组通过电源管理器与控制器电联接，控制器与驾控台电联接；控制器还电联接驱 动器，驱动器电联接同步电机，同步电机的电机轴安装第一同步带轮；控制器还电联接柴油 机油门伺服电机驱动器，柴油机油门伺服电机驱动器电联接柴油机油门伺服电机；主柴油 机通过齿轮箱安装第二同步带轮，第二同步带轮与第一同步带轮间通过同步齿形带连动； 同步齿形带与同步电机的电机轴通过第一同步带轮连动，与万向联轴器的一端通过第二同 步带轮连动，万向联轴器的另一端与船舶推进器的动力输入端连动。
[0028] 常态下，动力蓄电池组将电能通过同步电机输出，以驱动船舶推进器；当动力蓄电 池组不能满足船舶航行速度时，主柴油机启动并网，与同步电机共同驱动船舶推进器；当动 力蓄电池组电力不足时，主柴油机启动后既给船舶推进器提供动力，又使同步电机转换成 轴带发电机，给动力蓄电池组反向充电。
[0029] 优选的，驱动器、同步电机、船舶推进器、齿轮箱、主柴油机、主柴油机油门伺服电 机驱动器及油门伺服电机各有两个，控制器通过缓上电盒与驱动器联接，形成两组相同的 结构。
[0030] 优选的，控制器包括PLC，PLC由第一 PLC、第二PLC、第三PLC组成，第一 PLC联接 第二PLC，第二PLC联接第三PLC。
[0031] 优选的，第一 PLC选用S7-224xp，第二PLC选用EM253,第三PLC选用EM231 ;第一 PLC接中间继电器1J5,中间继电器1J5分两路分别通过中间继电器1J4接入驱动器。
[0032] 优选的,驱动器由交流伺服驱动器QD1-1/QD2-1与直流伺服驱动器QD1-2/QD2-2 电联接而成，交流伺服驱动器QD1-1/QD2-1选用NAS4E22KX，直流伺服驱动器QD1-2/QD2-2 选用AB806,直流伺服驱动器AB806的控制电压以及控制方式符合所述EM253的地位模块。
[0033] 优选的，第二PLC接入直流伺服驱动器QD1-2/QD2-2。
[0034] 优选的，第三PLC接入直流伺服驱动器QD1-2/QD2-2。
[0035] 优选的，主柴油机电联接第一编码器，第一编码器将主柴油机的转速反馈至PLC。 第一编码器可选用E6C2-CWZ6C
[0036] 优选的，船舶推进器电联接第二编码器，第二编码器将主柴油机的转速反馈至 PLC。第二编码器可选用E6C2-CWZ6C。
[0037] 本实用新型通过技术攻关，研发成功油电自混合动力推进系统，该系统是将机械 推进(柴油机推进）和电力推进(发电机、蓄电池组）有机地融合在一起，根据内河航道实际 情况以及船舶的不同工况和需求，自动切换主柴油机驱动推进装置(柴油机驱动)、轴带电 机驱动推进装置（电力驱动）或主柴油机和轴带电机共同驱动推进装置(混合动力驱动）三 种工作模式，可以有效地解决船舶航行时由于负荷工况多变和主机功率冗余的需求，可最 大限度地减少船舶的总燃油消耗量和废气排放并降低噪声，节省船舶的运营成本，提高船 舶运行的安全性和可靠性，产生良好的经济效益和社会效益。
[0038] 本实用新型研究的目的及意义：目前船舶的节能减排主要可通过优化船型减小船 舶阻力、采用新型高效的推进节能装置提高推进效率、采用低油耗柴油机以减少排放、采用 清洁能源及环保型船用设备等技术手段来实现。但对内河运输船舶来说，因航道状况复杂， 船舶运行工况多变、主机负荷变化频繁导致的大量能源消耗，再加上内河航道多有穿越城 市或风景旅游区，排放及噪声污染问题显得更为突出，采用现有方法显然无法获得更为满 意的节能减排效果。
[0039] 而本实用新型油电自混合动力推进系统可以有效地平抑因船舶运行工况多变导 致的主机负荷波动，减小柴油机的功率配备，从而降低能源消耗和废气排放，有效促进内河 运输船舶的节能减排工作。
[0040] 本实用新型市场需求前景及推广应用领域：
[0041] 1.内河湖泊客运航班
[0042] 内河湖泊的客运航班，以城市或风景旅游区为主，如京杭运河的旅游船及货船、漓 江航线的客船等，抑制排放及噪声问题显得尤为突出，采用本实用新型油电混合动力系统， 可利用晚间岸电充电装置给船上动力蓄电池充足电，在城市航道的航行过程中可以不开或 少开柴油机或柴油发电机充电系统，减少油耗，降低排放及噪声，最大限度地保护沿岸居民 的生活环境。
[0043] 2.航行于长江急流航段的运输船舶
[0044] 航行于长江急流航段的船舶，主机的配备必须要求船舶能够抵抗水流的速度，并 保持一定的航行速度，但在顺流时，主机仅需较小的动力即可达到要求航速，这种负载变化 较大的情况，主机功率必须按最大负载进行配备，较为浪费，若采用混合动力，在逆流时，可 通过自动检测螺旋桨轴上的扭矩，在主机功率不足时，自动混合电力推进部分，共同推进船 舶航行。
[0045] 3.集装箱船
[0046] 集装箱船通常是重箱去，空箱回，在重箱航行中要保持一定的航速需要较大动力， 所以船舶动力是根据重箱时所要求的航速进行选配的，而在空箱回程时，主机动力往往只 需50%或更少，这样就导致主机功率的浪费，而采用自混合动力系统则可降低主机功率的 配备，节约成本，降低油耗及排放。
[0047] 4.多用途工程船、拖船
[0048] 随着海洋工程的大力发展，相关的多用途工程船、拖船的数量不断增加。此类船舶 工况多变，功率的需求变化范围较大，在作业时有时需要很大的推力，但是平时航行时只需 要较小的动力，如果采用混合动力推进方式会达到较好的经济效益。
[0049] 本实用新型达到的技术水平：
[0050] 1.采用创新的设计理念
[0051] 本实用新型系统以电力推进为主进行动力混合，将两种不同的动力通过减速皮带 盘和同步齿形带组合在一起，实现纯机械推进、纯电力推进及混合动力推进三种不同的工 作模式，根据动力电池容量及负载扭矩的变化，自动优化分配能源，确定系统的工作模式。
[0052] 当动力电池容量可以推进船舶克服阻力并保持所需航速前进时，由动力电池提供 电力，通过变频电机带动推进器，柴油机停止运行，此时为全电力推进。当电力不足或负载 加大时，柴油机启动并网，与电动机一起联合提供推进器动力，直到船舶可以稳定航行，此 时为混合动力推进。若由于电力不足，则柴油机启动后不仅自动给负载提供动力，同时原电 力推进的电动机亦变换成轴带发电机工作，给动力电池储能，此时为全柴油机推进。若由 于负载的突变使柴油机启动，当负载减小时，柴油机又自动退网，从而实现油电自动混合技 术。
[0053] 2.在本实用新型优选方案中，采用高效的船舶推进装置
[0054] 对于内河小型船舶的推进器来说，目前主要存在以下问题：1)螺旋桨推进器的效 率较低；2)在狭窄航道、急流航段中，螺旋桨-舵系统的舵效不明显，操纵性欠佳；3)螺旋 桨-舵推进系统的布置占用空间较大，4)采用螺旋桨推进器的船舶线型复杂，推进系统安 装维护不便。基于上述原因，采用更为高效的船用推进装置对促进内河运输船舶的节能减 排工作，具有十分重要的现实意义。
[0055] 本实用新型选用的差速型船用平旋推进装置，其是一种新型的舵桨合一的船用推 进装置，其工作原理是由柴油机或电动机通过齿轮箱驱动推进圆盘作为推进器公转，提供 推进动力。推进圆盘下装有若干伸入水中随圆盘转动的桨叶，桨叶在随推进圆盘转动的同 时自传，控制推进器的推力方向。以在水中形成方向一致的推力。当控制桨叶的旋转角度 时，桨叶在水中形成的推力方向随之同步改变。本实用新型所涉及的差速型船用平旋推进 装置为专利技术，其内容可参见申请号201010549180. 0的专利公开文献。差速型船用平旋 推进装置具有吃水浅、推进效率高、无污染(桨叶轴承采用脂润滑)、操纵性好的特点，在解 决上述问题中具有十分明显的作用。差速型船用平旋推进装置用于实船进行混合动力系统 的推进装置，其可以大大提高混合动力系统节能减排的技术指标，项目成果水平可达到国 内领先水平。
[0056] 本实用新型技术方案在国民经济发展中的作用：
[0057] 1.有效地节约能源
[0058] 采用本实用新型油电自混合动力系统及高效节能推进装置：
[0059] 1)可降低主机15-20%的功率配置，减少燃油舱容量，在营运中可以有效节约燃油 15%以上；
[0060] 2)优化的混合能源管理系统可提供船舶运行工况所需要的最佳能源控制策略，可 实现节能减排15%以上；
[0061] 3)推进器安装灵活，可缩短机舱长度、布置更紧凑，并可增加货舱空间。
[0062] 2.提高了船舶安全性
[0063] 本实用新型由于采用两种能源作为动力，在一定程度上提高了推进装置的冗余 性，使船舶具有应急返航能力。
[0064] 3.减少排放，降低对大气的污染
[0065] 采用本实用新型油电自混合动力系统后，由于柴油机可降低15%左右的功率配备 和工作时间，因此，可降低硫化物和NOx及C02的气体排放15%以上，可有效保护环境。 [0066] 4.降低船员工作环境及两岸环境噪声
[0067] 采用本实用新型油电自混合动力系统后，可有效减小主机功率，降低了机舱噪声， 不仅船员工作舒适度大大提高，环境噪声也大为降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0068] 图1是本实用新型系统的结构框图。
[0069] 图2是电力推进与柴油机推进机械连接装置。
[0070] 图3是本实用新型控制电路原理图。
[0071] 图1、2中，1-控制器、2-驾控台、3-电源管理器、4-动力蓄电池组、5-缓上电盒、 6-驱动器、7-同步电机、8-差速型船用平旋推进装置、9-柴油机油门伺服电机、10-柴油机 油门伺服电机驱动器、11-主机万向联轴器、12-同步带轮、13-同步带轮、14-主柴油机变速 齿轮箱、15-同步齿形带。
[0072] 图3中，" 1"打头的元件在1#驱动器箱内，" 2 "打头的元件在2#驱动器箱内，" 3 " 打头的元件在PLC控制器内。
[0073] 图 3 中：
【权利要求】
1. 油电自混合动力推进装置，其特征是包括控制器、驾控台、电源管理器、动力蓄电池 组、驱动器、同步电机、船舶推进器、主柴油机、齿轮箱，动力蓄电池组通过电源管理器与控 制器电联接，控制器与驾控台电联接；控制器还电联接驱动器，驱动器电联接同步电机，同 步电机的电机轴安装第一同步带轮；控制器还电联接柴油机油门伺服电机驱动器，柴油机 油门伺服电机驱动器电联接柴油机油门伺服电机；主柴油机通过齿轮箱安装第二同步带 轮，第二同步带轮与第一同步带轮间通过同步齿形带连动；同步齿形带与同步电机的电机 轴通过第一同步带轮连动，与万向联轴器的一端通过第二同步带轮连动，万向联轴器的另 一端与船舶推进器的动力输入端连动。
2. 如权利要求1所述的油电自混合动力推进装置，其特征是：驱动器、同步电机、船舶 推进器、齿轮箱、主柴油机、主柴油机油门伺服电机驱动器及油门伺服电机各有两个，控制 器通过缓上电盒与驱动器联接，形成两组相同的结构。
3. 如权利要求1或2所述的油电自混合动力推进装置，其特征是：所述的控制器包括 PLC，PLC由第一 PLC、第二PLC、第三PLC组成，第一 PLC联接第二PLC，第二PLC联接第三 PLC。
4. 如权利要求3所述的油电自混合动力推进装置，其特征是：第一 PLC选用S7-224Xp， 第二PLC选用EM253,第三PLC选用EM231 ;第一 PLC接中间继电器1J5,中间继电器1J5分 两路分别通过中间继电器1J4接入驱动器。
5. 如权利要求4所述的油电自混合动力推进装置，其特征是：驱动器由交流伺服驱动 器QD1-1/QD2-1与直流伺服驱动器QD1-2/QD2-2电联接而成，交流伺服驱动器QD1-1/QD2-1 选用NAS4E22KX，直流伺服驱动器QD1-2/QD2-2选用AB806,直流伺服驱动器AB806的控制 电压以及控制方式符合所述EM253的地位模块。
6. 如权利要求5所述的油电自混合动力推进装置，其特征是：第二PLC接入直流伺服 驱动器 QD1-2/QD2-2。
7. 如权利要求5所述的油电自混合动力推进装置，其特征是：第三PLC接入直流伺服 驱动器 QD1-2/QD2-2。
8. 如权利要求3所述的油电自混合动力推进装置，其特征是：所述的主柴油机电联接 第一编码器，第一编码器将主柴油机的转速反馈至PLC ;和/或，所述的船舶推进器电联接 第二编码器，第二编码器将主柴油机的转速反馈至PLC。
9. 如权利要求8所述的油电自混合动力推进装置，其特征是：所述的第一编码器或第 二编码器选用E6C2-CWZ6C。
【文档编号】B63H21/20GK204037881SQ201420369788
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】陈立新, 付立刚, 刘舒雨, 黄鑫 申请人:杭州现代船舶设计研究有限公司