为了具有竞争力，各种类型的舰船都试图尽可能地降低操作成本。如果主引擎具有足够的和基本上恒定的功率需求，则主引擎操作效率最高，但是这除了在平静条件下之外都很难实现。在海面状况复杂的情况下，移动船舶所需的能量在波浪的峰与谷之间变化，或者经常以类似于正弦波的循环方式增长。舰船需要具有足够的功率来应付最大的预期功率需求，但是该功率在循环的其他部分不被使用。
根据本发明的第一方面，用于控制去往和来自船舶的推进系统的动力供应的船舶能量管理系统包括：适于接收来自船舶的原动机的功率的电动机/发电机单元；频率转换器；能量存储单元和控制器；其中，能量存储单元包括：一个或多个电容器、超级电容器或超电容器、诸如电池之类的化学能量存储装置、或飞轮能量存储装置；其中，能量管理系统的控制器确定推进系统的瞬时功率需求和由原动机所生成的平均功率；比较器，用以比较瞬时所需功率和平均功率；其中，如果瞬时所需功率超过平均功率，则电动机/发电机单元接收来自能量存储单元的能量；并且其中，如果瞬时所需功率小于所述平均功率，则电动机/发电机单元将来自原动机的功率供应给能量存储单元。
平滑需求波峰和波谷允许主引擎更高效地操作并降低磨损。
优选地，系统还包括来自船舶的主配电盘的输入，由此如果所需功率超过平均功率，则电动机/发电机单元除了来自原动机能量之外，还经由主配电盘接收来自辅助发电机的能量或者接收来自能量存储单元的能量。
如果需要，可以从辅助发电机供应附加的能量。
优选地，该系统还包括到船舶的主配电盘的输入，由此如果推进系统的功率需求小于平均功率，则主配电盘接收经由能量管理系统来自原动机或能量存储单元的能量。
如果存在来自原动机或能量存储单元的过剩能量，则该过剩能量可被供应给主配电盘。
优选地，能量存储单元还包括斩波器，用以控制电容器、超级电容器或超电容器、诸如电池之类的化学能量存储装置、或飞轮能量存储装置的充电和放电的速率。
优选地，该系统还包括在轴上离合器，用以在原动机单独为主配电盘供电时断开推进器。
根据本发明的第二方面，一种用于控制去往和来自船舶的推进系统的动力供应的船舶能量管理方法包括：在电动机/发电机单元处接收来自船舶的原动机的功率；确定船舶的推进系统的功率需求；确定由原动机所生成的平均功率；比较瞬时所需功率和平均功率；如果所需功率超过平均功率，则使得电动机/发电机单元接收来自能量存储单元的电容器、超级电容器或超电容器、诸如电池之类的化学能量存储装置、或飞轮能量存储装置的能量；如果所需功率小于平均功率，则使得电动机/发电机单元将来自原动机的功率供应给能量存储装置的电容器、超级电容器或超电容器、诸如电池之类的化学能量存储装置、或飞轮能量存储装置供电单元；在不同的海洋状况下监测所需的瞬时功率和平均功率并且相应地适配。
优选地，该方法还包括：如果所需功率超过平均功率，则在电动机/发电机单元处经由船舶的主配电盘接收来自辅助发电机的功率。
如果推进系统需要的能量比原动机或能量存储单元可用的能量更多，那么能量管理系统可以馈送来自被连接到主配电盘的辅助发电机的功率。
优选地，该方法还包括：如果所需功率小于平均功率，则将来自原动机的功率输入到船舶的主配电盘。
如果推进系统的能量需求小于来自原动机可用的功率，则能量管理系统可以将来自原动机或能量存储单元中的一个或两个的功率向主配电盘馈送，使得主配电盘可以供应给其耗电设施。
优选地，该方法还包括：断开推进系统的推进器，并且将来自原动机的所有功率供应到船舶的主配电盘。
现在将参考附图描述根据本发明的船舶能量管理系统的一个示例，其中：
图1是图示了用于根据本发明的具有能量管理系统的远洋船舶的主发电和耗电元件的方框图；
图2是用于常规船和用于根据本发明的具有能量管理系统的船舶的功率需求随时间改变的曲线图；
图3是用于单螺旋桨船的根据本发明的能量管理系统的第一实施例的单线图；
图4示出了用于双螺旋桨船的图3的实施例；
图5是用于根据本发明的能量管理系统的第二实施例的单线图；
图6示出了用于双螺旋桨船的图5的实施例；
图7图示了图3至图6的实施例中的能量存储系统的更多细节，以及
图8是图示了根据本发明的用于控制船舶上的功率的方法的流程图。
已知的电动渡轮具有用于存储能量的船载电池，在停靠码头时船载电池被连接到岸上供电，使得渡轮在操作时具有清洁和安静的能量源。通常，还提供船载发电机，如果功率要求量大于预期则作为备用，或者用于在岸上供电不足时协助对电池充电。电池在整个旅程中以合理的恒定速率放电，然后在渡轮停靠码头时再次充电。然而，对于远洋船舶来说，以下是不切实际的，即，响应于波浪循环功率需求(其在不到一分钟的间隔内可变化相差几兆瓦)而使用电池来平滑该需求，这是因为电池不能如本申请所要求的那样对以下进行很好地响应：接收大充电量并且在之后短时间内放出类似电量。
图1是图示了用于根据本发明的具有功率控制系统的远洋船舶的主发电和耗电元件的方框图。主引擎1使连接到推进器3的轴2转动。能量管理系统4包括轴2、电动机/发电机单元5、根据需要能够用作电动机或发电机的单一单元、频率转换器6和能量存储单元7，能量管理系统4经由连接13而控制向推进器3供电和向耗电设施供电，并且控制功率存储装置，连接13连接到船舶的主开关设备8。能量管理系统包括控制器和比较器(未示出)。主开关设备8提供用于舰船服务功率10和发电机11a、11b、11c的功率管理系统9，这些发电机11a、11b、11c分别连接到辅助引擎12a、12b、12c。组合的电动机/发电机单元5可以被安装到轴2上、或者经由传动装置连接到轴2或直接连接到轴2上，使得能量能够被给予推进系统或从推进系统取得。经由电动机/发电机单元5取得的ac电压被馈送到频率转换器6。频率转换器6包括反相器、斩波器和有源前端。反相器和有源前端可以将ac转换为dc，反之亦然。斩波器控制被往复地馈送到能量存储单元中的电容器、电池或飞轮能量存储装置的能量。来自电动机/发电机单元5的输入频率通常为9hzac的数量级，并且被转换为优选的船载频率，通常为50或60hzac，然后通过变压器(未示出)转变为正确的电压电平，以馈送到耗电设施10或被供应到能量存储单元7。
在本发明中，可以通过在主引擎1与能量存储单元7之间循环功率而降低船舶上的燃料消耗。能量存储单元包括电容器，或更优选地包括超级电容器或超电容器，或者可以包括化学能量存储装置(诸如电池)或飞轮储能器。能量存储单元可能具有高达20mw但是低于10mw的容量，更典型地，6.6mw可能足以提供必要的助推或能量存储。电容器的使用意味着过剩的能量在没有化学反应的情况下被存储，对于常规电池存储将会发生化学反应，从而允许更快的充电和放电，以应对当船舶在水中移动时功率需求的变化。电池的使用允许成本显著降低。飞轮具有良好的使用寿命和相对较低的维护要求。
图2图示了船舶标准操作25随时间对功率需求的影响，并且将其与使用根据本发明的方法实现的平滑需求23进行比较。功率对时间的曲线图指示了，对于一个波浪周期22(舰船在该波浪周期中跨水的一个波长而移动)而言，在循环中存在一个时间周期，该时间周期小于波浪周期，在该时间周期内，所需的来自主引擎的功率流小于正在生成的功率流，并且存在另一时间周期，该另一时间周期也小于波浪周期，在该另一时间周期期间所需的来自主引擎的功率流大于正在生成的功率流。该图形示出了与具有能量管理23相比，在没有能量管理25时所需的来自主引擎的功率具有更深的波谷深度和更高的波峰高度。
归因于系统损耗，整个循环所需的实际平均功率21a通常比平均功率21b高出几个百分点，而平均功率21b则由需求从负改变为正、反之亦然的电平所揭示。在一个优化良好的系统中，这些损耗可能会降低到略低于1％，但总是会有少量损耗。通过应用本发明的方法，可以减小所需的来自主引擎的功率的波谷深度，并且可以降低所需的来自主引擎的功率的波峰高度。标准操作图形25与使用本发明的经平滑的需求图形23之间的区域是：可以被存储以供稍后使用的功率20a、20c，或者可以从存储装置回收以增强20b来自主引擎的实际功率的功率。在低需求周期，从主引擎取得的附加功率22a、22b被存储在能量存储单元7中，如曲线图的下侧部分所示。在需求高于来自主引擎1的供应的高需求周期，能量存储单元7将能量让给电动机/发电机单元5来为推进器3供电，如区域24所指示。
能量管理系统包括一个波浪估计器，以估计何时从轴取得功率以及何时向轴提供功率。该过程通常与从轴或从辅助引擎12a、12b、12c供应到主配电柜8的能量以及与舰船服务功率10的要求协调。一种估计波浪周期和波浪高度的方法是使用卡尔曼滤波器(kalmanfilter)，该滤波器继而向能量管理系统提供输入，以控制从轴取得功率或者向该轴提供功率的时机。
图3至图6图示了本发明的多个实施例。在图3中，图示了安装在新建单螺旋桨船上的能源管理系统一个示例。原动机或主引擎1(在该示例中具有26mw的最大额定功率)可以被连接到轴2。主引擎能够生成高达30mw，但是对于单螺旋桨船来说，通常生成低至20-30mw之间的中值。电动机/发电机单元5(在该示例中具有5mw的额定功率)可以被连接到轴2。对于低功率的主引擎，电动机/发电机单元的额定功率可适当降低。如图所示，可以通过将电动机/发电机单元5安装到轴2上，或者通过将电动机/发电机单元30直接连接到主引擎1，而实现该连接。另一选择是经由变速箱70而连接电动机/发电机单元30。使用变速箱允许电动机/发电机单元30以比轴速度高得多的速率运行，轴速度通常非常缓慢地转动，例如仅80rpm。尽管没有具体示出，但是电动机/发电机单元5、30分别被连接到频率转换器6。这些示例是对于安装在轴上的电动机/发电机所给出的，但可以根据需要以备选方案代替，并且应该将该说明书理解为涵盖任何选项。推进器3由轴驱动。可选地，这样的驱动可以经由离合器31来进行。离合器的位置允许推进器得以脱离，同时主引擎仍然生成功率，该功率转移至耗电设施10或者用于对能量存储单元7充电。
电动机/发电机单元5的最大额定功率可以高达5.5mw，更典型地为2.5mw，并且在该示例中可以通过电动机/发电机单元5给予轴5mw或从轴取得5mw。在向轴供应过量能量的情况下，来自电动机/发电机单元5的能量、去往频率转换器6的ac输入在频率转换器6中被频率转换为用于主配电盘8的适合频率。初始步骤(整流至dc)将该输入转换成适合的形式，以用于供应给能量存储单元7，或者在转换回处于适当频率的ac之后，变压器32将输出转变为用于主配电盘8的适合电压。在来自主引擎1的能量供应不足的情况下，能量存储系统7将其所存储的能量让给转换器中的dc母线，转换器将所受让的能量转换回ac并且增强主引擎对轴的供电。转换器系统可以被安装在船舶的轴隧区域内。电动机/发电机单元5、30可以通过传动装置连接或者直接安装在原动机轴81上而被轴安装到推进轴2上。
当停靠码头时，能量存储系统可以从岸上连接33充电，例如为主引擎启动提供能量、馈送辅助耗电或在初始操纵期间的备用供电。在某些操作模式下，连接到主配电盘的辅助电动机12a、12b和相应的发电机11a、11b也可以经由变压器32和频率转换器6向电动机/发电机单元5提供功率。辅助电动机可以是双燃料电动机，即，能够以船用燃料油或生物燃料或液化天然气操作。
各种配电盘与变压器32之间的互连、或者针对根据频率转换器6的电压操作的低电压配电盘(在这种情况下是直接连接而不是通过变压器)，允许从它们的配电盘供应给各种耗电设施，或者允许应急电动机和发电机34被连接到应急配电盘35、或被连接到主配电盘36、37或辅配电盘中的任何一个。辅配电盘以不同的电压操作，并且经由变压器被连接到其他配电盘，以相应地进行升压或降压。货物配电盘38、39处于与主配电盘相同的电压，在该示例中为6.6kv，同时辅配电盘40、41、42、43和应急配电盘35的电压低一个数量级，在该示例中为690v至440v之间。在这个示例中，另外的辅配电盘44、45和应急配电盘46以230v操作。每个配电盘通过断路器与其相邻的配电盘分离，以防止故障。在该示例中，来自电动机/发电机单元5和能量存储系统7的连接进入右舷主配电盘中，并且从右舷主配电盘被进一步配电。每种不同类型配电盘上的特定电压不限于所给出的示例，而是可以适于用户的要求。
在图4的示例中，同样对于新建船舶，其中使用与图3相同的附图标记，其中组件及其功能相同并且将不再对其进一步描述。图4的示例与图3的实施例不同之处在于，图4的示例是用于双螺旋桨船。主引擎与轴和船舶服务功率或辅耗电设施之间的所有功率传递不再都通过一个主配电盘(在图3的示例中，右舷主配电盘)来实现，而是每个螺旋桨具有其自己的原动机、主引擎1a、1b和在其自己的轴2a、2b上的电动机/发电机单元5a、5b。通常，双螺旋桨船具有两个较小的引擎，生成与单螺旋桨船的单一引擎相似的功率量。在这个示例中，引擎1a、1b各自均生成13mw的功率。这意味着，更小的电动机/发电机单元5a、5b可以被连接到每个轴。由于图4中的原动机被额定为在图3的单螺旋桨示例中原动机功率的一半，所以电动机/发电机单元5a、5b也可以额定为功率的一半。对于这个示例，在每个轴2a、2b上提供2.5mw的电动机/发电机单元。在每个变压器32a、32b的输入处的视在功率以相似的比例被降低，并且变压器如先前那样转变为主配电盘电压。如上所述，无变压器操作的可选方案也可用于双螺旋桨船，其中配电板以根据频率转换器电压的电压而操作。图4中的电动机/发电机单元30a、30b的备选连接被示出为指向原动机轴81a、81b。除此以外，每个配电盘上的互连和电压与图3中的示例相同。
图5中图示了将本发明改装为单螺旋桨船的一个备选示例。主引擎51形式的原动机经由离合器50被连接到轴52。如前所述，离合器的使用是可选的，并且可以根据主要目的在电动机之前或之后使用离合器。在该示例中，如果主引擎发生故障，离合器则意味着轴仍然可以通过引导来自能量存储单元7或连接到主配电盘的辅助引擎的能量而运行。如果离合器在电动机/发电机单元之后，则它允许主引擎充当发电机，而不转动推进器。理论上，在轴52上，离合器50既可以安装在电动机之前，又可以安装在该电动机之后，以允许任一类型的操作，但是这相应增加了成本和复杂性。电动机/发电机单元55被连接到轴上，并且推进器53被装配到轴上。电动机/发电机单元55被耦合到频率转换器56，并且通过该频率转换器56而被耦合到能量存储单元57。岸上连接33可以被提供。来自轴52的过剩功率可以由电动机/发电机单元55取得，在转换器56中进行频率转换，并且被存储在能量存储单元57中、或者被转变为变压器60中的主配电盘电压并且经由连接13和右舷主配电盘59而被供应给主配电盘58、59。在这个示例中，22mw的主引擎得以提供，其中电动机/发电机单元55能够取得或汲取高达5.5mw。主配电盘是3.3kv配电盘，所以变压器60从690v转变到3.3kv。在左舷配电盘58与右舷配电盘59之间存在两个可用的连接，在任一端都有断路器。第一连接61在断路器被闭合时仅仅连接左舷配电盘和右舷配电盘，而第二连接62连接至辅助功率源(在该示例中为柴油发电机63)。辅助功率源63经由发电机64而被连接，并且被设计为能够满足主配电盘的大部分功率需求。另外，左舷配电盘和右舷配电盘中的每一个都可以具有与上文所讨论的图3和图4的示例类似类型的辅助发电机12和电动机11。
图6中图示了另一示例。该示例与图5的示例类似，但用于双螺旋桨船。对于每个螺旋桨，以主引擎51a、51b形式的原动机被连接到轴52a、52b。电动机/发电机单元55a、55b被连接到该轴，并且推进器53a、53b经由离合器65a、65b连接而被装配到该轴。备选地，对于图5和图6的示例，电动机/发电机单元80、80a、80b可以被直接连接到主引擎51、51a、51b，或者电动机发电机55、55a、55b、80、80a、80b可以经由齿轮箱而被连接。该电动机/发电机单元55a、55b被耦合到频率转换器56a、56b，并且通过此被耦合到能量存储单元57a、57b。在这种情况下，岸上连接33可以被设置在一侧上，以仅用于右舷侧螺旋桨。也可以在两侧添加岸上连接，但会增加成本。来自轴52a、52b的过剩功率可以由电动机/发电机单元55a、55b取得，在转换器56a、56b中被频率转换，并且被存储在能量存储单元57a、57b中、或者被转变为变压器60a、60b中的主配电盘电压并且被供应到主配电盘58、59。在该示例中，来自每侧的功率被供应到在该侧的主配电盘58、59，即，左舷变压器60a经由连接13a而被连接到左舷主配电盘58，并且右舷变压器60b经由连接13b而被连接到右舷主配电盘59。与单螺旋桨船相比，对于类似尺寸的双螺旋桨船，每个主引擎具有较低的最大功率。对于这个示例，每个引擎的功率为13mw，具有能够取得或汲取高达2.5mw的电动机/发电机单元55a、55b。主配电盘为3.3kv配电盘，因此变压器60a、60b从690v转变为3.3kv，并且左舷主配电盘与右舷主配电盘之间的互连以及辅助功率源和发电机与图5中示例相同。
能量管理系统4能够以多种不同的模式操作。在调峰模式下，能量存储单元7被用于助推到主轴2的能量，或者卸载来自主轴的能量，以确保主引擎1在海中移动时的稳定操作。在助推器模式下，当需要比主引擎1可用的更多的推进功率时，电动机/发电机单元5充当电动机，使由辅助引擎12a、12b所生成的所需电力向主配电盘供电。如果不使用全功率，则助推器模式还包括一些调峰功能。当存在来自主推进器的较多可用能量时，则使用并且继而需要交流发电机模式。能量管理系统4取得功率，以馈送到一个或多个辅配电盘40、41、42、43、44、45、46。另外，如果不使用全功率，那么该模式还包括一些调峰功能。
如果主引擎1出于某种原因停用，则使用紧急模式。能量管理系统4使用辅助引擎12a、12b、12c向能量管理系统提供功率，使得虽然船舶仅具有有限的功率，但其仍具有一些操纵能力。同样，在主启动系统30发生故障的情况下，能量管理系统4也可以被用于启动主引擎1。辅馈送模式有时需要辅助发电机12a、12b、63在高负载下运行。如果辅助引擎总是在低负载下运行，那么它们会倾向于积碳、低效率并且导致其他问题。出于这个原因，希望在接近满负载时加载辅机。如果负载波动，则这可能会导致功率过载。能源管理系统可以作为短期功率备用和平滑设备，直到需要时使新的发电机组操作。能量存储单元还可以协助针对重载启动耗电设施的瞬态启动顺序。
图7更详细地图示了能量存储单元的一个示例。能量存储单元7可以借助于断路器66与频率转换器断开。dc到dc斩波器67将来自频率转换器的dc电压适配到dc母线电压，并且控制能量存储功率流以防止电容器的过载或过度充电。斩波器被连接到一个或多个电容器、超级电容器或超电容器68，这些电容器能够短时间存储和释放大量的能量，并且该斩波器控制往返电容器、超级电容器或超电容器的电压和功率流。斩波器电路也可被用于控制化学能量存储装置(诸如电池)或飞轮能量存储装置。
图8是操作本发明的功率控制系统的方法的流程图。能量管理系统4和/或功率管理系统9确定71在途中来自主引擎用于推进所需的功率。如果推进所需的功率小于由主引擎所生成的功率，则附加的功率被转移72到能量存储单元7或耗电设施10。如果能量存储单元正被使用，则从电动机/发电机单元所生成的ac电压(无论直接连接到原动机轴上，安装在推进器轴上，还是经由齿轮箱连接)都被转换73为用于能量存储单元的dc电压。如果推进所需的功率超过由主引擎所生成的功率，则从能量存储单元7中提取74附加功率，或者由辅助引擎12a、12b经由主配电盘供应该附加功率。如果能量存储单元正被使用，则来自能量存储单元7的dc电压被转换75为ac电压，以向电动机/发电机单元和轴供应功率。能量管理系统4和功率管理系统9继续监测76在船舶上可能发生的预测波浪行为和特殊操作状况，以便对应地适配能量的存储和提取。如果主引擎能够以基本上恒定的速率持续发电，则主引擎的操作更有效率，这不一定意味着以全功率运行，而是通常低于全功率。原动机并不是一直要改变引擎功率输出以应对波涛汹涌海上的需求波峰和波谷，而是生成稳定的输出，该输出通常被选择为足以提供所需的实际平均功率，并且需求的波峰和波谷由能量存储单元来处理，该能量存储单元在由原动机所生成的能量超过瞬时功率需求功率时存储由原动机所生成的能量，并且当瞬时功率需求超过由原动机所生成的功率时将能量供应给轴。
操作本发明的系统可以降低燃料消耗和排放；降低装备的磨损并且从而降低维护和停机时间，增加正常运行时间和性能。以这种方式优化船舶可以降低所安装引擎的功率，从而节省直接和间接成本，并且降低重量和空间要求。所存储能量和辅助功率源的互连通过在主引擎丢失的情况下至少短时间维持推进而改进安全性。该系统可以模块化方式制造，并且在多个容量范围内选择适合的模块，通常针对在20mw与30mw之间的总容量在间歇容量高达5mw的范围内选择适合的模块。该系统足够灵活以提供例如针对重载启动的汲取功率性能的提升和在毫秒量级的短时间标度内提升供电。