[发明专利]柴电混合动力船舶推进系统及其能量管理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种柴电混合动力船舶，特别是指一种柴电混合动力船舶推进系统及其能量管理方法。

背景技术

拖轮、挖泥船等工程船舶广泛运用于港口作业中，选择柴油主机时往往需根据最大功率需求配置从而造成柴油主机在大多数时间内工作于低负荷区，所带来的问题是燃油经济性差，排放性能差。且这些船舶大多工作于近海，与远洋船舶相比，受到更严苛的排放法规约束，改善其排放性刻不容缓。

造成上述问题的原因是船舶能量系统刚性较大，没有储能原件，推进能量仅由柴油主机产生。通过将储能装置加入至船舶中，可以对船舶能量系统进行柔化，从而改善上述问题。近年来，各类储能装置如超级电容，蓄电池发展迅猛，性能有了大幅度提升。其应用于船舶已经有相关案例。

各类储能装置因其结构与原理的区别使其储能特性不同，如超级电容充放电快，但功率密度较低；锂聚合物电池功率密度较高，但承受充放电电流能力有限，根据它们特性取长补短，构成复合能量存储装置使其能够更好的应对船舶的功率需求，也能延长储能装置的寿命。

能量管理方法对有储能装置的船舶至关重要，其控制了何时使用，如何使用储能装置，这对最大程度发挥储能装置特性以及延长其使用寿命、减少维护都有重要作用。

以下给出了几种柴电混合动力船舶推进系统及其能量管理方法：

中国专利申请，申请号201310264651.7，名称为“一种混合动力船舶推进系统的能量管理”的发明专利申请，公开了一种混合电力推进船舶的能量管理策略，虽然涉及到超级电容与锂电池，但是并没有根据不同储能装置的特性设计能量管理策略。且该专利能量转化是先由柴油机机械能转化为电能(交流)，再将交流转化为直流，等传递到电机时，又将直流转换到交流，过程复杂，能量经多次转化使得效率较低。

中国专利，专利号ZL201320327319.6，名称为“混联结构的船舶柴电混合动力系统及混合方法”的发明专利，公开了一种柴—电混联结构的船舶，柴油机经磁力耦合器与永磁发电机同轴相连，永磁发电机再由磁力耦合器与齿轮箱相连，齿轮箱的另一端带动推进器；同时柴油机的另一端带动涡轮发电机，涡轮发电机与永磁发电机一起向蓄电池充电，蓄电池带动电机也向齿轮箱输入功率。所存在的问题是结构复杂，且该发明仅使用了蓄电池作为储能装置，不能满足大电流短时间充放电。

中国专利，专利号ZL201220370587.1，名称为“船舶复合能源装置及设置有复合能源装置的船舶”的新型实用专利，公开了一种船用复合能源装置及设置有复合能源装置的船舶，但仅探讨了超级电容与蓄电池在船舶电网中的应用，并没有涉及作为辅助推进能源的作用，且没有涉及管理超级电容与蓄电池的方法。

综上所述，上述专利虽然涉及到储能装置在船舶中的应用，但都没有较好地改善前述柴油主机工作特性差的缺点，也没有较为充分地应用储能装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃油经济性好、能量利用效率高的柴电混合动力船舶推进系统及其能量管理方法。

为实现上述目的，本发明所提供的柴电混合动力船舶推进系统的能量管理方法，用于确定柴电混合动力船舶推进系统的运行模式，所述柴电混合动力船舶推进系统包括柴油主机、发电电动机、储能装置和推进器，所述储能装置包括超级电容和蓄电池。

所述柴电混合动力船舶推进系统包括如下四种运行模式：

模式A：经由储能装置提供能量，发电电动机运行于电动机模式以驱动推进器运行；

模式B：柴油主机给推进器提供能量，发电电动机运行于发电机模式并对储能装置进行充电；

模式C：柴油主机给推进器提供能量，发电电动机不工作；

模式D：柴油主机与储能装置一起给推进装置提供能量，发电电动机运行于电动机模式。

该能量管理方法包括如下步骤：

1)获取需求功率P和储能装置状态{SC,BA}

所述需求功率P由外部输入；

所述储能装置状态{SC,BA}根据超级电容的荷电状态SOC_SC和蓄电池的荷电状态SOC_BA按如下方式确定：

a.当超级电容的荷电状态SOC_SC≤a时，定义SC＝1(代表适宜充电状态)，反之定义SC＝0(代表适合放电状态)；

b.当蓄电池的荷电状态SOC_BA≤b时，定义BA＝1(代表适宜充电状态)，反之定义BA＝0(代表适合放电状态)；

其中a为根据充放电特性或用户需求设定的超级电容充放电阈值，b为根据充放电特性或用户需求设定的蓄电池充放电阈值。