本發(fā)明涉及一種適用于小型高速無人艇的多工況油電混合推進(jìn)系統(tǒng)，屬于船舶動力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在全球化進(jìn)程中，船舶與航運(yùn)發(fā)揮了不可取代的作用，但與此同時(shí)，船舶和航運(yùn)業(yè)在管控溫室氣體排放及應(yīng)對氣候變化方面的速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于全球其他行業(yè)去碳化的進(jìn)程。轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、開展綠色航運(yùn)已經(jīng)成為船舶行業(yè)乃至整個(gè)航運(yùn)業(yè)的共識。而油電混合型船舶由于其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性方面的優(yōu)勢，已經(jīng)成為船舶行業(yè)的一大熱門。

目前國內(nèi)外油電混合型船舶動力系統(tǒng)的模式主要有：串聯(lián)式柴電混合動力系統(tǒng)；pto/pti可逆電機(jī)模式柴電混合動力系統(tǒng)。串聯(lián)式柴電混合動力系統(tǒng)基本原理是將由主推進(jìn)柴油機(jī)帶動的螺旋槳和由主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)供電的全回轉(zhuǎn)吊艙組合用于推進(jìn)，兩個(gè)螺旋槳安裝在沒有物理連接的同一軸線上；pto/pti可逆電機(jī)模式柴電混合動力系統(tǒng)，其中電機(jī)既可以做發(fā)電機(jī)用，也可以逆變成電動機(jī)使用，從而實(shí)現(xiàn)混合動力的目的。

上述各種模式下的混合動力推進(jìn)系統(tǒng)雖然降低了船舶主機(jī)運(yùn)行過程中的油耗與污染，也在一定程度上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排、降低運(yùn)營成本的目標(biāo)，但各個(gè)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)大多都針對于大型遠(yuǎn)洋船舶，真正應(yīng)用于小船的并不多。

無人艇方面，目前多個(gè)國家都開展了無人艇技術(shù)的相關(guān)研究,美國和以色列在無人艇研究和應(yīng)用方面走在世界前列,國內(nèi)對無人艇的研究還處在概念設(shè)計(jì)階段,與國外相比還有較大的差距。一般的小型無人艇具備巡邏安防、地貌測繪、水產(chǎn)養(yǎng)殖、遙控測量等一種或多種功能，甚至可搭載水下機(jī)器人、無人機(jī)等，因此對自主航行、自帶避障、續(xù)航能力和航速、船舶動力系統(tǒng)的性能等要求較高。而現(xiàn)有的小型無人艇多采用單一的電動或燃油驅(qū)動，存在著或自主航行性能差、操縱性低，或經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性低、可靠性差等問題，或不能滿足航速范圍寬、續(xù)航力大的需要等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)狀和相關(guān)技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種適用于小型高速無人艇的多工況油電混合推進(jìn)系統(tǒng)。該發(fā)明旨在通過發(fā)動機(jī)、電動機(jī)的有效配合，達(dá)到節(jié)能減排、提高可靠性與機(jī)動性、增強(qiáng)續(xù)航能力的效果。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：一種適用于小型高速無人艇的多工況油電混合推進(jìn)系統(tǒng)，它包括燃油艙、供油泵、發(fā)動機(jī)、第一離合器和螺旋槳推進(jìn)器，它還包括第二離合器、動力分離與合成裝置、主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)、主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)、第一變流器、第二變流器、鋰離子蓄電池組和電池電源充電器，所述燃油艙通過供油泵與發(fā)動機(jī)連接,發(fā)動機(jī)與動力分離與合成裝置之間安裝有第一離合器，動力分離與合成裝置機(jī)械連接主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)；所述主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)通過第二變流器與鋰離子蓄電池組電連接，鋰離子蓄電池組還連接外接充電的電池電源充電器；所述動力分離與合成裝置與主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)之間安裝有第二離合器，主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)不僅通過第一變流器與鋰離子蓄電池組電連接，還連接螺旋槳推進(jìn)器；所述主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)和主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)均采用交流電動、發(fā)電兩用電機(jī)；所述油電混合推進(jìn)系統(tǒng)包括純電動模式、油電輕混模式和油電強(qiáng)混模式，所述純電動模式包含單電動機(jī)驅(qū)動工作狀態(tài)和雙電動機(jī)驅(qū)動工作狀態(tài)；所述油電輕混模式包含發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動并帶動輔發(fā)電機(jī)發(fā)電工作狀態(tài)和發(fā)動機(jī)帶動主發(fā)電機(jī)發(fā)電工作狀態(tài)；所述油電強(qiáng)混模式包含發(fā)動機(jī)、主電動機(jī)和輔電動機(jī)聯(lián)合驅(qū)動工作狀態(tài)和發(fā)動機(jī)、主電動機(jī)混合驅(qū)動并帶動主發(fā)電機(jī)發(fā)電工作狀態(tài)。

所述單電動機(jī)驅(qū)動工作狀態(tài)采用第一離合器、第二離合器斷開，電流流向?yàn)殇囯x子蓄電池組經(jīng)第一變流器到主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)，動力傳遞路線為主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)到螺旋槳推進(jìn)器；所述雙電動機(jī)驅(qū)動工作狀態(tài)采用第一離合器斷開、第二離合器閉合，電流流向?yàn)殇囯x子蓄電池組分別經(jīng)第二變流器、第一變流器到主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)和主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)，動力傳遞路線為主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)經(jīng)動力分離與合成裝置、第二離合器與主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)的動力結(jié)合共同驅(qū)動螺旋槳推進(jìn)器。

所述發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動并帶動輔發(fā)電機(jī)發(fā)電工作狀態(tài)采用第一離合器、第二離合器閉合，電流流向?yàn)橹麟妱訖C(jī)/輔發(fā)電機(jī)經(jīng)第一變流器到鋰離子蓄電池組；動力傳遞路線為發(fā)動機(jī)經(jīng)第一離合器、動力分離與合成裝置和第二離合器，用一部分動力驅(qū)動主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)發(fā)電，另一部分動力驅(qū)動螺旋槳推進(jìn)器；所述發(fā)動機(jī)帶動主發(fā)電機(jī)發(fā)電工作狀態(tài)采用第一離合器閉合，第二離合器斷開，電流流向?yàn)橹靼l(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)經(jīng)第二變流器到鋰離子蓄電池組，動力傳遞路線為發(fā)動機(jī)經(jīng)第一離合器、動力分離與合成裝置驅(qū)動主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)發(fā)電。

所述發(fā)動機(jī)、主電動機(jī)和輔電動機(jī)聯(lián)合驅(qū)動工作狀態(tài)采用第一離合器、第二離合器閉合，電流流向?yàn)殇囯x子蓄電池組經(jīng)第一變流器和第二變流器分別到主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)；動力傳遞路線為發(fā)動機(jī)經(jīng)第一離合器與主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)一起經(jīng)動力分離與合成裝置完成一次動力混合，由一次動力混合經(jīng)第二離合器與主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)完成二次動力混合，再由二次動力混合驅(qū)動螺旋槳推進(jìn)器；所述發(fā)動機(jī)、主電動機(jī)混合驅(qū)動并帶動主發(fā)電機(jī)發(fā)電工作狀態(tài)采用第一離合器、第二離合器閉合，電流流向分為主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)經(jīng)第二變流器到鋰離子蓄電池組，鋰離子蓄電池組經(jīng)第一變流器到主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)；動力傳遞路線為發(fā)動機(jī)經(jīng)第一離合器傳遞動力至動力分離與合成裝置，動力分離與合成裝置用一部分動力驅(qū)動主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)發(fā)電，用另一部分動力經(jīng)第二離合器、主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)驅(qū)動螺旋槳推進(jìn)器。

本發(fā)明的有益效果是：這種油電混合推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)與動力分離與合成裝置之間安裝有第一離合器，動力分離與合成裝置機(jī)械連接主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)；主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)通過第二變流器與鋰離子蓄電池組電連接，鋰離子蓄電池組還連接外接充電的電池電源充電器；動力分離與合成裝置與主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)之間安裝有第二離合器，主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)不僅通過第一變流器與鋰離子蓄電池組電連接，還連接螺旋槳推進(jìn)器；主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)和主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)均采用交流電動、發(fā)電兩用電機(jī)；油電混合推進(jìn)系統(tǒng)包括純電動模式、油電輕混模式和油電強(qiáng)混模式。

該油電混合推進(jìn)系統(tǒng)在收集多余動能、降低油耗及提升動力系統(tǒng)性能優(yōu)良，續(xù)航能力與自持力強(qiáng)；在無人艇發(fā)動機(jī)發(fā)生故障的情況下仍能依靠主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)穩(wěn)定航行；可充分利用電動機(jī)扭矩大且低轉(zhuǎn)速時(shí)功率輸出高的特性和發(fā)動機(jī)大功率輸出出現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速區(qū)的特性，選擇較小的發(fā)動機(jī)，從而提高發(fā)動機(jī)的負(fù)荷率；由于整套系統(tǒng)的存在，發(fā)動機(jī)始終在最高效率區(qū)以輸出恒定功率的方式工作，可以有效的改善發(fā)動機(jī)的燃油消耗；增加第二離合器，可使得無人艇上的水下機(jī)器人、無人機(jī)等設(shè)備在作業(yè)過程中，無人艇發(fā)動機(jī)的怠速工況并沒有浪費(fèi)；增加電池電源充電器可以使用岸電對無人艇進(jìn)行充電；具備適應(yīng)多工況作業(yè)的能力。

附圖說明

圖1是一種適用于小型高速無人艇的多工況油電混合推進(jìn)系統(tǒng)圖。

圖2是單電動機(jī)驅(qū)動工作狀的電力和動力傳遞路線圖。

圖3是雙電動機(jī)驅(qū)動工作狀態(tài)的電力和動力傳遞路線圖。

圖4是發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動并帶動輔發(fā)電機(jī)發(fā)電工作狀態(tài)的電力和動力傳遞路線圖。

圖5是發(fā)動機(jī)帶動主發(fā)電機(jī)發(fā)電工作狀態(tài)的電力和動力傳遞路線圖。

圖6是發(fā)動機(jī)、主電動機(jī)和輔電動機(jī)聯(lián)合驅(qū)動工作狀態(tài)的電力和動力傳遞路線圖。

圖7是發(fā)動機(jī)、主電動機(jī)混合驅(qū)動并帶動主發(fā)電機(jī)發(fā)電工作狀態(tài)的電力和動力傳遞路線圖。

圖8是制動能量回收電力和動力傳遞路線圖。

圖9是工作模式的切換與能量管理流程圖。

圖中：1、燃油艙，2、供油泵，3、發(fā)動機(jī),4、第一離合器，5、第二離合器，6、動力分離與合成裝置，7、主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)，8、主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)，9、第一變流器，10、第二變流器，11、鋰離子蓄電池組，12、電池電源充電器,13、螺旋槳推進(jìn)器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

這種適用于小型高速無人艇的多工況油電混合推進(jìn)系統(tǒng)包括燃油艙1、供油泵2、發(fā)動機(jī)3、第一離合器4、第二離合器5、動力分離與合成裝置6、主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)7、主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)8、第一變流器9、第二變流器10、鋰離子蓄電池組11、電池電源充電器12和螺旋槳推進(jìn)器13。當(dāng)無人艇處于不同的工作模式時(shí)，系統(tǒng)中參與工作的部件數(shù)量不同，其電力和動力（機(jī)械力）傳遞路線亦有所不同。由于船用發(fā)動機(jī)不能在低速區(qū)輸出較大扭矩，但是電動機(jī)在低速區(qū)可以高效地完成起步。因此在無人艇航行之初，鋰離子蓄電池組池11處于電量飽滿狀態(tài)，利用電動機(jī)啟動時(shí)低速大扭矩這個(gè)特性，使用鋰離子蓄電池組11提供的電力啟動。此時(shí)的工作狀態(tài)為第一離合器4斷開，主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)作8為動力輸出源，主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)7和發(fā)動機(jī)3均不工作。此時(shí)的電力、動力(機(jī)械力)的傳遞路線如圖2所示。若系統(tǒng)檢測到無人艇阻力過大，扭矩需求過高，主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)8扭矩不足，則主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)7自動切換到主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)7模式，并提供動力。此時(shí)的電力、動力(機(jī)械力)的傳遞路線如圖3所示。

無人艇中低速航行階段（即低速巡航時(shí)），此時(shí)發(fā)動機(jī)3仍處于低效高耗狀態(tài)，而電動機(jī)在中低速時(shí)效率較高。因此，船舶在中低速航行階段，混合動力系統(tǒng)使用鋰離子蓄電池組11的電能驅(qū)動高效的主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)8前進(jìn)。此時(shí)的電力、動力(機(jī)械力)的傳遞路線如圖2所示。

巡航過程中，若系統(tǒng)檢測到鋰離子蓄電池組11低于一定值，則發(fā)動機(jī)3啟動，并單獨(dú)驅(qū)動螺旋槳推進(jìn)器13同時(shí)主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)8自動切換到輔發(fā)電機(jī)模式。此時(shí)的工作狀態(tài)為第一離合器4、第二離合器5均閉合，發(fā)動機(jī)3作為動力輸出源。此時(shí)的電力、動力(機(jī)械力)的傳遞路線如圖4所示。若遭遇惡劣天氣等無人艇需要緊急加速或全速航行的情況，則發(fā)動機(jī)3啟動，主發(fā)電機(jī)/輔電動機(jī)7自動切換到輔電動機(jī)模式，第一離合器4、第二離合器5均閉合，輔發(fā)電機(jī)、發(fā)動機(jī)3、主發(fā)電機(jī)共同驅(qū)動螺旋槳推進(jìn)器13。此時(shí)的電力、動力(機(jī)械力)的傳遞路線如圖6所示。

當(dāng)發(fā)動機(jī)3需要熱機(jī)或無人艇上的水下機(jī)器人等設(shè)備用電量較大而鋰離子蓄電池組11電量低于一定值且周圍無可用岸電時(shí)，第一離合器4閉合，第二離合器5斷開，發(fā)動機(jī)3和主發(fā)電機(jī)工作。此時(shí)的電力、動力(機(jī)械力)的傳遞路線如圖5所示。

無人艇遇到需要拖拽漁網(wǎng)、拖拽水下機(jī)器人等負(fù)載較大的情況，系統(tǒng)切入發(fā)動機(jī)動力作為主要動力源,由發(fā)動機(jī)3產(chǎn)生的動力直接驅(qū)動螺旋槳推進(jìn)器13，同時(shí)部分動力被分配給主發(fā)電機(jī)給鋰離子蓄電池組11充電。此時(shí)的電力、動力(機(jī)械力)的傳遞路線如圖7所示。

無人艇減速航行時(shí)，采用制動能量回收模式工作，此時(shí)發(fā)動機(jī)3停止工作。第一離合器4閉合，第二離合器5斷開，主發(fā)電機(jī)工作，主電動機(jī)/輔發(fā)電機(jī)8切換為輔發(fā)電機(jī)工作模式。此時(shí)的電力、動力(機(jī)械力)的傳遞路線如圖8所示。

由于鋰離子蓄電池組11的存在，使發(fā)動機(jī)3工作在一個(gè)相對穩(wěn)定的工況，使其排放得到改善。工作模式的選擇取決于船舶負(fù)載條件和系統(tǒng)自身的電量儲備，可根據(jù)一定的邏輯規(guī)則自動選擇，也可由人工遙控選擇。工作模式的切換與能量管理流程如圖9所示。