专利名称：混合动力船舶电力推进系统及实施方法
技术领域：
本发明涉及船舶电力推进系统技术领域，特别是涉及一种混合供电的船舶电力推 进系统，本发明还涉及该混合供电的船舶电力推进系统实施方法。
背景技术：
电力推进系统是一种先进的船舶推进方式。这种推进方式能够提高船舶的技术经 济性能，具有操纵性能好，降低船舶的废气排放、减少船舶的燃料能源消耗等节能环保的特 点，同时可以获得较好的动力特性。中国专利201010300192. χ公开了一种包括柴油机-发 电机组(简称柴电机组，以下均采用此简称)、配电系统、推进电动机及推进器的电力推进 系统；中国专利200810034693.0公开了一种电力推进船舶的控制装置及其控制方法。上述 专利中，其电力推进船舶的主动力电源均为常规的柴电机组。柴电机组长期恒速运行在高 负荷率状态下，可以避免其在低速或怠速推进工况时的高耗油与冒黑烟现象。但是在本质 上，这种柴电机组供电的电力推进系统只能有限降低但不能根本消除船舶的废气排放。为了实现电力推进船舶的废气零排放，发展以清洁能源为主动力电源的绿色船 舶。中国专利200710036259. 1公开了一种基于超级电容混合动力的船舶电力推进系统，其 供电系统包括与推进控制系统相连的超级电容组以及电池堆；中国专利200820155772. 2 公开了一种用于船舶电力推进系统的供电系统，其供电系统包括与推进控制系统相连的超 级电容组以及电池堆。上述专利中以蓄电池和超级电容作为船舶电力推进系统的主动力电 源，取消了常规的柴电机组，使得船舶自身可实现废气的零排放。但是，作为船舶主电源的 超级电容和蓄电池需经岸上充电储能，在航行中一旦超级电容和蓄电池的储能用尽或自身 发生故障，则会导致船舶失去动力，造成严重的船舶航行安全事故；其次，船舶正常航行中 一般不会产生可回收的电力推进系统的制动动能，因此超级电容在系统中的意义并不大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的缺陷而提出的一种适 用于内河中小型船舶的，以动力电池作为电力推进系统的主电源、以柴电机组作为辅助电 源的混合供电模式的船舶电力推进系统。船舶靠泊停航时，由岸电对动力电池进行充电， 储存电能；正常航行时，由动力电池对电力推进系统供电；航行中一旦动力电池的储能用 尽或发生故障，则辅助柴电机组自动起动投入运行，继续为电力推进系统供电，维持船舶航 行；在应急状态下，动力电池与柴电机组联合为电力推进系统供电，以保证船舶的航行安 全。本发明还提供了该种船舶电力推进系统的实施方法。本发明所要解决的技术问题可通过如下技术手段来实现一种混合动力船舶电力推进系统，整个系统包括了构成一次电网的岸电接入系统 和混合电源系统、电源切换系统、构成二次电网的电力推进系统以及构成三次电网的其它 用电负荷系统；所述混合电源系统包括相互连接的动力电池主电源和柴电机组辅助电源， 混合电源系统与岸电接入系统连接，所述电力推进系统与其它用电负荷系统通过电源切换系统与混合电源系统连接。所述动力电池主电源包括依次连接的动力电池组、充电控制器和充电开关，所述 柴电机组辅助电源包括连接的柴电机组和合闸/分断主开关；所述岸电接入系统包括连接 的岸电接电箱和岸电接入主开关，所述岸电接入主开关与充电开关连接，所述充电开关与 合闸/分断主开关连接，并最终连接电源切换系统。所述电源切换系统包括依次连接的柴电机组电源变换开关、电源变换器、柴电机 组供电主开关以及连接的电源变换器、动力电池供电主开关，所述柴电机组电源变换开关 连接混合电源系统的充电开关和合闸/分断主开关，所述电源变换器与动力电池组连接， 所述柴电机组供电主开关与动力电池供电主开关连接，并最终连接电力推进系统与其它用 电负荷系统。所述电力推进系统包括两组或一组依次连接的推进电动机及其推进器、推进电动 机调速控制器和推进电动机负荷开关，所述两个或一个推进电动机负荷开关与电源切换系 统连接。一种所述混合动力船舶电力推进系统的实施方法，包括如下步骤A.停航时岸电供电船舶靠泊停航后，岸电接入系统连接岸上的岸电插座给动力 电池主电源充电，当动力电池主电源充满电后，停止充电；B.航行时电源供电，有三种供电方式，这三种供电方式的实施方法为a.动力电池供电，船舶航行时，只打开动力电池与电源切换系统的连接，并使电源 切换系统与电力推进系统或其它用电负荷系统连接，此时为动力电池供电模式；b.柴电机组供电，船舶航行时，只打开柴电机组与电源切换系统的连接，并使电源 切换系统与电力推进系统或其它用电负荷系统连接，此时为柴电机组供电模式；c.动力电池与柴电机组联合供电，船舶航行时，同时打开动力电池以及柴电机组 与电源切换系统的连接，并使电源切换系统与电力推进系统或其它用电负荷系统连接，此 时为动力电池与柴电机组联合供电模式。本发明提出的以动力电池为主电源，辅以柴电机组的混合供电方式推进船舶，可 实现船舶废气、废水零排放，同时产生较显著的节能、节支效果。而且动力电池与柴电机组 的混合供电方式又保证了船舶的航行安全，提高了船舶的续航性能。
图1为本发明系统组成结构图。图2为本发明岸电供电状态图示。图3为本发明动力电池供电状态图示。图4为本发明柴电机组供电状态图示。图5为本发明动力电池与柴电机组联合供电状态图示。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合具体图示，进一步阐述本实用新型。(1)动力电池混合供电的电力推进系统的组成结构
如图1所示，动力电池混合供电的船舶电力推进系统在电路结构上主要由供电系 统的一次电网111、电力推进负荷的二次电网211和其它用电负荷的三次电网311组成；包 括了岸电接入系统411、混合电源系统511、电源切换系统611、电力推进系统711以及其它 用电负荷系统811。根据船舶电力推进系统的设计和配置的具体要求，一次电网111和二次 电网211可以是交流电网也可以是直流电网，三次电网311 —般为交流电网。岸电接入系统411通过岸电接电箱1和岸电接入主开关2接入岸电。当充电开关 7合闸时，可为船舶靠泊状态下的动力电池组5充电储能。混合电源系统511由动力电池组5、充电控制器6和充电开关7组成动力电池主电 源，以及由柴电机组4和合闸/分断主开关3组成柴电机组辅助电源。正常航行时，由动力 电池组5为电力推进系统711和其它用电负荷系统811供电。当动力电池组5的储能用完 或发生故障时，可改由柴电机组4供电，以保证船舶的航行安全。电源切换系统611由柴电机组电源变换开关8、电源变换器9、柴电机组供电主开 关10，以及电源变换器11、动力电池供电主开关12组成。电力推进系统711由电力推进电动机及其推进器17和18、推进电动机的调速控制 器13和15、推进电动机负荷开关14和16组成，调速控制器13和15可根据航行时的推进 控制要求分别对推进电动机17和18实施调速控制。上述这种组成结构是左右舷双推进系 统结构，而在单推进系统情况下，电路结构可简化为单一系统。其它用电负荷系统811包括了除电力推进负荷以外的船舶用电负荷。(2)系统运行状态动力电池混合供电的船舶电力推进系统，其运行状态有四种①停航时岸电供电 状态，②航行时动力电池供电状态，③航行时柴电机组供电状态，④航行时动力电池与柴电 机组联合供电状态。①停航时岸电供电状态船舶靠泊停航后，利用码头岸电对动力电池组充电储能，使船舶在下一次开航时 具备充足的电能。岸电供电状态如图2所示。岸电接电箱1连接岸电接插座，岸电主开关 2合闸，动力电池充电开关7合闸，通过充电控制器6，为船舶靠泊状态下的动力电池组5充 电储能。充电控制器6实时检测动力电池组的储能量，当电池组5的储能量低于一规定阈 值(如50%额定容量)时，进行恒流充电控制；而当电池组5的储能量高于一规定阈值(如 85%额定容量)时，进行恒压充电控制。充电控制器6带有控制指示屏可供操作。②航行时动力电池供电状态船舶航行时，由动力电池组5对二次电网211实施供电。动力电池供电状态如图 3所示。主开关12合闸而10分断，由动力电池组5通过电源变换器11向二次电网211供 电。电力推进系统的负荷开关14和16合闸，根据电力推进控制要求，通过调速控制器13 和15分别对推进电动机17和18实施调速控制。③航行时柴电机组供电状态船舶航行时，当动力电池组5的蓄能量低于一规定阈值(如10%额定容量)时，或 当动力电池组5发生故障不能维持供电时，将发出报警。此时系统将切换动力源，由柴-电 机组4自动替换动力电池组5。柴-电机组供电状态如图4所示。主开关12分断而10合闸，由柴-电机组4通过电源变换器9向二次电网211供电。电力推进系统的负荷开关14 和16合闸，根据电力推进控制要求，通过调速控制器13和15分别对推进电动机17和18 实施调速控制。此外，在柴-电机组4向二次电网211保证供电的同时，剩余电力通过充电 开关7和充电控制器6向动力电池组5充电。④航行时动力电池与柴电机组联合供电状态船舶航行时，在紧急情况下可以使动力电池组5与柴电机组4联合向二次电网211 供电，以保证对电力推进系统供电的可靠性。动力电池与柴电机组联合供电状态如图5所 示。主开关12和10均合闸，由柴-电机组4通过电源变换器9、动力电池组5通过电源变 换器11共同向二次电网211供电。电力推进系统的负荷开关14和16合闸，根据电力推进 控制要求，通过调速控制器13和15分别对推进电动机17和18实施调速控制。(3)应用实施由图1所示的动力电池混合供电的船舶电力推进系统，其动力电池组5应是免维 护的高密度锂离子蓄电池，也可以是镍氢蓄电池、镍镉蓄电池，或铅酸蓄电池等。柴-电机 组4可以是交流发电机组，也可以是直流发电机组。电力推进系统的推进电动机13和15 可以是交流同步电动机或交流异步电动机，也可以是直流电动机。因此，应用实施时，可根 据具体要求进行系统配置，有以下四种实施例。①实施例一一次电网和二次电网均为交流的电力推进系统当一次电网111和二次电网211设计为相同频率、相同电压的交流电网时，柴-电 机组4配置为交流发电机组。此时可省去电源变换器9和相应的开关8，而动力电池充电器 6应是输出电流或输出电压可控的AC/DC变流器(整流器)。电源变换器11应是输出电压 和输出频率恒定的DC/AC变换器(交流逆变器)。电力推进系统的推进电动机13和15配 置为交流同步电动机或交流异步电动机，相应的调速控制器13和15应是输出电压和频率 可控的AC/AC变换器(交流变频器)。这是一种典型的交流电力推进船舶的应用实施。②实施例二 一次电网和二次电网均为直流的电力推进系统当一次电网111和二次电网211设计为相同电压的直流电网时，柴-电机组4配 置为直流发电机组。此时可省去电源变换器9和相应的开关8，而动力电池充电器6应是输 出电流或输出电压可控的DC/DC变流器(直流变流器)。而电源变换器11应是输出电压恒 定的DC/DC变换器(直流变流器)。电力推进系统的推进电动机13和15配置为直流电动 机，相应的调速控制器13和15应是输出电压可控的DC/DC变换器(直流调压器)。这是一 种典型的直流电力推进船舶的应用实施。③实施例三一次电网为直流二次电网为交流的电力推进系统当一次电网111设计为直流电网而二次电网211设计为交流电网时，柴-电机组 4配置为直流发电机组。此时电源变换器9和11应是输出电压和频率恒定DC/AC变换器 (交流逆变器)。而动力电池充电器6应是输出电流或输出电压可控的DC/DC变流器(直 流变流器)。电力推进系统的推进电动机13和15配置为交流同步电动机或交流异步电动 机，相应的调速控制器13和15应是输出电压和频率可控的(交流变频器)。④实施例四一次电网为交流二次电网为直流的电力推进系统当一次电网111设计为交流电网而二次电网211设计为直流电网时，柴-电机组 4配置为交流发电机组。此时电源变换器9应是输出电压恒定的AC/DC变换器(整流器)。电源变换器11应是输出电压恒定的DC/DC变换器(直流变流器)。而动力电池充电器6应 是输出电流或输出电压可控的AC/DC变流器(整流器)。电力推进系统的推进电动机13和 15配置为直流电动机，相应的调速控制器13和15应是输出电压可控的DC/DC变换器(直 流调压器)。 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等同物界定。
权利要求
1.一种混合动力船舶电力推进系统，其特征在于，整个系统包括了构成一次电网的岸 电接入系统和混合电源系统、电源切换系统、构成二次电网的电力推进系统以及构成三次 电网的其它用电负荷系统；所述混合电源系统包括相互连接的动力电池主电源和柴电机组 辅助电源，混合电源系统与岸电接入系统连接，所述电力推进系统与其它用电负荷系统通 过电源切换系统与混合电源系统连接。
2.如权利要求1所述混合动力船舶电力推进系统，其特征在于，所述动力电池主电源 包括依次连接的动力电池组、充电控制器和充电开关，所述柴电机组辅助电源包括连接的 柴电机组和合闸/分断主开关；所述岸电接入系统包括连接的岸电接电箱和岸电接入主开 关，所述岸电接入主开关与充电开关连接，所述充电开关与合闸/分断主开关连接，并最终 连接电源切换系统。
3.如权利要求2所述混合动力船舶电力推进系统，其特征在于，所述电源切换系统包 括依次连接的柴电机组电源变换开关、电源变换器、柴电机组供电主开关以及连接的电源 变换器、动力电池供电主开关，所述柴电机组电源变换开关连接混合电源系统的充电开关 和合闸/分断主开关，所述电源变换器与动力电池组连接，所述柴电机组供电主开关与动 力电池供电主开关连接，并最终连接电力推进系统与其它用电负荷系统。
4.如权利要求1或2或3所述混合动力船舶电力推进系统，其特征在于，所述电力推进 系统包括两组或一组依次连接的推进电动机及其推进器、推进电动机调速控制器和推进电 动机负荷开关，所述两个或一个推进电动机负荷开关与电源切换系统连接。
5.一种如权利要求1所述混合动力船舶电力推进系统的实施方法，其特征在于，包括 如下步骤A.停航时岸电供电船舶靠泊停航后，岸电接入系统连接岸上的岸电插座给动力电池 主电源充电，当动力电池主电源充满电后，停止充电；B.航行时电源供电，有三种供电方式，这三种供电方式的实施方法为a.动力电池供电，船舶航行时，只打开动力电池与电源切换系统的连接，并使电源切换 系统与电力推进系统或其它用电负荷系统连接，此时为动力电池供电模式；b.柴电机组供电，船舶航行时，只打开柴电机组与电源切换系统的连接，并使电源切换 系统与电力推进系统或其它用电负荷系统连接，此时为柴电机组供电模式；c.动力电池与柴电机组联合供电，船舶航行时，同时打开动力电池以及柴电机组与电 源切换系统的连接，并使电源切换系统与电力推进系统或其它用电负荷系统连接，此时为 动力电池与柴电机组联合供电模式。
全文摘要
本发明公开的一种适用于内河中小型船舶的，以动力电池作为电力推进系统主电源、以柴电机组作为辅助电源的混合动力船舶电力推进系统及实施方法。船舶靠泊停航时，由岸电对动力电池进行充电，储存电能；正常航行时，由动力电池对电力推进系统供电；航行中一旦动力电池的储能用尽或发生故障，则辅助柴电机组自动起动投入运行，继续为电力推进系统供电，维持船舶航行；在应急状态下，动力电池与柴电机组联合为电力推进系统供电，以保证船舶的航行安全。本发明的系统和实施方法可实现船舶废气、废水零排放，同时产生较显著的节能、节支效果。而且动力电池与柴电机组的混合供电方式又保证了船舶的航行安全，提高了船舶的续航性能。
文档编号B63H21/20GK102120488SQ20111005368
公开日2011年7月13日 申请日期2011年3月7日 优先权日2011年3月7日
发明者周贤文, 沈爱弟, 顾伟, 黄西霞, 黄辉 申请人:上海海事大学