船舶柴电混合动力控制装置的制作方法

本发明涉及船舶动力控制领域，尤其涉及一种船舶柴电混合动力控制装置。

背景技术：

目前，国内少数厂商已开始设计用于柴电混合动力系统的控制设备，但没有涉及电机在转速、转矩、发电多种模式切换，没有涉及到电网系统的管理和保护，更没有将动力系统、电网系统的控制和管理等进行系统的设计。

国外公司，如cat等，通过与一些电气设备供应商合作，提出了船舶柴电混合动力装置控制和安保系统的整体解决方案，并已得到一定的应用，但限于商业秘密，国外未见公开发表的相关技术文献，仅见各大公司描述性介绍资料。

技术实现要素：

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了至少部分解决上述的问题，本发明公开了一种船舶柴电混合动力控制装置，包括：

动力输出模块，其与螺旋桨连接；

动力控制模块，其与所述动力输出模块电连接，用于控制所述动力输出模块；

能量供应和储存模块，其与所述动力输出模块电连接，用于向所述动力输出模块提供电能，并储存所述动力输出模块输出的电能；

能量管理模块，其与所述能量供应和储存模块连接，用于对所述能量供应和储存模块的各组成设备进行能量分配。

在本实施方式中，所述动力输出模块包括依次连接的柴油机、离合器和电机，所述电机的输出端与所述螺旋桨连接。

在本实施方式中，所述船舶柴电混合动力控制装置还包括变频控制模块，所述变频控制模块与所述电机电连接，用于控制所述电机的运行模式和工作状态，所述能量管理模块与所述变频控制模块电连接。

在本实施方式中，所述动力控制模块包括模式切换控制装置，连接到所述柴油机和所述离合器并控制所述离合器的断开和接合，从而在不同的运行模式之间切换；和

并车控制装置，连接到所述柴油机和所述变频控制模块，用于在所述柴油机和所述电机并车驱动时进行两者之间的负荷分配。

在本实施方式中，所述电机为可逆电机，所述可逆电机与所述能量供应和储存模块电连接，所述能量供应和储存模块用于向所述可逆电机供能或储存所述可逆电机输出的电能。

在本实施方式中，所述变频控制模块包括变频驱动控制装置；和

四象限变频器，与所述变频驱动控制装置电连接，并连接在所述电机和所述能量供应和储存模块之间。

在本实施方式中，所述船舶柴电混合动力控制装置还包括动力安保控制模块和电力安保控制模块，所述动力安保控制模块设置在所述动力控制模块内，所述电力安保控制模块设置在所述能量管理模块内。

通过该船舶柴电混合动力控制装置，能够实现混合动力的模式切换和控制、并车控制、电能管理和分配等功能，并可极大提高了装置的自动化程度，增强装置的安全性、可靠性。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1为本发明的实施例公开的一种船舶柴电混合动力控制装置的结构连接示意图；

图2为本发明的实施例中的并车流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

图1为根据本发明的实施例的一种用于船舶的船舶柴电混合动力控制装置10的示意图。在图1中，船舶柴电混合动力控制装置10可以包括：动力输出模块11，其与螺旋桨16及轴系连接；动力控制模块12，其与动力输出模块11电连接，用于控制动力输出模块11；能量供应和储存模块13，其与动力输出模块11电连接。能量供应和储存模块13可以包括储能电池131和辅柴油发电机组132。储能电池131以及辅柴油发电机组132可用于向动力输出模块11中电机113供能，以及储能电池131可以储存动力输出模块11中电机113输出的电能；能量管理模块14，其分别与动力控制模块12及能量供应和储存模块13电连接，用于对能量供应和储存模块13进行能量管理。

该船舶柴电混合动力控制装置10能够实现混合动力的模式切换和控制、并车驱动控制、电能管理和分配等功能，并可极大提高了装置的自动化程度，增强装置的安全性、可靠性，具有运行模式齐全、切换控制灵活、人机界面友好、可定制化程度高、冗余度高、安全可靠等优点。

为了使本领域的技术人员能在本申请公开的内容的基础上实施本专利，以下将对上述的各模块及其之间的配合关系做具体地说明。

动力输出模块11用于为螺旋桨16提供驱动力。动力输出模块11可以包括依次连接的柴油机111、离合器112和电机113，例如，柴油机111、离合器112和电机113之间可以通过高弹性联轴器、传动轴等连接，即电机113的输出轴与螺旋桨16的轴系相连接，电机113的输入轴可与离合器112的一端相连接，离合器112的另一端与柴油机111的输出轴相连接。离合器112可以切换动力的输出方式，如将动力输出方式调整为柴电、单柴或者单电，以实现运行模式的切换。具体地，当离合器112接合且柴油机111和电机113都开启时为柴电模式，此时柴油机111和电机113共同输出动力；当离合器112接合但电机113不启动时为单柴模式，此时仅柴油机111输出动力；当离合器112断开且只有电机113开启时为单电模式，只有仅电机113输出动力。

电机113可以为可逆电机并可以包括多个，进而组合为电机组。电机组可以与能量供应和储存模块13电连接。能量供应和储存模块13可以包括储能电池131，其可以用于向可逆电机113供能或储存可逆电机113输出的电能。例如，当仅采用柴油机111作为动力源输出时，电机113可以作为发电机，此时柴油机111带动发电机转动，进而柴油机111输出的部分能量被回收，并将其储存在能量供应和储存模块13中；当采用柴电混合作为动力源时，能量供应和储存模块13向电机113供能。同样，柴油机111和离合器112也可以为多个，进而能同时带动一个或者多个螺旋桨16。

动力控制模块12与动力输出模块11和变频控制模块15电连接，用于控制动力输出模块11的工作模式。动力控制模块12可以包括模式切换控制装置121和并车控制装置122。模式切换控制装置121可用于控制柴油机111和离合器112，进而在不同的运行模式之间切换。并车控制装置122控制柴油机111和变频控制模块15。例如，当需要从柴电混合模式切换到单电模式时，模式切换控制装置121可以分别向与其电连接的柴油机111以及离合器112发送控制信号，离合器112接收到控制信号后断开，柴油机111接收到控制信号后停机；模式切换控制装置121可以向与其电连接的变频控制模块15发送控制信号，变频控制模块15收到控制信号后控制四象限变频器152由转矩控制模式切换为转速控制模式，进而实现从柴电混合切换到单电模式。其它的模式与其相似，即动力控制模块12通过控制离合器112的接合或断开，柴油机111和电机113的起动和停止，以及四象限变频器152的转速或转矩控制模式、电动或发电控制模式来实现动力模式的切换。同时，动力控制模块12还可以控制动力输出模块11的输出方式、输出功率、扭矩或者转速等。

变频控制模块15可以与电机113电连接，用于通过改变输入到电机113的电流、频率等参数来改变电机113的输出功率及扭矩。变频控制模块15可以包括变频驱动控制装置151和与其电连接的四象限变频器152。四象限变频器152是用igbt可控有源整流替代普通变频器的二极管不可控整流的一种调速装置。由于整流部分实现了输入侧电流的双向流动，电机系统可工作在电动状态和发电状态。与普通变频器相比，具有节能，消除对电网谐波污染等优势。

四象限变频器152可以连接在电机113和能量供应和储存模块13之间并通过四象限变频器152改变提供给电机113的电能的频率或功率，进而控制电机113的功率以及扭矩的输出。进一步地，变频驱动控制装置151可以与四象限变频器152集成为一个变频控制系统，作为对变频功能的补充以及实现安保功能。变频驱动控制装置151可以实现如下功能：控制部位选择、推进系统启动/停止、推进电机保护、馈电开关控制、变频器内部监测和控制、越控功能、紧急停车、功率限制以及转速与转矩控制，进而在变频功能的基础上实现更多的功能。

现在参照图2来解释船舶柴电混合动力控制装置10的并车控制。当将工作模式由单独的柴油机111提供动力切换到柴电混合模式时，模式切换控制装置121开始工作。

具体地，首先确定离合器112处于接合状态，柴油机111处于运行状态，电机113跟随柴油机111转动，变频控制模块15由船舶柴电混合动力控制装置10控制。然后，变频控制模块15上电，自检完成后向装置发出变频控制模块15准备就绪信号。准备状态确认后，操作人员在动力控制模块12的模式切换板上选择混合推进模式，并按下确认按钮，混合推进指示灯闪烁。船舶柴电混合动力控制装置10的动力控制模块12将控制信号发送给变频驱动控制装置151，变频驱动控制装置151向能量管理模块14发出重载问询。当能量管理模块14不允许重载时，检查能量管理模块14的控制模式，开启多组电机113如果不能开启，则发出报警信号，如果能开启，则重新判断能量管理模块14重载是否允许。当允许重载时，变频驱动控制装置151将控制信号发送给变频器152。装置经变频驱动控制装置151向变频器152发出变频器起动信号，变频器152预充电，预充电完成后向配电板发出合闸指令。其中，变频器152的中间直流环节中的电解电容在没有建立电压前，充电电流非常大，可能损害变频器152，所以为了限制充电电流，必须增加预充电过程。最后，变频器152反馈变频器运行信号给变频驱动控制装置151，混合推进指示灯点亮，并车操作完成，柴油机111与电机113共同提供动力。

在本实施方式中，并车控制装置122可以与动力控制模块12以及变频控制模块15电连接。在模式切换控制装置121进行并车控制后，柴油机111与电机113并车运行，并车控制装置122用于对柴油机111与电机113的负荷进行分配，从而保证柴油机111以及电机113的负荷均衡，进而保证船舶柴电混合动力控制装置10工作的稳定。其中，柴油机111与电机113的并车及负荷分配需充分考虑选配柴油机111、电机113的技术特点、性能参数并结合船舶电站的容量。当动力控制模块12将装置切换到柴电混合的动力模式后，柴油机111与电机113并车运行。并车控制装置122可以根据控制手柄的位置、外部负载的实际情况，确定柴油机111以及电机113的转速，以及电机113的扭矩，然后通过动力控制模块12以及变频控制模块15给定电机113的输出扭矩，进而改变柴油机111以及电机113分别承担的负荷。

此时，能量管理模块14根据电机需要的功率，控制能量供应和储存模块13提供相应的功率，并协调辅柴油发电机组132、储能电池131、太阳能光伏系统133或超级电容等其它能源供应设备提供相应能量。此外，船舶柴电混合动力控制装置10的能量管理模块14不仅有常规辅柴油发电机组132的电能管理，还可对电机113发出的电能、储能电池131提供的电能、与能量供应和储存模块13并联的太阳能光伏系统133提供的电能等进行统一管理。

负荷分配的方式主要有根据功率比例动态分配、先由电机113输出转矩以及先由柴油机111承担负荷等几种方式。对于动态分配的方式，由于柴油机111和电机113的机械特性和电气特性相差较大，在工程项目中较易出现系统振荡、难以稳定的情况。因此，可以根据柴油机111和电机113功率的关系、船舶的运行工况等综合考虑，进而通过能量管理模块14以及四象限变频器152确定负荷分配的方式。

在本发明公开的一可选的实施方式中，船舶柴电混合动力控制装置10还包括动力安保控制模块和电力安保控制模块，动力安保控制模块可以集成设置在动力控制模块12内，电力安保控制模块集成设置在能量管理模块14内。动力安保控制模块安保策略的控制核心是遥控系统中央单元以及驱动控制单元。电力安保控制模块由能量管理模块14及配电板ppu等实现。

综合上述的内容可以看出，本发明公开的一种船舶柴电混合动力控制装置10，其能够适应船舶柴电混合动力装置多种复杂工况的运行需要，并可极大提高了装置的自动化程度，增强装置的安全性、可靠性。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。