一种双柴油发电机组与锂电池混合动力船舶结构与控制方法

摘要

本发明公开了一种双柴油发电机组与锂电池混合动力船舶结构，包括电力推进系统，电力推进系统包括与直流排连接的两台柴油发电机组、锂电池组和电动机，电动机还连接螺旋桨，直流排还连接岸电，功率控制器接收电动机的功率信号与锂电池组的荷电状态信号，并向两台柴油发电机组和DC/DC变换器发出功率控制信号。本发明还提供了双柴油发电机组与锂电池混合动力船舶电力推进系统的控制方法。本发明优点为：优化系统配置，在保证船舶正常航行的情况下减少锂电池组容量；在航行中，分开锂电池组充电与放电阶段，保护锂电池组并方便电池荷电状态估计；可以保证两台柴油机开启后总在其最佳排放和燃油效率工作点，且能提高柴油发电机组的电能利用效率。

说明书

技术领域

本发明涉及混合动力船舶技术领域，具体地说，是一种双柴油发电机组与 锂电池混合动力船舶结构与控制方法。

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 技术与经济性能，具有操纵性能好、降低船舶废弃排放、减少船舶燃料能源消 耗等节能环保的特点，同时可以获得较好的动力特性。中国专利文献 CN201010300192.X公开了一种柴油发电机组为主动力电源的电力推进船舶， 其只能有限降低但不能根本消除船舶的废气排放。中国专利文献 CN200820155772.2公布了一种超级电容组以及电池堆作为动力电源的电力推 进船舶，其在航行中超级电容组和蓄电池的储能一旦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。

基于以上专利中电力推进船舶的缺点，中国专利文献CN201110053681.4 提出了一种混合动力船舶电力推进系统及其实施方法，其可实现船舶废气、废 水零排放，同时产生较显著的节能、减支效果，并保证船舶的航行安全，提高 了船舶续航性能。其一台柴电机组的配置虽然可以使柴油机运行在最佳工况以 减少排放和降低油耗，但是在航行过程中，其对柴油发电机组所发出电能的利 用效率不高。同时，为了保证船舶航行安全以及零废气，零排放工作方式持续 较长时间，一台柴油发电机组的实施方法限制了其系统配置的进一步优化，造 成冗余并增加成本。

发明内容

本发明的第一个目的是针对现有技术中的不足，提供一种双柴油发电机组 与锂电池混合动力船舶结构。

本发明的另一个目的是提供一种双柴油发电机组与锂电池混合动力船舶 电力推进系统的控制方法。

为实现上述第一个目的，本发明采取的技术方案是：

一种双柴油发电机组与锂电池混合动力船舶结构，包括电力推进系统，所 述的电力推进系统包括两台柴油发电机组、锂电池组、电动机、功率控制器和 直流排，第一柴油发电机组和第二柴油发电机组分别通过第一AC/DC整流器 和第二AC/DC整流器与直流排连接，所述的锂电池组通过双向DC/DC变换 器与直流排连接，所述的电动机通过DC/AC逆变器与直流排连接，电动机还 连接螺旋桨，直流排还通过第三AC/DC整流器连接岸电，所述的功率控制器 接收电动机的功率信号与锂电池组的荷电状态信号，功率控制器向两台柴油发 电机组和双向DC/DC变换器发出功率控制信号。

为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：

一种双柴油发电机组与锂电池混合动力船舶电力推进系统的控制方法，所 述的控制方法包括：

（1）船舶靠岸时，利用岸电给锂电池组充电；

（2）船舶航行时，分为锂电池组放电状态和充电状态，功率控制器接收 电动机的功率信号与锂电池组的荷电状态信号，同时向两台柴油发电机组和双 向DC/DC变换器发出功率控制信号，

①船舶刚出港时，锂电池组的荷电状态信号为100%，锂电池组处于放电 状态，

当电动机需求功率小于锂电池组最大输出功率时，船舶由锂电池组提供电 能，两台柴油发电机组关闭；

当电动机需求功率大于锂电池组最大输出功率，而小于锂电池组最大输出 功率与第一柴油发电机组最佳燃油效率点下的工作功率之和时，船舶由锂电池 组和第一柴油发电机组提供电能，并使第一柴油发电机组稳定运行在最佳燃油 效率点下的工作功率，关闭第二柴油发电机组；

当电动机需求功率大于锂电池组最大输出功率与第一柴油发电机组最佳 燃油效率点下的工作功率之和，而小于船舶航行额定输出功率时，船舶由锂电 池组和两台柴油发电机组提供电能，并使两台柴油发电机组稳定运行在最佳燃 油效率点下的工作功率；

放电状态锂电池组的荷电状态信号的下限值为30%；

②当锂电池组的荷电状态信号小于30%时，锂电池组处于充电状态，

当电动机需求功率小于第一柴油发电机组最佳燃油效率点下的工作功率 时，只开启第一柴油发电机组，剩余电量为锂电池组充电；

当电动机需求功率大于第一柴油发电机组最佳燃油效率点下的工作功率， 而小于两台柴油发电机组最佳燃油效率点下的工作功率之和时，开启两台柴油 发电机组，剩余电量为锂电池组充电；

当处于紧急状态，即电动机需求功率大于两台柴油发电机组最佳燃油效率 点下的工作功率之和时，锂电池组重新进入放电状态，船舶由锂电池组和两台 柴油发电机组提供电能，并在锂电池组的荷电状态信号小于10%时，限制电动 机需求功率，防止锂电池组过放电；

充电状态锂电池组的荷电状态信号的上限值为90%。

本发明优点在于：

本发明双柴油发电机组与锂电池混合动力船舶结构优化系统配置，在保证 船舶正常航行的情况下减少锂电池组容量；在航行中，分开锂电池组充电与放 电阶段，保护锂电池组并方便电池荷电状态估计；可以保证两台柴油机开启后 总在其最佳排放和燃油效率工作点，且能提高柴油发电机组的电能利用效率。

附图说明

附图1是本发明双柴油发电机组与锂电池混合动力船舶结构的电力推进系 统的结构框图。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.第一柴油发电机组                2.第二柴油发电机组

3.锂电池组                        4.电动机

5.岸电                            6.功率控制器

7.第一AC/DC整流器                 8.第二AC/DC整流器

9.双向DC/DC变换器                 10.DC/AC逆变器

11.第三AC/DC整流器                12.直流排

13.螺旋桨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

请参照图1，图1是本发明双柴油发电机组与锂电池混合动力船舶结构的 电力推进系统的结构框图。本发明双柴油发电机组与锂电池混合动力船舶结构 包括电力推进系统，所述的电力推进系统包括第一柴油发电机组1、第二柴油 发电机组2、锂电池组3、电动机4、功率控制器6和直流排12。

第一柴油发电机组1通过第一AC/DC整流器7与直流排12连接，第二 柴油发电机组2通过第二AC/DC整流器8与直流排12连接。锂电池组3通 过双向DC/DC变换器9与直流排12连接。电动机4通过DC/AC逆变器10 与直流排12连接，电动机4还连接螺旋桨13。

直流排12还通过第三AC/DC整流器11连接岸电5。功率控制器6接收 电动机4的功率信号与锂电池组3的荷电状态（SOC）信号。功率控制器6向 第一柴油发电机组1、第二柴油发电机组2和双向DC/DC变换器9发出功率 控制信号。

该混合动力船舶结构优化了系统配置，在保证船舶正常航行的情况下减少 锂电池组3容量，延长锂电池组3的使用寿命。还能消除船舶的废气排放，节 能环保，降低使用成本。

该双柴油发电机组与锂电池混合动力船舶电力推进系统的控制方法，涉及 的物理量名称与符号表示如下：

P_N——船舶航行额定输出功率；

P_G1——第一柴油发电机组1最佳燃油效率点下的工作功率；

P_G2——第二柴油发电机组2最佳燃油效率点下的工作功率；

P_GN——柴油发电机组1、2额定功率；

P_B^N——锂电池组₃最大输出功率；

P_Bd——锂电池组3输出功率；

P_Bc——锂电池组3充电功率；

P——电动机4需求功率。

为尽量减少系统配置，令P_N=P_G1+P_G2+P_B^N；

为配置方便，假定P_G1=P_G2，P_G1=80%P_GN；

为保证船舶安全航行，P_G1+P_G2>60%P_N；

为保证柴油发电机组1、2最大用电效率，P_B^N>P_G1。

（1）船舶靠岸时，利用岸电5给锂电池组3充电。

（2）船舶航行时，分为锂电池组3放电状态和充电状态，功率控制器6 接收电动机4的功率信号与锂电池组3的SOC信号，同时向第一柴油发电机 组1、第二柴油发电机组2和双向DC/DC变换器9发出功率控制信号。

①船舶刚出港时，锂电池组3的SOC信号为100%，锂电池组3处于放电 状态。

当P<P_B^N时，船舶由锂电池组3提供电能，第一柴油发电机组1和第二 柴油发电机组2关闭。

当P_B^N<P<P_G1+P_B^N时，船舶由锂电池组3和第一柴油发电机组1提供 电能，并使第一柴油发电机组1稳定运行在P_G1，关闭第二柴油发电机组2； 此时P=P_G1+P_Bd，由于船舶柴油发电机组速度不变的特点，为了让第一柴油 发电机组1实际输出功率为P_G1以保证效率用电效率接近100%，控制锂电池 组3输出功率P_Bd=P-P_G1，其可通过功率控制器6调节双向DC/DC变换器9 控制锂电池组3输出电流实现。

当P_B^N+P_G1<P<P_N时，船舶由锂电池组3、第一柴油发电机组1和第二 柴油发电机组2提供电能，并使第一柴油发电机组1和第二柴油发电机组2稳 定运行在P_G1和P_G2；此时P=P_G1+P_G2+P_Bd，同样控制锂电池组3输出功率 P_Bd=P-P_G1-P_G2，从而保证第一柴油发电机组1和第二柴油发电机组2的用电效 率。由于船速与电动机4需求功率P之间的关系为高次幂关系，所以一般船舶 以稳定经济航速行驶时，其工作模式为第一柴油发电机组1加锂电池组3的工 作模式。

②当锂电池组3的SOC信号小于30%时，锂电池组3处于充电状态。

当P＜P_G1时，只开启第一柴油发电机组1，剩余电量为锂电池组3充电， 锂电池组3充电功率P_Bc=P_G1–P。

当P_G1<P<P_G1+P_G2时，开启第一柴油发电机组1和第二柴油发电机组2， 全部工作于用电效率最高的情况，因为一般船舶经济航速运行时，功率在此范 围内，剩余电量为锂电池组3充电，P_Bc=P_G1+P_G2-P，在此状态下，锂电池组3 处于持续充电状态。

当处于紧急状态，即P>P_G1+P_G2时，锂电池组3重新进入放电状态，船舶 由锂电池组3、第一柴油发电机组1和第二柴油发电机组2提供电能，并在锂 电池组3的荷电状态信号小于10%时，限制电动机4需求功率P，防止锂电池 组3过放电。而在一般航行状态下，在充电模式时，限制电动机4需求功率 P<P_G1+P_G2。

具体控制规则见表1和表2，表中G1、G2为逻辑量，0表示关闭，1表示 开启。

表1锂电池组3放电状态控制规则

P G1 G2 P_BdP<P_B^N0 0 P P_B^N<P<P_G1+P_B^N1 0 P-P_G1P_B^N+P_G1<P<P_N1 1 P-P_G1-P_G2

放电状态锂电池组3的SOC信号的下限值为30%，以保证充电阶段时紧 急状态供电。当SOC低于下限值时，切换到充电状态。

表2锂电池组3充电状态控制规则

P G1 G2 P_BcP<P_G11 0 P_G1-P P_G1<P<P_G1+P_G21 1 P_G1+P_G2-P P>P_G1+P_G21 1 放电：P_Bd=P-P_G1-P_G2

充电状态锂电池组3的SOC信号的上限值为90%。紧急状态下，锂电池组 3放电，此时SOC下限值为10%，以防止电池过放电对电池造成损坏。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些 改进和补充也应视为本发明的保护范围。