CN109367750A - 轴发电机控制系统以及船舶混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轴发电机控制系统和船舶混合动力系统，包括：直流母线；轴发电机，该轴发电机通过第一变频器与该直流母线连接；电池组，该电池组通过直流变换器与该直流母线连接。当船舶行驶入排放控制区时，可利用电池组储存的电能推进船舶，基本没有尾气排放，完全满足排放控制区的排放要求。另外，通过设置轴发电机，可有效利用船舶主机(例如，柴油机)的富余功率，使得船舶主机始终保持在较高的燃油效率点上，燃油经济性显著提高，同时极大的增加了船舶主机使用寿命，经济性和环保性得到很大提升。

Description

轴发电机控制系统以及船舶混合动力系统

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，尤其是一种轴发电机控制系统以及船舶混合动力系统。

背景技术

船舶运输所带来的环境污染问题日益突出，据测算，2013年全国船舶二氧化硫排放量约占全国排放总量的8.4％，氮氧化物排放量占11.3％。因此，我国设立了船舶排放控制区，制定了较为严格的排放标准。为了适应船舶排放控制区的新规定，目前大量船舶面临升级改造，在排放控制区内换上低硫油或是加装柴油尾气减排装置，同时需要考虑在船舶上加装岸电并网装置。以上方式成本投入大，尾气减排装置尺寸大，需要催化转换器系统，加装岸电并网装置还需要考虑船舶电网和岸电并网的匹配性。目前国内岸电厂家生产的大多数都是低压岸电设备，类似于低压交流充电桩，没有并网装置，很多岸电设施处于建的不少、用的不多的尴尬境地。

发明内容

本发明的一个目的在于采用一种新型节能的手段，对现有船舶进行改造，使其满足排放需求。

本发明首先提供了一种轴发电机控制系统，包括：直流母线；轴发电机，所述轴发电机通过第一变频器与所述直流母线连接；电池组，所述电池组通过直流变换器与所述直流母线连接。

可选地，还包括岸电接口，所述岸电接口通过整流器与所述直流母线相连，所述岸电接口与所述整流器之间设置有断路器。

可选地，还包括与所述岸电接口并联的应急发电电源。

可选地，还包括第二变频器，所述第二变频器与所述直流母线相连，用于对船舶上的电力负荷供电。

可选地，所述第二变频器包括并联的多个，分别用于对不同类型的电力负荷进行供电。

可选地，所述电池组与电源管理系统相连。

本发明还提供了一种船舶混合动力系统，包括：减速箱，所述减速箱包括第一传动链和第二传动链，所述第一传动链的输出端与所述第二传动链的输入端相连；柴油机，通过第一离合器与所述第一传动链的输入端相连；上述任一种的轴发电机控制系统，其中，所述轴发电机通过第二离合器与所述第二传动链的输入端相连；螺旋桨，与所述第二传动链的输出端相连。

可选地，所述动力系统的数量为两组或两组以上。

可选地，所述减速箱包括：相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，其中，所述第一齿轮通过所述第一离合器与所述柴油机相连；相互啮合的第三齿轮和第四齿轮，其中，所述第三齿轮通过第二离合器与所述轴发电机相连；相互啮合的第五齿轮和第六齿轮；以及第一连接轴，一端与所述第二齿轮相连，另一端与所述轴发电机相连；第二连接轴，一端与所述第四齿轮相连，另一端与所述第五齿轮相连；第三连接轴，一端与所述第六齿轮相连，另一端与所述螺旋桨相连。

可选地，所述第一齿轮套设于所述第二连接轴上，所述第一齿轮与所述第二连接轴之间无动力传递；所述第三齿轮套设在所述第一连接轴上，所述第三齿轮与所述第二连接轴之间无动力传递。

因此，本发明提供的轴发电机控制系统和船舶混合动力系统，当船舶行驶入排放控制区时，可利用电池组储存的电能推进船舶，基本没有尾气排放，完全满足排放控制区的排放要求。另外，通过设置轴发电机，可有效利用船舶主机(例如，柴油机)的富余功率，使得船舶主机始终保持在较高的燃油效率点上，燃油经济性显著提高，同时极大的增加了船舶主机使用寿命，经济性和环保性得到很大提升。

附图说明

图1为本发明实施例提供的船舶混合动力系统结构图；

图2为本发明实施例提供的减速器的结构图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。

参考图1，本实施例提供了一种轴发电机控制系统10，包括直流母线11、轴发电机12和电池组13。本发明中，“轴发电机”为本领域专业术语，是船舶轴带发电机的简称，可工作于发电状态和电动状态。

轴发电机12通过第一变频器14与直流母线11相连，第一变频器14为AC/DC变频器，当轴发电机12处于发电状态时，第一变频器14将轴发电机12的输出电压转换为稳定的直流电压，并供给到直流母线11；当轴发电机12处于电动状态时，第一变频器14将直流母线11上的电压转换为轴发电机12所需的工作电压，为轴发电机12提供足够的动力。

另外，通过第一变频器14的调节，可方便实现轴发电机12的正反转调节和无极调速，在此基础上，可用定距桨取代船舶的变距桨，大大降低船舶推进系统的成本和故障率。

电池组13通过直流变换器15与直流母线11相连，直流变换器15为DC/DC变换器，直流变换器15用于直流母线11与电池组13之间的电压转换，以方便对电池组13的充放电进行控制。

当船舶行驶在普通海域时，轴发电机12可工作在发电状态(例如，利用船舶主机的富余功率驱动轴发电机12)，轴发电机12产生的电能通过第一变频器14输送到直流母线11，再通过直流变换器15对电池组13进行充电；当船舶行驶入排放控制区之后，轴发电机12可工作在电动状态，即利用电池组13储存的电能驱动轴发电机12，轴发电机12作为电动机驱动船舶螺旋桨50转动，以推进船舶。

通过本发明提供的轴发电机控制系统10，当船舶行驶入排放控制区时，可利用电能进行驱动，基本没有尾气排放，完全满足排放控制区的排放要求。另外，通过设置轴发电机12，可有效利用船舶主机(例如，柴油机40)的富余功率，使得船舶主机始终保持在较高的燃油效率点上，燃油经济性显著提高，同时极大的增加了船舶主机使用寿命，经济性和环保性得到很大提升。

本实施例中，控制系统10还包括岸电接口17，岸电接口17通过整流器18与直流母线11相连。当船舶靠岸后，岸电接口17可与交流岸电连接，交流岸电通过整流器18的整流之后即可向控制系统10的直流侧(图1中直流母线11右侧的部分)供电。本实施例中，当船舶靠岸时，可方便地取用岸电电能，在为电池组13充电的同时还可为船舶上的其他电力负荷63供电，岸电接入简单，不需要考虑配电侧并网的麻烦。

进一步地，岸电接口17与整流器18之间设置有断路器19，以控制交流岸电与整流器18(亦即整个轴发电机控制系统10)之间的通断。

本实施例中，控制系统10还包括第二变频器16，第二变频器16与直流母线11相连，用于对船舶上的电力负荷63供电，这里，“电力负荷”指船舶上除螺旋桨50之外的其他用电设备，例如，船舶起重机、照明设备、暖通设备等。第二变频器16为DC/AC变频器，可将直流母线11上的电压调整为船舶电力负荷63所需的电压。

可选地，第二变频器16的数量为多个，多个第二变频器16之间相互并联，分别用于对不同类型的电力负荷63进行供电。例如，船舶起重机和船舶照明设备对输入电压有不同的需求，这时，可通过不同的第二变频器16进行供电。

可选地，电池组13与电源管理系统61相连，通过电源管理系统61对电池组13进行管理，以使得电池组13工作于稳定、节能的状态。

本实施例中，控制系统10还包括与岸电接口17并联的应急发电电源62，当直流变换器15和/或电池组13失效时，可启动应急发电电源62，为控制系统10进行供电。当船舶需要额外推力时，也可启动应急发电电源62，为轴发电机12提供额外功率，使船舶加速推进。

本实施例还提供了一种船舶混合动力系统1，包括减速箱20、柴油机40、轴发电机控制系统10以及螺旋桨50。

减速箱20包括第一传动链21和第二传动链22，其中，第一传动链21的输出端与第二传动链22的输入端相连；柴油机40通过第一离合器31与第一传动链21的输入端相连；轴发电机12通过第二离合器32与第二传动链22的输入端相连；螺旋桨50与第二传动链22的输出端相连。

通过上述设置，只需控制第一离合器31和第二离合器32的脱开或啮合，即可实现船舶混合动力系统1在下述几种工作模式之间的自由切换：

工作模式1：纯电动模式

第一离合器31脱开，第二离合器32啮合，柴油机40停止工作，轴发电机12作为电动机工作，推进船舶。此时，动力传递顺序为：

电池组13→轴发电机12→第二传动链22→螺旋桨50；和/或

电池组13→直流母线11→电力负荷63。

工作模式2：柴油机推进模式

第一离合器31和第二离合器32均啮合，轴发电机12处于不工作状态(即轴发电机12与直流母线11断开连接)，柴油机40推进船舶。此时，动力传递顺序为：

柴油机40→第一传动链21→第二传动链22→螺旋桨50。

工作模式3：混合动力模式

第一离合器31和第二离合器32均处于啮合状态，柴油机40为原动机，轴发电机12根据柴油机40的功率状态，工作于发电机或电动机状态(轴发电机12与直流母线11电连接)。即当柴油机40功率不足时，轴发电机12工作于电动机状态，以为螺旋桨50提供额外动力；当柴油机40功率富余时，轴发电机12工作于发电机状态，用于吸收柴油机40的富余功率，从而使柴油机40工作于最佳功率点。此时，动力传递顺序为：

柴油机40→第一传动链21→轴发电机12→第二传动链22→螺旋桨50；

其中，当轴发电机12工作于电动机状态时，利用电池组13提供的电能，产生与第一传动链21上的力矩同向的补偿力矩，该补偿力矩与第一传动链21上的力矩叠加之后，传递到第二传动链22，从而使得螺旋桨50接收的力矩大于柴油机40提供的力矩，即此时，轴发电机12的作用在于为螺旋桨50提供额外动力；

当轴发电机12工作于发电机状态时，利用柴油机40的富余功率，产生与第一传动链21上的力矩反向的阻力矩，此时，螺旋桨50接收的力矩小于柴油机40提供的力矩；该阻力矩驱动轴发电机12发电，产生的电能可以通过直流母线11传递到电池组13储存起来，也可以为船舶上的电力负荷63进行供电。

通过对第一变频器14、直流变换器15的控制，可使得轴发电机12工作于电动机状态或发电机状态，从而可以对柴油机40的富余功率进行有效利用，使得柴油机40始终工作于最佳功率点，节能环保。

工作模式4：纯发电模式

第一离合器31啮合，第二离合器32脱开，轴发电机12作为发电机工作，船舶停止推进。此时，动力传递顺序为：

柴油机40→第一传动链21→轴发电机12→直流母线11→电池组13和/或电力负荷63。

本实施例中，在机械结构上，仅需要控制两个离合器的啮合与脱开，即可实现4种工作模式之间的无缝切换，操作便捷、设计巧妙。

本发明中，可以包括多组动力系统1。本实施例中，动力系统1的数量为两组，即本实施例中，包括两组柴油机40、减速箱20、轴发电机控制系统10等组成的混合动力系统1。通过该设置，可使得船舶在工作区域内边推进边发电。

例如，当船舶(特别是海工船舶，例如海洋平台)在工作区域需要短途移动但同时需要长时间的电力时，可使得一组动力系统1专门用于供电，另一组动力系统1专门用于推进。例如，利用第一组动力系统1进行供电，即脱开第一组动力系统1上的第二离合器32，使该组动力系统1的柴油机40驱动轴发电机12发电，为船舶上电力负荷63提供电能；利用第二组动力系统1用于推进，即通过该组动力系统1的柴油机40和/或轴发电机12驱动螺旋桨50，使船舶进行短途移动。

参考图2，本实施例中，减速箱20包括：

相互啮合的第一齿轮211和第二齿轮212，其中，第一齿轮211通过第一离合器31与柴油机40相连；

相互啮合的第三齿轮223和第四齿轮224，其中，第三齿轮223通过第二离合器32与轴发电机12相连；

相互啮合的第五齿轮225和第六齿轮226；

第一连接轴23，一端与轴发电机12相连，另一端与第二齿轮212相连；

第二连接轴24，一端与第四齿轮224相连，另一端与第五齿轮225相连；

第三连接轴25，一端与第六齿轮226相连，另一端与螺旋桨50相连。

即，本实施例中，第一传动链21的传动顺序为：(柴油机40→第一离合器31)→第一齿轮211→第二齿轮212→第一连接轴23→(轴发电机12)；

第二传动链22的传动顺序为：(轴发电机12→第二离合器32)→第三齿轮223→第四齿轮224→第二连接轴24→第五齿轮225→第六齿轮226→第三连接轴25→(螺旋桨50)。

在本实施例中，仅通过3对(6个)齿轮即可实现上文中4种工作模式的传动需求，结构简单紧凑，设计巧妙。

进一步地，第一齿轮211套设在第二连接轴24上，但第一齿轮211与第二连接轴24之间不传递转矩(例如，第一齿轮211通过轴承套设在第二连接轴24上)，即第二连接轴24对第一齿轮211仅起支撑作用，可使得减速箱20结构更为紧凑。

进一步地，第三齿轮223套设在第一连接轴23上，但第三齿轮223与第一连接轴23之间不传递转矩(例如，第三齿轮223通过轴承套设在第一连接轴23)，即第一连接轴23对第三齿轮223仅起支撑作用，进一步简化减速箱20的结构。

综上所述，本发明提供的上述实施例仅例示本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种轴发电机控制系统，其特征在于，包括：

直流母线；

轴发电机，所述轴发电机通过第一变频器与所述直流母线连接；

电池组，所述电池组通过直流变换器与所述直流母线连接。

2.根据权利要求1所述的轴发电机控制系统，其特征在于，还包括岸电接口，所述岸电接口通过整流器与所述直流母线相连，所述岸电接口与所述整流器之间设置有断路器。

3.根据权利要求2所述的轴发电机控制系统，其特征在于，还包括与所述岸电接口并联的应急发电电源。

4.根据权利要求1所述的轴发电机控制系统，其特征在于，还包括第二变频器，所述第二变频器与所述直流母线相连，用于对船舶上的电力负荷供电。

5.根据权利要求4所述的轴发电机控制系统，其特征在于，所述第二变频器包括并联的多个，分别用于对不同类型的电力负荷进行供电。

6.根据权利要求1所述的轴发电机控制系统，其特征在于，所述电池组与电源管理系统相连。

7.一种船舶混合动力系统，其特征在于，包括：

减速箱，所述减速箱包括第一传动链和第二传动链，所述第一传动链的输出端与所述第二传动链的输入端相连；

柴油机，通过第一离合器与所述第一传动链的输入端相连；

如权利要求1～6任一所述的轴发电机控制系统，其中，所述轴发电机通过第二离合器与所述第二传动链的输入端相连；

螺旋桨，与所述第二传动链的输出端相连。

8.根据权利要求7所述的轴发电机控制系统，其特征在于，所述动力系统的数量为两组或两组以上。

9.根据权利要求7所述的船舶混合动力系统，其特征在于，所述减速箱包括：

相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，其中，所述第一齿轮通过所述第一离合器与所述柴油机相连；相互啮合的第三齿轮和第四齿轮，其中，所述第三齿轮通过第二离合器与所述轴发电机相连；相互啮合的第五齿轮和第六齿轮；以及

第一连接轴，一端与所述第二齿轮相连，另一端与所述轴发电机相连；

第二连接轴，一端与所述第四齿轮相连，另一端与所述第五齿轮相连；

第三连接轴，一端与所述第六齿轮相连，另一端与所述螺旋桨相连。

10.根据权利要求9所述的船舶混合动力系统，其特征在于，所述第一齿轮套设于所述第二连接轴上，所述第一齿轮与所述第二连接轴之间无动力传递；所述第三齿轮套设在所述第一连接轴上，所述第三齿轮与所述第二连接轴之间无动力传递。