一種運用于內河運輸船舶的油電自混合動力推進系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了運用于內河運輸船舶的油電自混合動力推進系統(tǒng)，蓄電池組通過電源管理器與控制器聯(lián)接，控制器與駕控臺聯(lián)接；控制器聯(lián)接驅動器，驅動器聯(lián)接電機，電機的軸安裝帶輪一；控制器聯(lián)接柴油機油門伺服電機驅動器，該驅動器聯(lián)接柴油機油門伺服電機；主柴油機通過齒輪箱安裝帶輪二，兩帶輪間通過齒形帶連動；齒形帶與電機的軸通過帶輪一連動，與萬向聯(lián)軸器通過帶輪二連動，萬向聯(lián)軸器與船舶推進器動力輸入端連動；常態(tài)下，蓄電池組將電能通過電機輸出，驅動船舶推進器；蓄電池組不能滿足船舶航行速度時，主柴油機與電機共同驅動船舶推進器；蓄電池組電力不足時，主柴油機啟動后既給船舶推進器提供動力，又使電機轉換成發(fā)電機，給蓄電池組充電。
【專利說明】—種運用于內河運輸船舶的油電自混合動力推進系統(tǒng)
[0001]

【技術領域】
[0002]本發(fā)明屬于船舶動力系統(tǒng)【技術領域】，具體涉及一種運用于內河運輸船舶的油電自混合動力推進系統(tǒng)。
[0003]

【背景技術】
[0004]交通運輸業(yè)是能源消耗和排放的重點領域之一，而船舶作為交通運輸中載運量比例最大的載運工具，其節(jié)能效果的好壞，對國民經(jīng)濟的影響很大。節(jié)能減排已成為世界各國造船界和航運界研究的重要課題，它關系到節(jié)約燃料資源和費用、降低廢氣排放、環(huán)境保護以及船舶運營的經(jīng)濟效益等問題，發(fā)展低碳經(jīng)濟，也是實現(xiàn)交通運輸發(fā)展方式轉變的重要途徑。
[0005]2011年，國際海事組織海洋環(huán)境保護委員會通過了國際海運溫室氣體減排措施強制規(guī)定，確定了新船設計能效指數(shù)EEDI和船舶能效管理計劃SEEMP兩項船舶能效標準。我國《內河綠色船舶規(guī)范》也已生效，對內河運輸船舶的能效指標、排放控制及噪聲污染等提出了明確的要求。
[0006]目前內河運輸船舶存在的主要問題:
1、航道復雜多變，主機功率冗余
我國內河航道水域遼闊，航線延綿，航道復雜，為適應不同的航道水流港口碼頭等地理環(huán)境的需要，通常內河運輸船舶的主機功率在設計時都有一定的冗余度，以便在惡劣工況時，可以保證船舶推進的安全性，這就使得主機在大量的工作時間都沒有運行在其最佳工況，即最節(jié)能和效率最聞點。
[0007]2、受吃水限制，螺旋槳效率較低
許多內河航道的支線情況還處于5級航道以下，水深較淺，水下雜草叢生，河道淤泥堆積，即便是河道經(jīng)過渠化，但由于河面狹窄、船舶在交匯或超越時，與岸邊極近，為避免螺旋槳與河堤的碰擦，再加上受吃水限制的影響，通常內河船舶的螺旋槳的直徑都較小，導致推進效率較低。
[0008]3、航道穿越城市或風景旅游區(qū)，環(huán)境污染嚴重
內河航運與沿岸居民生活息息相關，柴油機的排放及噪聲，已嚴重影響兩岸居民的生活，成為環(huán)境空氣污染方面不可忽視的問題。
[0009]鑒于上述原因，目前內河運輸船舶急需尋求各種新能源、新產品、新技術，以節(jié)能能源、減少排放、降低噪聲為根本目的。船舶混合動力推進系統(tǒng)是目前的研究方向之一。
[0010](一)目前國外關于船舶混合動力推進系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
混合動力船舶技術目前尚處在不斷探索和研究的階段。在國際上，有不少科研院提出了一些相關理論和方法，并在潛艇和游艇領域有所實現(xiàn)一世界上第一艘燃料電池和柴一電混合動力系統(tǒng)的潛艇已于2003年4月在德國基爾港開始首次試航。2010年I月，意大利和斯洛維尼亞聯(lián)合研制了 GREENLINE 33混合動力游艇，是首艘混合了電池組、太陽能和柴油機動力的游艇。近些年，船舶設計者開始把這個概念運用于商用船舶，尤其是深海作業(yè)多用途工作船。
[0011]國外目前使用的船舶混合動力推進系統(tǒng)是結合了機械推進和電力推進的一種新的推進方式之一，是將機械(主柴油機)推進和電力(發(fā)電機組)推進結合在一起，根據(jù)不同工況、不同的需求，切換主柴油機驅動螺旋槳或者主柴油機與軸帶電機同時驅動螺旋槳，有效地解決了船舶短時間內工況多變和輸出較大推力的需求，減少了船舶的總燃油消耗量和廢氣排放，可節(jié)省船舶的運營成本，同時提高船舶運行的可靠性。
[0012](二)國內船舶混合動力推進系統(tǒng)的發(fā)展情況
國內在船舶混合動力推進領域方面起步較晚，成功應用的例子并不多。目前闡述較多的混合動力主要是指“新能源混合電力船舶”。常用作船舶動力的新能源有太陽能、風能等，風能由于受區(qū)域限制以及穩(wěn)定性、連續(xù)性和可靠性差，作為內河小型船舶能源并不合適。而電力推進裝置的電池主要有燃料電池、超級電容器和動力電池等，其中以動力電池作為船舶動力源最為合適，同時，為提高船舶的續(xù)航能力和冗余性，混合動力船舶中采用技術成熟的柴油發(fā)電機組作為輔助動力。
[0013]油電混合動力系統(tǒng)的船舶在國內應用較少，即便應用，也是不同工況的切換使用，即電力推進作為柴油機推進的補充，在小負荷工況時，采用電力推進，在大負荷工況時切換至柴油機推進，以彌補柴油機在低轉速低扭矩時排放指標過大，油耗指標差的缺陷。
[0014](三)油電混合動力推進系統(tǒng)在內河船舶應用遇到的主要問題
國內在混合動力船舶領域方面起步較晚，成功應用的例子并不多。主要原因有:
1.系統(tǒng)復雜，研發(fā)技術難度大
由于油電自混合動力推進系統(tǒng)設計中涉及軸帶電機在不同的負載工況下工作模式的自動轉變，雙向變頻技術的應用，以及為實現(xiàn)兩種不同動力的平穩(wěn)并車而采取的技術方案，包括軸功率的疊加方式、混合動力的能源管理系統(tǒng)、軟件開發(fā)及測量、監(jiān)控、安保系統(tǒng)等系列工程，這是一個專業(yè)的復雜的綜合系統(tǒng)工程。同時由于航道變化較大，船舶工況較復雜，油電混合動力推進系統(tǒng)的性能與航道及船況的匹配難度較高，研發(fā)技術難度大成本高。目前國內在船舶上實際安裝并成功運行的案例較少報道，相關設計研發(fā)及應用經(jīng)驗不足，節(jié)能減排的技術參數(shù)和指標沒有經(jīng)過權威部門的檢驗測定，不具說服力。
[0015]2.自動化操作要求較高，船員素質跟不上
目前對油電混合動力推進船舶進行控制監(jiān)測的軟件常常采用LABVIEW軟件編制，以圖形插件模塊的形式安裝在駕駛臺，并通過不同形式的配置構成顯示界面，以便駕駛者及時掌握機艙柴油機、發(fā)電機、蓄電池等各種設備的運行狀況，保證船舶安全運行。相對于傳統(tǒng)機械推進船舶駕駛臺，油電自混合動力推進系統(tǒng)駕駛臺的自動化、智能化程度以及監(jiān)測程序和電腦操作系統(tǒng)自動化程度較高，對于船員素質也提出了較高的要求，作為新型的操作系統(tǒng)要讓行業(yè)接受和熟悉還需要一段較長的過程。
[0016]3.相對于單純的柴油機或電力推進而言，初投資成本較大
因油電自混合推進系統(tǒng)的智能化、自動化程度較高，能量轉換機構、雙向變頻控制系統(tǒng)及測量保護系統(tǒng)的成熟產品不多，需特殊研發(fā)。再加上今后營運中還增加了對該系統(tǒng)的維護、保養(yǎng)和管理費用，因此將導致船舶建造成本高于傳統(tǒng)機械推進系統(tǒng)，再加上傳統(tǒng)的思維模式，認為內河運輸船舶主機功率較小，航速較慢，在節(jié)能減排方面沒有多大空間。
[0017]


【發(fā)明內容】

[0018]鑒于現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種運用于內河運輸船舶的油電自混合動力推進系統(tǒng)。
[0019]本發(fā)明采取以下技術方案:
一種運用于內河運輸船舶的油電自混合動力推進系統(tǒng)，包括控制器、駕控臺、電源管理器、動力蓄電池組、驅動器、同步電機、船舶推進器、主柴油機、齒輪箱，動力蓄電池組通過電源管理器與控制器電聯(lián)接，控制器與駕控臺電聯(lián)接；控制器還電聯(lián)接驅動器，驅動器電聯(lián)接同步電機，同步電機的電機軸安裝第一同步帶輪；控制器還電聯(lián)接柴油機油門伺服電機驅動器，柴油機油門伺服電機驅動器電聯(lián)接柴油機油門伺服電機；主柴油機通過齒輪箱安裝第二同步帶輪，第二同步帶輪與第一同步帶輪間通過同步齒形帶連動；同步齒形帶與同步電機的電機軸通過第一同步帶輪連動，與萬向聯(lián)軸器的一端通過第二同步帶輪連動，萬向聯(lián)軸器的另一端與船舶推進器的動力輸入端連動；
常態(tài)下，動力蓄電池組將電能通過同步電機輸出，以驅動船舶推進器；當動力蓄電池組不能滿足船舶航行速度時，主柴油機啟動并網(wǎng)，與同步電機共同驅動船舶推進器；當動力蓄電池組電力不足時，主柴油機啟動后既給船舶推進器提供動力，又使同步電機轉換成軸帶發(fā)電機，給動力蓄電池組反向充電。
[0020]優(yōu)選的，驅動器、同步電機、船舶推進器、齒輪箱、主柴油機、主柴油機油門伺服電機及油門伺服電機驅動器各有兩個，控制器通過緩上電盒與驅動器聯(lián)接，形成兩組相同的結構。
[0021]優(yōu)選的，控制器包括PLC，PLC由第一 PLC、第二 PLC、第三PLC組成，第一 PLC聯(lián)接第二 PLC，第二 PLC聯(lián)接第三PLC。
[0022]優(yōu)選的，第一 PLC選用S7-224xp，第二 PLC選用EM253，第三PLC選用EM231 ;第一PLC接中間繼電器1J5，中間繼電器1J5分兩路分別通過中間繼電器1J4接入驅動器。
[0023]優(yōu)選的,驅動器由交流伺服驅動器QD1-1/QD2-1與直流伺服驅動器QD1_2/QD2_2電聯(lián)接而成，交流伺服驅動器QD1-1/QD2-1選用NAS4E22KX，直流伺服驅動器QD1-2/QD2-2選用AB806，直流伺服驅動器AB806的控制電壓以及控制方式符合所述EM253的地位模塊。
[0024]優(yōu)選的，第二 PLC接入直流伺服驅動器QD1-2/QD2-2。
[0025]優(yōu)選的，第三PLC接入直流伺服驅動器QD1-2/QD2-2。
[0026]優(yōu)選的，主柴油機電聯(lián)接第一編碼器，第一編碼器將主柴油機的轉速反饋至PLC。第一編碼器可選用E6C2-CWZ6C
優(yōu)選的，船舶推進器電聯(lián)接第二編碼器，第二編碼器將主柴油機的轉速反饋至PLC。第二編碼器可選用E6C2-CWZ6C。
[0027]本發(fā)明通過技術攻關，研發(fā)成功油電自混合動力推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將機械推進(柴油機推進)和電力推進(發(fā)電機、蓄電池組)有機地融合在一起，根據(jù)內河航道實際情況以及船舶的不同工況和需求，自動切換主柴油機驅動推進裝置(柴油機驅動)、軸帶電機驅動推進裝置(電力驅動)或主柴油機和軸帶電機共同驅動推進裝置(混合動力驅動)三種工作模式，可以有效地解決船舶航行時由于負荷工況多變和主機功率冗余的需求，可最大限度地減少船舶的總燃油消耗量和廢氣排放并降低噪聲，節(jié)省船舶的運營成本，提高船舶運行的安全性和可靠性，產生良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
[0028]本發(fā)明研究的目的及意義:目前船舶的節(jié)能減排主要可通過優(yōu)化船型減小船舶阻力、采用新型高效的推進節(jié)能裝置提高推進效率、采用低油耗柴油機以減少排放、采用清潔能源及環(huán)保型船用設備等技術手段來實現(xiàn)。但對內河運輸船舶來說，因航道狀況復雜，船舶運行工況多變、主機負荷變化頻繁導致的大量能源消耗，再加上內河航道多有穿越城市或風景旅游區(qū)，排放及噪聲污染問題顯得更為突出，采用上述現(xiàn)有方法顯然無法獲得更為滿意的節(jié)能減排效果。
[0029]而本發(fā)明油電自混合動力推進系統(tǒng)可以有效地平抑因船舶運行工況多變導致的主機負荷波動，減小柴油機的功率配備，從而降低能源消耗和廢氣排放，有效促進內河運輸船舶的節(jié)能減排工作。
[0030]本發(fā)明市場需求前景及推廣應用領域:
1.內河湖泊客運航班
內河湖泊的客運航班，以城市或風景旅游區(qū)為主，如京杭運河的旅游船及貨船、漓江航線的客船等，抑制排放及噪聲問題顯得尤為突出，采用本發(fā)明油電混合動力系統(tǒng)，可利用晚間岸電充電裝置給船上動力蓄電池充足電，在城市航道的航行過程中可以不開或少開柴油機或柴油發(fā)電機充電系統(tǒng)，減少油耗，降低排放及噪聲，最大限度地保護沿岸居民的生活環(huán)境。
[0031]2.航行于長江急流航段的運輸船舶
航行于長江急流航段的船舶，主機的配備必須要求船舶能夠抵抗水流的速度，并保持一定的航行速度，但在順流時，主機僅需較小的動力即可達到要求航速，這種負載變化較大的情況，主機功率必須按最大負載進行配備，較為浪費，若采用混合動力，在逆流時，可通過自動檢測螺旋槳軸上的扭矩，在主機功率不足時，自動混合電力推進部分，共同推進船舶航行。
[0032]3.集裝箱船
集裝箱船通常是重箱去，空箱回，在重箱航行中要保持一定的航速需要較大動力，所以船舶動力是根據(jù)重箱時所要求的航速進行選配的，而在空箱回程時，主機動力往往只需50%或更少，這樣就導致主機功率的浪費，而采用自混合動力系統(tǒng)則可降低主機功率的配備，節(jié)約成本，降低油耗及排放。
[0033]4.多用途工程船、拖船
隨著海洋工程的大力發(fā)展，相關的多用途工程船、拖船的數(shù)量不斷增加。此類船舶工況多變，功率的需求變化范圍較大，在作業(yè)時有時需要很大的推力，但是平時航行時只需要較小的動力，如果采用混合動力推進方式會達到較好的經(jīng)濟效益。
[0034]本發(fā)明達到的技術水平:
1.采用創(chuàng)新的設計理念
本發(fā)明系統(tǒng)以電力推進為主進行動力混合，將兩種不同的動力通過減速皮帶盤和同步齒形帶組合在一起，實現(xiàn)純機械推進、純電力推進及混合動力推進三種不同的工作模式，根據(jù)動力電池容量及負載扭矩的變化，自動優(yōu)化分配能源，確定系統(tǒng)的工作模式。
[0035]即:當動力電池容量可以推進船舶克服阻力并保持所需航速前進時，由動力電池提供電力，通過變頻電機帶動推進器，柴油機停止運行，此時為全電力推進。當電力不足或負載加大時，柴油機啟動并網(wǎng)，與電動機一起聯(lián)合提供推進器動力，直到船舶可以穩(wěn)定航行，此時為混合動力推進。若由于電力不足，則柴油機啟動后不僅自動給負載提供動力，同時原電力推進的電動機亦變換成軸帶發(fā)電機工作，給動力電池儲能，此時為全柴油機推進。若由于負載的突變使柴油機啟動，當負載減小時，柴油機又自動退網(wǎng)，從而實現(xiàn)油電自動混合技術。
[0036]2.在本發(fā)明優(yōu)選方案中，采用高效的船舶推進裝置
對于內河小型船舶的推進器來說，目前主要存在以下問題:1)螺旋槳推進器的效率較低；2)在狹窄航道、急流航段中，螺旋槳-舵系統(tǒng)的舵效不明顯，操縱性欠佳；3)螺旋槳-舵推進系統(tǒng)的布置占用空間較大，4)采用螺旋槳推進器的船舶線型復雜，推進系統(tǒng)安裝維護不便?；谏鲜鲈颍捎酶鼮楦咝У拇猛七M裝置對促進內河運輸船舶的節(jié)能減排工作，具有十分重要的現(xiàn)實意義。
[0037]本發(fā)明選用的差速型船用平旋推進裝置，其是一種新型的舵槳合一的船用推進裝置，其工作原理是由柴油機或電動機通過齒輪箱驅動推進圓盤作為推進器公轉，提供推進動力。推進圓盤下裝有若干伸入水中隨圓盤轉動的槳葉，槳葉在隨推進圓盤轉動的同時自傳，控制推進器的推力方向。以在水中形成方向一致的推力。當控制槳葉的旋轉角度時，槳葉在水中形成的推力方向隨之同步改變。本發(fā)明所涉及的差速型船用平旋推進裝置為專利技術，其內容可參見申請?zhí)?01010549180.0的專利公開文獻。差速型船用平旋推進裝置具有吃水淺、推進效率高、無污染(槳葉軸承采用脂潤滑)、操縱性好的特點，在解決上述問題中具有十分明顯的作用。差速型船用平旋推進裝置用于實船進行混合動力系統(tǒng)的推進裝置，其可以大大提高混合動力系統(tǒng)節(jié)能減排的技術指標，項目成果水平可達到國內領先水平。
[0038]本發(fā)明技術方案在國民經(jīng)濟發(fā)展中的作用:
1.有效地節(jié)約能源
采用本發(fā)明油電自混合動力系統(tǒng)及高效節(jié)能推進裝置:
1)可降低主機15-20%的功率配置，減少燃油艙容量，在營運中可以有效節(jié)約燃油15%以上；
2)優(yōu)化的混合能源管理系統(tǒng)可提供船舶運行工況所需要的最佳能源控制策略，可實現(xiàn)節(jié)能減排15%以上；
3)推進器安裝靈活，可縮短機艙長度、布置更緊湊，并可增加貨艙空間。
[0039]2.提高了船舶安全性
本發(fā)明由于采用兩種能源作為動力，在一定程度上提高了推進裝置的冗余性，使船舶具有應急返航能力。
[0040]3.減少排放，降低對大氣的污染
采用本發(fā)明油電自混合動力系統(tǒng)后，由于柴油機可降低15%左右的功率配備和工作時間，因此，可降低硫化物和NOx及C02的氣體排放15%以上，可有效保護環(huán)境。
[0041]4.降低船員工作環(huán)境及兩岸環(huán)境噪聲采用本發(fā)明油電自混合動力系統(tǒng)后，可有效減小主機功率，降低了機艙噪聲，不僅船員工作舒適度大大提高，環(huán)境噪聲也大為降低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結構框圖。
[0043]圖2是電力推進與柴油機推進機械連接裝置。
[0044]圖3是本發(fā)明控制電路原理圖。
[0045]圖1、2中，1-控制器、2-駕控臺、3-電源管理器、4_動力蓄電池組、5-緩上電盒、
6-驅動器、7-同步電機、8-差速型船用平旋推進裝置、9-柴油機油門伺服電機、10-柴油機油門伺服電機驅動器、11-主機萬向聯(lián)軸器、12-同步帶輪、13-同步帶輪、14-主柴油機變速齒輪箱、15-同步齒形帶。
[0046]圖3中，“ I”打頭的元件在1#驅動器箱內，“2”打頭的元件在2#驅動器箱內，“3”打頭的元件在PLC控制器內。
[0047]圖3 中:
端子號I結點號 I手動I零位I自動
1-2 324-329___X_
3-4 冗-空X
~5-6 1324-空 |x I—
濕合動力一手自動逾靜Kl墻子號維點號' __ 柴_ 灘合零位.1-2 326-324 ?
3—4327—32-4:X
5—6 328-324I
7-S空一324.X

【具體實施方式】
[0048]下面結合附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施例作詳細說明。
[0049]本發(fā)明油電自混合動力推進系統(tǒng)是根據(jù)船舶運行工況和主機負荷變化，自動切換動力源驅動的一種新型混合動力推進形式。該系統(tǒng)主要包括二大部分，如圖1、2所示，一部分是柴油機推進部分，由柴油機(帶自動調速機構)、減速齒輪箱、軸系、差速型船用平旋推進裝置等組成；另一部分是電力推進部分，由岸電充電裝置、輔助柴油發(fā)電機組、動力電池、電池管理器、驅動器、電動/發(fā)電機、變頻控制器等組成，兩部分是通過同步齒形帶連接在一起。
[0050]如圖1、2所示，動力蓄電池組4通過電源管理器3與控制器I電聯(lián)接，控制器I與駕控臺2電聯(lián)接，控制器I還聯(lián)接兩個驅動器6及一個緩上電盒5，緩上電盒5串接于兩驅動器6 (與控制器I相聯(lián)的一端)之間，兩驅動器6各聯(lián)接一同步電機7，同步電機7的輸出軸安裝一同步帶輪13，控制器I還聯(lián)接兩個柴油機油門伺服電機驅動器10，兩個柴油機油門伺服電機驅動器10各聯(lián)接一柴油機油門伺服電機9 ;主柴油機變速齒輪箱14通過安裝另一同步帶輪12,同步帶輪12與同步帶輪13間通過同步齒形帶15連動。同步齒形帶15與電機軸通過同步帶輪13連動,與主機萬向聯(lián)軸器11的一端通過同步帶輪12連動。主機萬向聯(lián)軸器11通過同步齒形帶15與電機7的主軸實現(xiàn)同步轉動。主機萬向聯(lián)軸器11的另一端與差速型船用平旋推進裝置8的動力輸入端連動。
[0051]本發(fā)明所涉同步齒形皮帶與主機軸系部分采用現(xiàn)有技術來實現(xiàn)，此部分所涉部件可外購，因此對該部分結構不予詳述，下面只介紹同步齒形帶與軸之間的動作過程。
[0052]分不同工況，主機萬向聯(lián)軸器11動力可來自主柴油機變速齒輪箱14輸出，也可來自永磁同步電機7通過皮帶傳動。動作關系如下:
(I)齒輪箱不合排，同步永磁電機作為電動機輸出扭矩:驅動器接通電源并按下使能開關，電動機輸出扭矩通過同步齒形帶同步帶動聯(lián)軸節(jié)轉動，聯(lián)軸節(jié)轉速與電動機輸出轉速一致。
[0053](2)齒輪箱合排，同步永磁電機空轉:驅動器接通電源，但使能開關保持斷開狀態(tài)，電機由于未連接到驅動器，此時既沒有扭矩輸入，也沒有負載輸出，電機此時只跟隨聯(lián)軸節(jié)空轉。
[0054](3)齒輪箱合排，同步永磁電機作為電動機輸出扭矩:驅動器接通電源并按下使能開關，電動機輸出扭矩通過同步齒形帶同步帶動聯(lián)軸節(jié)轉動，同時主柴油機通過齒輪箱輸出扭矩給聯(lián)軸節(jié)，此時由于電動機處于扭矩模式，轉速可自動跟隨聯(lián)軸節(jié)轉速，所以此時聯(lián)軸節(jié)轉速與主柴油機輸出轉速一致，電機轉速跟隨動作。
[0055](4)齒輪箱不合排，同步永磁電機作為發(fā)電機使用:驅動器接通電源并按下使能開關，在扭矩設定端輸入負電壓，則驅動器驅動電機輸出負扭矩，但是此時主柴油機提供的正向旋轉的扭矩也加在電機上，而且此相反外力比電機輸出扭矩大，這時電機處于發(fā)電狀態(tài)，此時聯(lián)軸節(jié)轉速與主柴油機輸出轉速一致，電機轉速跟隨動作。
[0056]本發(fā)明系統(tǒng)的基本工作原理是根據(jù)船舶運行負載工況變化，以電力推進為主，將原先儲存的電能通過同軸電動機輸出，當電力不足或負載變大時，電力推進不能滿足船舶航行速度時，柴油機啟動并網(wǎng)，與電動機一起聯(lián)合提供推進器動力，若由于電力不足，則柴油機啟動后不僅自動給負載提供動力，同時原電力推進的電動機亦變換成軸帶發(fā)電機工作，給動力電池反向充電儲能，若由于負載的突變使柴油機啟動，當負載減小時，柴油機又自動退網(wǎng)，當負載較重而電力又不足時，可使用柴油發(fā)電機給動力電池充電，保證船舶持續(xù)可實現(xiàn)混合動力，以達到節(jié)約能源減少排放的目的。
[0057]電力推進模式:指動力電池經(jīng)過特種變頻驅動器，使永磁伺服同步電機工作在電動機模式，驅動推進裝置，此時柴油機停機。電力推進模式主要用于周邊環(huán)境對排放及噪聲有較高的要求，或船舶僅需較小推力或柴油機故障的工況。本發(fā)明方案設計是以電力推進為主的混合動力系統(tǒng)，首先通過自動檢測裝置及控制系統(tǒng)，切換至電動機工作模式，動力電池為船舶提供動力(若動力電池電能不足時，也可柴油發(fā)電機提供輔助充電功能)。使用雙向變頻控制器控制電動機的轉速，可以更好地與推進裝置匹配，提高船舶的操控性能。此外，柴油發(fā)電機組也可以為船舶輔助設備和生活用負載供電。
[0058]機械推進模式:指主柴油機運行，通過減速齒輪箱和軸系驅動推進裝置；此時主柴油機為船舶提供動力，同時通過控制系統(tǒng)，將軸帶電機切換至發(fā)電機工作模式，利用柴油機的冗余功率給動力電池充電，這是一種常見的動力形式。本發(fā)明系統(tǒng)中機械推進模式主要用于航行中動力電池不足的工況。
[0059]混合動力推進模式:動力電池通過軸帶電動機、主柴油機通過減速齒輪箱，兩者同時驅動軸系和推進裝置，為船舶提供最大的推力?；旌蟿恿δＪ街饕糜诖筘撦d工況，此時可以分為柴油機全功率和變功率輸出工況，當負載足夠大，動力電池和柴油機均需全功率輸出；當負載大于動力電池，但無需柴油機全功率輸出時，通過本發(fā)明系統(tǒng)能源管理控制(以電力推進為主)，自動調節(jié)柴油機轉速，減少噴油量，以降低柴油機的功率輸出。
[0060]內河船舶油電自混合動力推進系統(tǒng)技術設計:
I)兩種不同動力并車的機械傳動裝置及并車策略
變頻電機在不同的負載工況下發(fā)電機工作模式和電動機工作模式的轉換機構及系統(tǒng)設計，以及為實現(xiàn)柴油機和電動機兩種不同動力驅動的平穩(wěn)并車而采取的技術方案、機械傳動裝置及并車策略。通常情況下，為實現(xiàn)柴油機和電動機兩種不同動力在軸上的混合，是采用雙動力輸入單軸輸出的特種齒輪箱機構。這種齒輪箱可以實現(xiàn)不同的速比傳動，且動力輸出范圍較大，但需特殊研發(fā)并定制，結構復雜，成本較高。對于內河小型船舶來說則需尋求一種結構簡單，性價比較高的傳動機構。
[0061]本發(fā)明系統(tǒng)采用在尾軸上加裝減速皮帶盤，通過同步齒形帶連接電動機的方法，使電動機的軸功率通過同步帶傳遞至尾軸，與柴油機共同驅動推進裝置。同步帶傳動具有準確的傳動比、傳動效率高、成本低、維護保養(yǎng)方便的優(yōu)點。這種傳遞動力的方法簡單實用，用于內河小型船舶的軸功率疊加傳動裝置比雙輸入單輸出齒輪箱可節(jié)約成本，降低造價。
[0062]并車策略主要考慮柴油機要啟動并車，必須在其允許的低速范圍內進行并車，而電動機實現(xiàn)并車僅需調整扭矩即可，因此能平穩(wěn)及安全地實現(xiàn)柴電并車和電柴并車。
[0063]2)混合動力推進系統(tǒng)與船舶總體性能的匹配性
由于船舶加裝了大量的動力電池，將導致船舶布置及性能的變化，而且動力電池的容量及數(shù)量亦取決于船舶的航速及推進性能要求，因此在本發(fā)明系統(tǒng)設計時，應在滿足規(guī)范的前提下，充分研究兩者的適配性，保證船舶的適用性和安全性。
[0064]3)油電混合動力的能源管理策略的研究
能源管理策略是本發(fā)明混合動力控制系統(tǒng)重點所在，它直接影響著混合動力船舶的性能及生命力。能量管理策略必須在滿足一定邊界條件約束的前提下，利用合理的方法和規(guī)則對混合動力中的不同能源進行投入時間及大小的優(yōu)化分配，從而獲得傳統(tǒng)動力所不能達到的優(yōu)化控制目標。本管理策略以節(jié)能減排降噪為目標，按照電力推進優(yōu)先，船舶航行時根據(jù)動力電池容量、負載需求的變化及航行總時間的限制，主柴油機自動變功率混合推進的技術路線進行研發(fā)。
[0065]本發(fā)明系統(tǒng)具體可分為以下三種工作模式五種工況進行能源管理控制。
[0066]I)電力推進模式:負載穩(wěn)定且較小，動力電池在晚間通過岸電已充足電；此時動力電池按照船舶選擇的航速進行放電，柴油機不工作。
[0067]2)柴油機推進模式:
①動力電池能量不足，但負載較小，允許柴油機在驅動推進裝置的同時通過軸帶發(fā)電機給動力電池組充電。此時通過測量蓄電池電壓、容量以及尾軸扭矩，可實現(xiàn)柴油機自動啟動，并通過控制系統(tǒng)將電動機切換成軸帶發(fā)電機工作模式，給動力蓄電池充電。
[0068]②動力電池能量不足，航行時負載較大柴油機功率，柴油機作為主推工作，沒有冗余功率給動力電池充電。此時可根據(jù)實船需要，啟動輔助柴油發(fā)電機給動力蓄電池充電。
[0069]3)混合動力推進模式:
①負載足夠大，動力電池及柴油機均需全功率推進，兩種動力在軸上進行疊加；
②負載大于動力蓄電池，柴油機需附加變功率疊加。此時通過本系統(tǒng)能源管理控制，根據(jù)負載變化自動恒定柴油機轉速，并增減噴油量，以改變柴油機輸出功率，使其自動適應負載的變化。
[0070]4)油電混合動力監(jiān)控及安全保護系統(tǒng)的研究
監(jiān)測系統(tǒng)主要研究不同的推進模式之間相互轉換，其測量及控制系統(tǒng)的研發(fā)設計，以及該系統(tǒng)的技術參數(shù)及性能指標的研究。監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設計，便于系統(tǒng)配置與擴展。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)需要和監(jiān)測點數(shù)量，選擇配置適當數(shù)量的I /0模塊，如模擬端口、數(shù)字端口、通信接口、電機反饋接口以及主控制端口等，達到設定的功能，實現(xiàn)對混合動力所有設備及輔助設備運行狀態(tài)進行自動測量、跟蹤、反饋以及監(jiān)測報警及控制。
[0071]當任何一種驅動模式發(fā)生故障時，進行判斷并根據(jù)故障的等級自動啟動相應的處理程序，在各種條件下最大限度地保證船舶推進驅動系統(tǒng)的正常運行及船舶安全并滿足船舶法規(guī)及規(guī)范的要求。
[0072]當系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動檢測出故障信號，并視故障的嚴重程度，分成報警、降負載運行、切除設備、停機等4個等級。設備在運行中可能出現(xiàn)各種不正常的運行狀態(tài)及故障，如:主柴油機超速、超負荷、滑油低壓、排溫過高等；輔助發(fā)電機組過載、欠壓等；動力電池組電壓低、剩余容量低、電池故障等；推進電機過電流、超速等，系統(tǒng)其他故障如電壓異常、位置碼異常、IGBT過熱、扭矩超差、電流超差、速度超差等。特別是在柴油機或軸帶電機并車時發(fā)生故障，應立刻降負荷、將故障設備及時脫離系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，同時判斷正常運行的柴油機或軸帶電機是否可以獨立承受推進負荷，如功率不夠還應立即采取降速等措施，最大限度地保證船舶推進驅動系統(tǒng)的正常運行及船舶安全。
[0073]5)適應油電自混合動力推進系統(tǒng)的船舶推進裝置
一般內河船舶采用螺旋槳推進時由于槳徑受到嚴格限制，其推進效率僅為45%_55%左右，對于超淺吃水船舶其推進效率甚至在30%以下。由于這類船舶的舵面積及展弦比過小導致其操縱性也差。
本發(fā)明優(yōu)選實施例采用差速型船用平旋推進裝置，其可以明顯提高這類船舶的推進效率并大大改善船舶的操縱性能。
[0074]選用與油電自混合動力系統(tǒng)具有良好匹配特性的船舶推進裝置，使其不僅能發(fā)揮良好的推進效率，又能使油電自混合動力系統(tǒng)的設備在有限的空間里得到合理的布置。
[0075]為了最大限度地發(fā)揮油電自混合動力系統(tǒng)的效能，采用高效并具有良好匹配特性的船舶推進裝置是十分重要的。此外，由于油電自混合動力系統(tǒng)比常規(guī)柴油機動力系統(tǒng)額外增加了電機、機械傳動裝置、儲能機構和控制系統(tǒng)等，如何在內河船舶有限的機艙空間內進行合理的布置也是選擇推進裝置的重要因素。因此，采用油電自混合動力系統(tǒng)的船舶應選擇推進效率更高、適合油電自混合動力系統(tǒng)輸出特性、便于系統(tǒng)設備布置的船舶推進裝置。
[0076]本發(fā)明通過對上述油電自混合動力推進各子系統(tǒng)的綜合研究設計，開發(fā)出一種新的適合內河船舶的節(jié)能減排的新技術，可以顯著降低燃油消耗及廢氣排放，節(jié)約營運成本。
[0077]本發(fā)明混合動力軸功率分配及平衡策略控制:本發(fā)明依托工程為桂林至陽朔的客運航班，為減排需要，要求進出港采用電力推進，航道常年水流較急，帶客時是順水航行，且必須在規(guī)定的時間內到達，回程是逆流。根據(jù)機槳匹配計算，選取柴油機28.2kW，推進器28kW，推進電機1kW,當負載較小時，可采用電力推進，當負載足夠大時，電動機及柴油機全功率輸出，當負載較大，僅靠電力推進不足以保持船舶航速時，以電力推進為主，根據(jù)負載變化，柴油機變功率疊加，這個過程是一個自動及智能控制的過程，由變頻控制器內部控制算法來進行精確控制。
[0078]下面結合附圖3對本發(fā)明控制原理作詳細說明。
[0079]圖3 中:
序I代號 fi I [I~號規(guī)~5____
~~ 1-2PM型船用平旋推進裝置FS-ZQT30C
2_ 1-2 ME_主柴油機_KD488M28.2kW2600r/min_
3_ 1-2SM_直流伺服電機(油門控制)_BLM42100W24V-M16384DC24V0.1kW_
4_ 1-2M_永磁同步伺服電機(推進電機)_ 190B15K4-AlXNG110kW_
5_ 1-2PC-1 1-2PC-2_編碼器_E6C2-CWZ6C_
6_QD1-1/QD2-1_交流伺服驅動器_NAS4E22KX_
7_QD1-2/QD2-2_直流伺服驅動器_AB806_
8~ 1-2RC~主機遙控手柄一
9~ 1-2MD~ 1V電源模塊一
Τθ~ HGB―動力蓄電池(動力電源)^ DC12V150AH
TT~ GB―低壓蓄電池(控制電源)^ DC12V200AH
12HSD_ 緩上電盒__1￡2^_
13SMC_蓄電池電源管理器_H3G-380_
~ IPLC~24xp
15 2PLC_S7-200 定位模塊_EM253_
~ 3PLC￥私量輸入擴展模塊EM231
~ Kl手動/自動選擇開關LA39-BDC24V3檔黑色
19SB1-2_ _LA39-FDC24V 綠色_
201J2-4_ 中間繼電器_MY2NJDC24V_
211J6-7/2J6-7_ 中間繼電器_MY2NJDC24V_
221J1/1J5_ 中間繼電器_MY4NJDC24V_
23LI_指示燈_AD16-12DDC24V 白色_
24L2-4_指示燈_AD16-12DDC24V 紅色_
25FU1-4_熔斷器_FL98-162A_
26FM_蜂鳴器_AD16-16SMDC24V_
參見圖3，本發(fā)明應用于內河船舶的油電自混合動力系統(tǒng)控制原理:
一、本發(fā)明工況分類:
工況一:動力電池推進，柴油機不工作；
工況二:動力電池+柴油機部分功率混合推進；
工況三:動力電池+柴油機全功率混合推進；
工況四:柴油機部分功率推進+軸帶發(fā)電機給動力電池充電；
工況五:柴油機全功率推進。
[0080]二、控制狀態(tài):
手動:電力推進及柴油機推進均采用同一手柄進行調速。
[0081]自動:混合動力推進時，電動機采用全功率輸出，柴油機根據(jù)負載變功率輸出。
[0082]三、控制模式選擇原則:
進出港狀態(tài)路況較為復雜，動力電池有電時可選用電力推進手動檔；在動力電池沒有電，航道情況出現(xiàn)特殊，或考慮緊急避讓等，選用柴油機手動檔。手動控制時不通過PLC程序，無論電力推進或柴油機推進均由同一手柄操作控制調速。
[0083]出港后正常航行情況可選用自動模式，此時電機和柴油機的工作狀態(tài)由PLC根據(jù)負載情況控制，包括電機全負荷推進，柴油機變功率混合推進，柴油機給電機充電等工況。
[0084]出港后正常航行過程中，出現(xiàn)特殊情況或需要測試系統(tǒng)時，可選用混合推進中的手動狀態(tài)，此時電機的工作狀態(tài)由PLC控制，柴油機的油門大小由手柄手動控制。
[0085]四、系統(tǒng)符號定義
1、轉速符號定義:
m:工況一中推進器的設定轉速； n2:合排時柴油機的怠速轉速； n3:工況二中推進器的設定轉速； n4:工況三中推進器的低限速度； n5:工況四中推進器的設定轉速； n6:工況四中推進器的低限速度。
[0086]nl-n6設定轉速是在理論計算的基礎上，參考常年航行的經(jīng)驗，并根據(jù)能保證整個航程航行時間的航速來確定。該數(shù)值現(xiàn)場可調。
[0087]注:不同的航線可根據(jù)實際情況通過調整nl_n6，以滿足不同的需求。
[0088]2、時間符號定義:
Tl:在工況二狀況下，柴油機從開啟到轉速穩(wěn)定需要的時間；
T2:在工況二狀況下，為避免由于特殊情況而導致程序頻繁跳轉而設定的延遲時間； T3:在工況三狀況下，為確定推進器實際速度小于報警速度而設定的延遲時間；
T4:在工況四狀況下，為確定推進器實際速度小于下限速度n6而設定的延遲時間；
T5:在工況五狀況下，為確定推進器轉速大于設定轉速n5而設定的延遲時間。
[0089]3、蓄電池符號定義:
Ql:動力蓄電池的實際容量值； ul:動力蓄電池低電壓報警值。
[0090]五、系統(tǒng)說明:
1、系統(tǒng)初始化狀態(tài):
系統(tǒng)接通DC24V控制電源，手柄置于零位，PLC接收報警信號、電池容量信號、轉速信號，同時初始化模擬量輸出口各值為0，在沒有報警的情況下，整個系統(tǒng)可以正常工作。
[0091]2、系統(tǒng)參數(shù)定義:








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同電式具電不}模得










3、(I此21J2
Q^ 1±
Oo客
I_I EijsfI無電壓信號輸出，繼電器1J3失電，柴油機合排器斷開，Q0.4輸出24V電壓，繼電器1J5得電，相應觸點開關動作，將PLC控制信號斷開，同時接入手柄控制信號，保證完全手動電力推進。
[0093](2)純柴油機推進(手動):
此模式為完全由柴油機推進模式，柴油機的控制為手動，而且不進入PLC的工況自動判斷處理程序。
[0094]具體操作步驟:將轉換開關K2切換到純柴油機檔，電機使能端口 Q0.1無電壓信號輸出，繼電器1J2不動作，1J2觸點不動作使得電機使能端斷開。10.6 口接收24V電壓信號，經(jīng)過PLC處理后，Q0.2輸出24V電壓，繼電器1J3得電，齒輪箱合排。同時Q0.0、Q0.4無電壓信號輸出，繼電器1J1、1J5不動作，觸點不動作，將PLC控制信號斷開，同時接入手柄控制信號，保證完全手動柴油機推進。
[0095](3)混合動力模式:
A:混合-自動
此模式為PLC自動控制模式，柴油機和電機的信號均由PLC給定，開始進入PLC的工況自動判斷處理程序。
[0096]I)如果開機就將模式開關打到混合動力模式、混合動力手/自動開關切換到自動檔時，則直接進入工況一，開始工況自動判斷處理程序的自動循環(huán)、判斷；
2)如果由純電力模式切換到混合動力模式，則進入工況一，開始工況自動判斷處理程序的自動循環(huán)、判斷；
3)如果由柴油機模式切換到混合動力模式，則進入工況五，開始工況自動判斷處理程序的自動循環(huán)、判斷。
[0097]具體操作:將開關K2打在混合動力檔，10.7 口接收24V電壓信號，同時開關Kl選擇自動檔，PLC讀取信號，Q0.4輸出無電壓信號輸出，繼電器1J5不得電，相應觸點1J5動作使得手柄信號斷開，電機驅動器接通PLC模擬量輸出口 V信號；同時Q0.0輸出24V電壓，繼電器IJl得電，相應觸點IJl動作，使得手柄信號斷開以及柴油機接通PLC信號。此時柴油機和電機均處于自動狀態(tài)。
[0098]B:混合-手動
此模式為電機由PLC自動控制，而且進入PLC的工況自動判斷處理程序，柴油機的油門大小由手柄手動控制，此模式主要用于調試或非正常情況。具體操作:將開關K2打在混合動力檔，同時將開關Kl打在手動擋，10.7、I1.0 口分別接收24V電壓信號，經(jīng)過PLC讀取信號后，Q0.0無電壓信號輸出，繼電器IJl失電，相應觸點IJl不動作，柴油機接通手柄控制信號，油門由手柄控制；Q0.4無電壓信號輸出，繼電器1J5不得電，相應觸點1J5不動作，使得手柄信號斷開，電機接通PLC模擬量輸出口 V信號，電機處于自動狀態(tài)。其余的操作由PLC工況自動判斷處理程序來執(zhí)行。
[0099]4、兩臺推進器的同步問題:
I)本系統(tǒng)左右推進器分別由兩個手柄控制，當兩臺推進器需要同步時，將兩個手柄進行機械連接。當兩臺推進器不需要同步時，如需要平移、原地回轉等特殊動作，則取消兩個手柄的機械連接，即可單獨操作左右手柄。
[0100]2)在混合動力模式下，當進入工況自動判斷處理程序后，時刻比較左右推進器轉速，如果兩者轉速差超過一定數(shù)值，則自動調節(jié)轉速較大的推進器的油門，以保證同步。
[0101]5、系統(tǒng)報警及保護:
1)低電壓報警:當蓄電池電壓低于報警下限Ul時，Ql.1輸出24V電壓，同時接通指示燈L4以及蜂鳴器FM，發(fā)出聲光報警，人工干預處理。
[0102]2)左/右電機超速報警:當左右電機轉速超過上限轉速時，超速報警輸入口 I1.2，
11.3報警輸入24V電壓，PLC接收信號，接通指示燈L2以及蜂鳴器FM，發(fā)出聲光報警。PLC同時發(fā)出電機使能斷開信號，斷開電機使能，電機停止工作，驅動器發(fā)出電機故障報警信號。
[0103]3)左右電機漏電報警:當左右電機驅動器輸出漏電報警時，漏電報警輸入口
11.4,11.5報警輸入24V電壓，PLC接收信號，接通指示燈L3以及蜂鳴器FM，發(fā)出聲光報警。PLC同時發(fā)出電機使能斷開信號，斷開電機使能，電機停止工作，驅動器發(fā)出電機故障報警信號。
[0104]六、系統(tǒng)自動運行情況工況一:
此工況狀態(tài):蓄電池容量充足，完全電力推進。
[0105]只有在混合動力模式下，才會進行工況之間切換，工況之間切換由PLC自動進行。在船出港后，電機調為自動，柴油機也為自動。電機此時100%扭矩工作。在電池容量Q1>55%C的前提下，將左/右推進器實際轉速V與設定的轉速nl比較，如推進器轉速大于等于設定的轉速nl，則在工況一循環(huán)工作。
[0106]跳出工況一的情況:
O電池容量Ql < 55%C，進入工況四；
2)推進器轉速小于設定的轉速nl，進入工況二。
[0107]工況二:
在電池容量Q1>55%C，的條件下，PLC控制器檢測到推進器轉速小于設定的轉速nl后，進入工況二。首先發(fā)出柴油機啟動信號:通過PO 口發(fā)油門指令，在一定延時Tl后等待柴油機穩(wěn)定。為齒輪箱合排作準備，將左/右推進器實際轉速與柴油機此時的轉速n2比較:
O如果推進器轉速大于柴油機轉速n2，則將電機扭矩輸出值(從模擬量輸出V 口)減小，由船舶阻力減小推進器轉速，循環(huán)此操作直到左/右柴油機轉速都與推進器轉速相匹配，此時通過PLC將Q0.2 口輸出24V，繼電器1J3得電，1J3觸點閉合，齒輪箱合排。
[0108]2)如果推進器轉速小于柴油機轉速n2，則通過PLC讓Q0.1輸出為0，繼電器1J2不得電，1J2觸點不動作，電機使能端斷開，電機空轉。在電機空轉后的瞬間，PLC發(fā)出合排信號，將Q0.2 口輸出24V，繼電器1J3得電，1J2觸點動作，齒輪箱合排。在此操作后，通過PLC讓Q0.1輸出為24V，繼電器1J2得電1J2觸點動作，電機使能端閉合，PLC控制電機在額定扭矩下工作。
[0109]合排結束后，推進器在電機以及柴油機共同驅動下工作，此時設定的轉速變?yōu)閚3，此時將推進器的實際轉速與轉速π3比較，通過調節(jié)油門大小來保證推進器轉速維持在η3。其中油門大小調節(jié)的實現(xiàn)為:由PLC位置控制模塊來控制油門電機的運動，以實現(xiàn)電機位置控制，從而實現(xiàn)油門大小調節(jié)。其中油門的大小由PID算法得出。
[0110]跳出工況二的情況:
I) PID算法計算后，PO 口輸出的油門開度為0，并且持續(xù)一段時間Τ2，則說明此時不需要柴油機輔助推進。通過PLC讓Q0.2輸出為0，繼電器1J3失電，開關1J3打開，柴油機脫離，然后程序跳轉回工況一，設定的比較轉速值回到η I。
[0111]2)電池容量 Q1〈55%C
3)當推進器轉速降到低限速度n4。
[0112]工況三:
即工況二中PID輸出的油門開度為100%，油門開到最大的情況。
[0113]跳出工況三的情況:
I) PID并輸出的油門開度為100%，并且持續(xù)一段時間T3后，測到的推進器速度低于報警速度，說明推進器可能被纏繞遇到異常，此時系統(tǒng)報警，停止柴油機工作，讓油門開度等于0，即關閉油門，同時關閉電機使能端。
[0114]2)電池容量 Q1〈55%C 工況四:
此工況狀態(tài):電池容量Q1〈55%C，在保證充電電流的前提下，柴油機可根據(jù)負載變化輸出不同的功率保持船舶航行。
[0115]在電池容量Q1〈55%C后，進入工況四程序部分。此時通過PLC控制Q0.3 口輸出24V，繼電器1J4得電，1J4常開觸點閉合，接通驅動器負扭矩信號口，并給定扭矩大小，控制電機處于充電狀態(tài)，此時柴油機功率分為充電和推進兩部分，所以設定的轉速變?yōu)閚5，此時將推進器的實際轉速與設定的轉速π5比較，通過調節(jié)油門大小(調節(jié)方法如上)，以保證推進器轉速維持在η5，其中油門的大小由PID算法得出。
[0116]跳出工況四的情況:
1)PID輸出的油門開度為100%，并且持續(xù)一段時間T4后，測到的推進器速度小于下限速度n6，說明負載較大，推進器需要停止充電，此時斷開電機使能端(操作如上)，讓柴油機功率完全用于推進，即進入工況五。
[0117]2)電池容量 Ql > 90%C 工況五:
在情況(I)的條件下跳出工況四并進入工況五，此時柴油機輸出功率100%用于推進，將油門開度值設為100%。
[0118]跳出工況五的情況:
測得推進器轉速大于n5，并維持了一段時間T5，說明柴油機有富余的功率可以給予充電，此時將電機使能端接通，系統(tǒng)回到工況四。
[0119]七、系統(tǒng)歸零說明
當完成全部航程后，先斷開主動力電源、DC24V控制電源。然后將選擇開關K1、K2以及主機遙控手柄1RC/2RC全部歸零。并接通岸電，給動力蓄電池組充電。
[0120]八、硬件說明
上述實施例采用S7-200PLC，西門子可編程邏輯控制器，CPU選用S7224XP，功能模塊選用S7200，定位模塊ΕΜ253，擴展模塊為模擬量輸入模塊ΕΜ231。
[0121]S7224XP DC/DC/DC，是具有模擬量I/O 口和強大控制能力的新型CPU。本系統(tǒng)利用4路高數(shù)計數(shù)器來計算左右柴油機和推進器轉速，10路數(shù)字端口輸入報警信號和模式選擇信號，2路自帶模擬端口輸入左右推進電機轉速，2個RS485反饋油門電機運動信息，10路數(shù)字輸出用于繼電器控制、指示燈和蜂鳴器。一路模擬量輸出用于推進電機的控制。
[0122]S7200定位模塊EM253，EM253為位置開環(huán)控制模式，再通過通訊端RS485加上電機運動反饋后，本系統(tǒng)實現(xiàn)油門電機位置閉環(huán)控制。
[0123]EM231模擬量輸入擴展模塊，是本系統(tǒng)為了將電池容量信號反饋到PLC，CPU自帶模擬量輸入端口已經(jīng)使用，通過EM231模塊擴展模擬量輸入口，以接入電池容量信號。
[0124]柴油機油門伺服電機驅動器AB806，其控制電壓以及控制方式符合EM253地位模塊，本系統(tǒng)采用脈沖加方向的位置控制模式，并通過RS485反饋運動信息。
[0125]本系統(tǒng)通過編碼器E6C2-CWZ6C，將左右柴油機和推進器的轉速反饋到PLC。
[0126]對本領域的普通技術人員而言，依據(jù)本發(fā)明提供的思想，在【具體實施方式】上會有改變之處,而這些改變也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種運用于內河運輸船舶的油電自混合動力推進系統(tǒng)，其特征是包括控制器、駕控臺、電源管理器、動力蓄電池組、驅動器、同步電機、船舶推進器、主柴油機、齒輪箱，動力蓄電池組通過電源管理器與控制器電聯(lián)接，控制器與駕控臺電聯(lián)接；控制器還電聯(lián)接驅動器，驅動器電聯(lián)接同步電機，同步電機的電機軸安裝第一同步帶輪；控制器還電聯(lián)接柴油機油門伺服電機驅動器，柴油機油門伺服電機驅動器電聯(lián)接柴油機油門伺服電機；主柴油機通過齒輪箱安裝第二同步帶輪，第二同步帶輪與第一同步帶輪間通過同步齒形帶連動；同步齒形帶與同步電機的電機軸通過第一同步帶輪連動，與萬向聯(lián)軸器的一端通過第二同步帶輪連動，萬向聯(lián)軸器的另一端與船舶推進器的動力輸入端連動；常態(tài)下，動力蓄電池組將電能通過同步電機輸出，以驅動船舶推進器；當動力蓄電池組不能滿足船舶航行速度時，主柴油機啟動并網(wǎng)，與同步電機共同驅動船舶推進器；當動力蓄電池組電力不足時，主柴油機啟動后既給船舶推進器提供動力，又使同步電機轉換成軸帶發(fā)電機，給動力蓄電池組反向充電。
2.如權利要求1所述的油電自混合動力推進系統(tǒng)，其特征是:驅動器、同步電機、船舶推進器、齒輪箱、主柴油機、主柴油機油門伺服電機及油門伺服電機驅動器各有兩個，控制器通過緩上電盒與驅動器聯(lián)接，形成兩組相同的結構。
3.如權利要求1或2所述的油電自混合動力推進系統(tǒng)，其特征是:所述的控制器包括PLC, PLC由第一 PLC、第二 PLC、第三PLC組成，第一 PLC聯(lián)接第二 PLC，第二 PLC聯(lián)接第三PLC。
4.如權利要求3所述的油電自混合動力推進系統(tǒng)，其特征是:第一PLC選用S7-224xp，第二 PLC選用EM253，第三PLC選用EM231 ;第一 PLC接中間繼電器IJ5，中間繼電器1J5分兩路分別通過中間繼電器1J4接入驅動器。
5.如權利要求4所述的油電自混合動力推進系統(tǒng)，其特征是:驅動器由交流伺服驅動器QD1-1/QD2-1與直流伺服驅動器QD1-2/QD2-2電聯(lián)接而成，交流伺服驅動器QD1-1/QD2-1選用NAS4E22KX，直流伺服驅動器QD1-2/QD2-2選用AB806，直流伺服驅動器AB806的控制電壓以及控制方式符合所述EM253的地位模塊。
6.如權利要求5所述的油電自混合動力推進系統(tǒng)，其特征是:第二PLC接入直流伺服驅動器 QD1-2/QD2-2。
7.如權利要求5所述的油電自混合動力推進系統(tǒng)，其特征是:第三PLC接入直流伺服驅動器 QD1-2/QD2-2。
8.如權利要求3所述的油電自混合動力推進系統(tǒng)，其特征是:所述的主柴油機電聯(lián)接第一編碼器，第一編碼器將主柴油機的轉速反饋至PLC ;和/或，所述的船舶推進器電聯(lián)接第二編碼器，第二編碼器將主柴油機的轉速反饋至PLC。
9.如權利要求8所述的油電自混合動力推進系統(tǒng)，其特征是:所述的第一編碼器或第二編碼器選用E6C2-CWZ6C。
【文檔編號】B63H21/20GK104149960SQ201410318867
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權日:2014年7月4日
【發(fā)明者】陳立新, 付立剛, 劉舒雨, 黃鑫 申請人:杭州現(xiàn)代船舶設計研究有限公司