船舶混合动力运行方法、船舶混合动力系统及船舶

摘要

本申请提供一种船舶混合动力运行方法、船舶混合动力系统及船舶。所述运行方法包括：设立处于原动机的运行负荷范围内的第一负荷值；在原动机至轴带发电机之间设置第一离合器，在轴带发电机至推进器之间设置第二离合器；比较原动机的运行负荷与第一负荷值的大小；在原动机的运行负荷大于第一负荷值时，原动机工作将动力传输给推进器，轴带发电机作为发电机运行并将电能存储；在原动机的运行负荷小于等于第一负荷值时，第一离合器切断原动机至轴带发电机之间的动力，原动机停机，储能电池的电能输送给轴带发电机，其作为电动机运行并将动力输送给推进器。本申请的技术方案有效解决船舶原动机在低负荷运行时的低效率、高能耗问题。

说明书

技术领域

本申请涉及船舶动力系统的技术领域，具体而言，涉及一种船舶混合动力运行方法、船舶混合动力系统及船舶。

背景技术

目前，船舶常用的动力系统为原动机通过轴系直接驱动推进器，或者多台原动机组成中央电站并经过推进电动机通过轴系驱动推进器。

通常，原动机在其设计负荷附近(相当于正常载重航行的船舶)具有高效率、低油耗的特点，但是在低负荷区间，原动机的热效率会显著降低、能耗升高。

为充分利用原动机在设计点附近低油耗的优势，业内有配置原动机驱动轴带发电机的方案，但是这种方案往往只是在正常航行时为船舶提供电力。随着动力电池技术的飞速发展，原动机和动力电池的混合动力应用案例越来越多，动力电池多用于整个系统的“削峰填谷”，即原动机仍需要在船舶高低负荷的所有工况下都要运转，因此，现有技术对于原动机运行在低负荷区间的高能耗问题并没有得到有效解决。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种船舶混合动力运行方法，其能够有效解决船舶原动机在低负荷运行时的低效率、高能耗问题。

本申请实施例的第二目的还在于提供一种能实现上述船舶混合动力运行方法的船舶混合动力系统。

本申请实施例的第三目的还在于提供一种使用上述船舶混合动力系统的船舶。

第一方面，提供了一种船舶混合动力运行方法，包括：

设立处于原动机的运行负荷范围内的第一负荷值；

在原动机至轴带发电机之间的动力传输路线上设置第一离合器，在轴带发电机至推进器之间的动力传输路线上设置第二离合器；

比较原动机的运行负荷与第一负荷值的大小；

在原动机的运行负荷大于第一负荷值时，则使第一离合器连通原动机至轴带发电机之间的动力传输，使第二离合器连通轴带发电机至推进器之间的动力传输，原动机工作将动力传输给推进器，且原动机带动轴带发电机作为发电机运行，并将发电的电能存储在储能电池中；

在原动机的运行负荷小于等于第一负荷值时，则使第一离合器切断原动机至轴带发电机之间的动力，使第二离合器连通轴带发电机至推进器之间的动力传输，且将原动机停机，将储能电池的电能输送给轴带发电机，使轴带发电机作为电动机运行并将动力输送给推进器。

在一种可实施的方案中，船舶混合动力运行方法还包括：

在原动机的运行负荷大于第一负荷值时，将轴带发电机与船舶上的负载连通，利用作为发电机的轴带发电机发电为船舶上的负载供电；

在原动机的运行负荷小于等于第一负荷值时，将储能电池与船舶上的负载连通，利用储能电池为船舶上的负载供电。

在一种可实施的方案中，船舶混合动力运行方法还包括：

设立处于原动机的运行负荷范围内的第二负荷值，第二负荷值小于第一负荷值；

在船舶上设立岸电装置，岸电装置用于将陆地电能输送至船舶上；

比较原动机的运行负荷与第二负荷值的大小；

在原动机的运行负荷小于等于第二负荷值时，利用岸电装置将陆地电能输送至给储能电池存储，且给船舶上的负载供电。

在一种可实施的方案中，……。

根据本申请的第二方面，还提供了一种船舶混合动力系统，其特征在于，包括原动机、轴系组件、轴带发电机、离合器组件、储能电池和变频器。原动机用于产生并输出动力，其运行负荷包括第一负荷值。轴系组件用于将原动机的动力传输给船舶的推进器。轴带发电机安装在轴系组件上，轴系组件能带动作为发电机的轴带发电机转动进行发电，且轴带发电机也能作为电动机带动轴系组件转动。离合器组件包括第一离合器和第二离合器，第一离合器安装在原动机和轴带发电机之间的轴系组件上，第二离合器安装在推进器和轴带发电机之间的轴系组件上，第一离合器和第二离合器用于连通或切断其所安装位置处的轴系组件的动力传输。储能电池用于充电储能和供电。变频器用于连接轴带发电机和储能电池。

其中，在原动机的运行负荷大于第一负荷值时，则使第一离合器连通原动机至轴带发电机之间的轴系组件，使第二离合器连通轴带发电机至推进器之间的轴系组件，原动机工作将动力传输给推进器，且原动机带动轴带发电机作为发电机运行，并将发电的电能经过变频器存储在储能电池中；在原动机的运行负荷小于等于第一负荷值时，则使第一离合器切断原动机至轴带发电机之间的轴系组件，使第二离合器连通轴带发电机至推进器之间的轴系组件，且将原动机停机，将储能电池的电能通过变频器输送给轴带发电机，使轴带发电机作为电动机运行并将动力输送给推进器。

在一种可实施的方案中，船舶混合动力系统还包括配电装置，配电装置用于连接变频器和船舶上的负载；在原动机的运行负荷大于第一负荷值时，由轴带发电机至变频器再至配电装置的电路连通，作为发电机的轴带发电机发出的电能经由变频器为配电装置供电；在原动机的运行负荷小于等于第一负荷值时，由储能电池至变频器再至配电装置的电路连通，储能电池的电能经由变频器为配电装置供电。

在一种可实施的方案中，原动机的运行负荷还包括第二负荷值，第二负荷值小于第一负荷值；在原动机的运行负荷小于等于第二负荷值时，将原动机和轴带发电机停机，将由储能电池至变频器再至配电装置的电路连通，储能电池的电能经由变频器为配电装置供电。

在一种可实施的方案中，船舶混合动力系统还包括岸电装置，岸电装置用于将陆地电能输送配电装置；在原动机的运行负荷小于等于第二负荷值时，岸电装置至配电装置的电路连通，由配电装置至负载的电路连通，由配电装置至变频器再至储能电池的电路连通，岸电装置将陆地电能输送至给储能电池存储，且给船舶上的负载供电。

在一种可实施的方案中，船舶混合动力系统还包括备用原动机、备用轴系组件、备用轴带发电机和备用离合器组件；备用原动机、备用轴系组件、备用轴带发电机和备用离合器组件组成的备用动力传输线路，与原动机、轴系组件、轴带发电机和离合器组件组成的主用动力传输线路相同；备用轴带发电机与变频器可通断电连接。

在一种可实施的方案中，船舶混合动力系统还包括备用储能电池和备用变频器；备用变频器分别与备用轴带发电机、备用储能电池和轴带发电机可通断电连接，备用储能电池与变频器可通断电连接。

根据本申请的第三方面，还提供了一种船舶，包括上述方案中的船舶混合动力系统。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请的技术方案实施时，当原动机处于大于第一负荷值的负荷时，原动机直接驱动船舶的推进器工作，从而驱动船舶航行，同时轴带发电机以发电机工作，发电电能存储以备用，可以充分发挥原动机在设计负荷区间高效率、低油耗的特点。而原动机处于小于等于第一负荷值的负荷时，原动机停机，并且利用第一离合器切断原动机和轴带发电机之间的连接，此时全部利用储能电池储存的电能驱动轴带发电机工作，轴带发电机作为电动机独立驱动推进器工作，此时原动机完全停机，直接从根源上有效解决原动机在低负荷区的低效率、高能耗的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为根据本申请实施例示出的一种船舶混合动力运行方法的流程图；

图2为根据本申请实施例示出的另一种船舶混合动力运行方法的流程图；

图3根据本申请实施例示出的一种船舶混合动力系统的组成框图。

图中：10、原动机；11、备用原动机；20、轴系组件；21、备用轴系组件；30、轴带发电机；31、备用轴带发电机；40、离合器组件；41、第一离合器；42、第二离合器；43、备用离合器组件；50、储能电池；51、备用储能电池；60、变频器；61、备用变频器；70、配电装置；80、岸电装置；100、推进器；200、负载；300、控制装置。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

根据本申请的第一方面，如图1所示，首先提供一种船舶混合动力运行方法，包括下列S1至S32的步骤。

S1、设立处于原动机的运行负荷范围内的第一负荷值。

原动机在设计之初便有额定负荷区间，也可以称之为原动机的设计点，在额定负荷区间的效率高、能耗相对低，而在较低的运行负荷时，原动机反而效率低、能耗大。步骤S1中的第一负荷值便是对前述两种负荷状态的划分值。当原动机的运行负荷处于第一负荷值以上时，属于设计负荷区间，也相当于高负荷的运行区间。当原动机的运行负荷小于或等于第一负荷值时，属于低负荷负荷的运行区间。第一负荷值的确定需要根据原动机的种类、船舶的载重量大小、航行速度、负载能量消耗情况综合来确定，因此在实际的应用中针对不同的原动机和不同的船舶，第一负荷值可以有不同的取值，对于第一负荷值的准确数值在此并不做具体限定。

S2、在原动机至轴带发电机之间的动力传输路线上设置第一离合器，在轴带发电机至推进器之间的动力传输路线上设置第二离合器。

步骤S2中设置的第一离合器和第二离合器，对后续原动机作为动力源和电力作为动力源的切换提供实现的方式。

S3、比较原动机的运行负荷与第一负荷值的大小。

在步骤S3中，判断原动机的实际运行负荷情况时，一方面可以通过在原动机上加各种检测传感器，来获取原动机的运行参数，得到原动机的能源转换效率和能源消耗情况，从而确定原动机的实际运行负荷。也可以综合船舶航行时的载重量和航行速度，或者整船的能源消耗量，间接计算出原动机的运行负荷。但总体来说，原动机的运行负荷处于第一负荷值以上时，一般指船舶重载航行或者航行速度较快的情况，或者船舶既重载且速度又快的情况下，对应的原动机的运行载荷。原动机的运行负荷处于第一负荷值以下时，一般指船舶的载重远低于额定载重量，速度也远小于额定航行速度，一般指进出港口时的船舶操纵工况，对应的原动机的运行负荷。

在步骤S3中比较原动机的运行负荷与第一负荷值的大小之后，根据不同的结果出现步骤S31和步骤S32两种运行方法。具体如下：

S31、在原动机的运行负荷大于第一负荷值时，则使第一离合器连通原动机至轴带发电机之间的动力传输，使第二离合器连通轴带发电机至推进器之间的动力传输，原动机工作将动力传输给推进器，且原动机带动轴带发电机作为发电机运行，并将发电的电能存储在储能电池中；

S32、在原动机的运行负荷小于等于第一负荷值时，则使第一离合器切断原动机至轴带发电机之间的动力，使第二离合器连通轴带发电机至推进器之间的动力传输，且将原动机停机，将储能电池的电能输送给轴带发电机，使轴带发电机作为电动机运行并将动力输送给推进器。

从上述实施例的方法可以看出，当原动机处于大于第一负荷值的负荷时，原动机直接驱动船舶的推进器工作，从而驱动船舶航行，同时轴带发电机以发电机工作，发电电能存储以备用，可以充分发挥原动机在设计负荷区间高效率、低油耗的特点。而原动机处于小于等于第一负荷值的负荷时，原动机停机，并且利用第一离合器切断原动机和轴带发电机之间的连接，此时全部利用储能电池储存的电能驱动轴带发电机工作，轴带发电机作为电动机独立驱动推进器工作，此时原动机完全停机，直接从根源上有效解决原动机在低负荷区的低效率、高能耗的问题。

在一种实施方案中，船舶混合动力运行方法还包括以下的S33和S34。具体如下：

S33、在原动机的运行负荷大于第一负荷值时，将轴带发电机与船舶上的负载连通，利用作为发电机的轴带发电机发电为船舶上的负载供电。

S34、在原动机的运行负荷小于等于第一负荷值时，将储能电池与船舶上的负载连通，利用储能电池为船舶上的负载供电。

步骤S34的方法，完全利用储能电池的电能驱动负载，杜绝原动机低负荷运转时的低效率和高能耗问题。

需要说明的是，负载包括日常使用的负载设备和应急情况下的负载设备。

在一种实施方案中，如图2所示，船舶混合动力运行方法还包括步骤S41至S44.具体如下：

S41、设立处于原动机的运行负荷范围内的第二负荷值，第二负荷值小于第一负荷值。

步骤S41中的第二负荷值便是对原动机低于第一负荷值的运行负荷部分进一步细致划分，对本申请的混合动力运行方法做出进一步的优化。

S42、在船舶上设立岸电装置，岸电装置用于将陆地电能输送至船舶上。

S43、比较原动机的运行负荷与第二负荷值的大小。

虽然原动机的运行负荷在低于等于第一负荷值以下时，运行负荷已经转入较低的水平，且此时原动机已经停止工作，实际上原动机此时无负荷。但是为了便于整个混合动力运行方法判断标准的统一，即都以原动机的运行负荷作为依据，在原动机停机情况下，通过船舶的航速、载重、船舶负载的能源消耗量来间接得出所需要的原动机的运行负荷的理想值，用原动机运行负荷的理想值与第二负荷值进行比较。在现有技术中，船舶的原动机在低于等于第二负荷值以下时，一般代表船舶停港作业或者停港空闲的状态，此时推进器完全停止，仅仅船舶上常用负载在工作。

S44、在原动机的运行负荷小于等于第二负荷值时，利用岸电装置将陆地电能输送至给储能电池存储，且给船舶上的负载供电。

步骤S41至S44的方法，使船舶在停港作业或者空闲的情况下，可利用岸电装置利用陆地电能供电，并且还能给储电电池供电，可以完全脱离原动机的动力来源，杜绝原动机在极低负荷下的低效率和高能耗的发生。

综上所述，船舶混合动力运行方法实现了三种状态的切换，分别是原动机运行负荷大于第一负荷值、小于等于第一负荷值且大于第二负荷值和小于等于第二负荷值，通过划分三种负荷状态，且与原动机运行负荷对应和比较，不仅充分发挥原动机在设计负荷区间的高效率、相对低能耗的优点，而且还能从源头上杜绝原动机在低负荷区间的低效率、相对高能耗问题的产生。

根据本申请的第二方面，如图3所示，提供了一种能够实现上述船舶混合动力运行方法的船舶混合动力系统，包括原动机10、轴系组件20、轴带发电机30、离合器组件40、储能电池50和变频器60。其中，原动机10用于产生并输出动力，其运行负荷包括第一负荷值。轴系组件20用于将原动机10的动力传输给船舶的推进器100。轴带发电机30安装在轴系组件20上，轴系组件20能带动作为发电机的轴带发电机30转动进行发电，且轴带发电机30也能作为电动机带动轴系组件20转动。离合器组件40包括第一离合器41和第二离合器42，第一离合器41安装在原动机10和轴带发电机30之间的轴系组件20上，第二离合器42安装在推进器100和轴带发电机30之间的轴系组件20上，第一离合器41和第二离合器42用于连通或切断其所安装位置处的轴系组件20的动力传输。储能电池50用于充电储能和供电，变频器60用于连接轴带发电机30和储能电池50。

船舶混合动力系统在使用时，在原动机10的运行负荷大于第一负荷值时，则使第一离合器41连通原动机10至轴带发电机30之间的轴系组件20，使第二离合器42连通轴带发电机30至推进器100之间的轴系组件20，原动机10工作将动力传输给推进器100，且原动机10带动轴带发电机30作为发电机运行，并将发电的电能经过变频器60存储在储能电池50中。在原动机10的运行负荷小于等于第一负荷值时，则使第一离合器41切断原动机10至轴带发电机30之间的轴系组件20，使第二离合器42连通轴带发电机30至推进器100之间的轴系组件20，且将原动机10停机，将储能电池50的电能通过变频器60输送给轴带发电机30，使轴带发电机30作为电动机运行并将动力输送给推进器100。

从上述船舶混合动力系统的工作原理可以看出，当原动机10处于大于第一负荷值的负荷时，原动机10通过轴系组件20直接驱动船舶的推进器100工作，从而驱动船舶航行，同时轴系组件20带动轴带发电机30以发电机工作，发电电能存储在储能电池50以备用，由此可以充分发挥原动机10在设计负荷区间高效率、低油耗的特点。而原动机10处于小于等于第一负荷值的负荷时，原动机10停机，并且利用第一离合器41切断原动机10和轴带发电机30之间的轴系组件20的连接，此时全部利用储能电池50储存的电能驱动轴带发电机30工作，轴带发电机30作为电动机独立驱动推进器100工作，此时原动机10完全停机，直接从根源上有效解决原动机10在低负荷区的低效率、高能耗的问题。

在一种实施方案中，如图3所示，还包括配电装置70，配电装置70用于连接变频器60和船舶上的负载200。在原动机10的运行负荷大于第一负荷值时，由轴带发电机30至变频器60再至配电装置70的电路连通，作为发电机的轴带发电机30发出的电能经由变频器60为配电装置70供电。在原动机10的运行负荷小于等于第一负荷值时，由储能电池50至变频器60再至配电装置70的电路连通，储能电池50的电能经由变频器60为配电装置70供电。

在一种实施方案中，如图3所示，原动机10的运行负荷还包括第二负荷值，第二负荷值小于第一负荷值；在原动机10的运行负荷小于等于第二负荷值时，将原动机10和轴带发电机30停机，将由储能电池50至变频器60再至配电装置70的电路连通，储能电池50的电能经由变频器60为配电装置70供电。

本实施例中的第二负荷值是对原动机10低于第一负荷值的运行负荷部分进一步细致划分，对本申请的混合动力系统做出进一步的优化。虽然原动机10的运行负荷在低于等于第一负荷值以下时，原动机10已经停止工作，实际上原动机10此时无负荷。但是为了便于整个混合动力系统判断标准的统一，即都以原动机10的运行负荷作为依据，在原动机10停机情况下，通过船舶负载的能源消耗量来间接得出所需要的原动机10的运行负荷的理想值，用原动机10运行负荷的理想值与第二负荷值进行比较。船舶的原动机10在低于等于第二负荷值以下时，一般代表船舶停港作业或者停港空闲的状态，此时推进器100完全停止，仅仅船舶上常用负载在工作，此时无需原动机10工作带动轴带发电机30供电，只需使用储能电池50的电源供电即可。

在一种实施方案中，如图3所示，在原动机10的运行负荷小于等于第二负荷值时，如果是长期的停港作业或者长期的停港空闲，船舶的储能电池50存在亏空的问题，并且如果使用原动机10低负荷运转带动轴带发电机30发电，是极其消耗能源，且非常不经济的做法。因此，本实施例在混合动力系统中设置了岸电装置80，岸电装置用于将陆地电能输送配电装置70。

在原动机10的运行负荷小于等于第二负荷值时，岸电装置80至配电装置70的电路连通，由配电装置70至负载200的电路连通，由配电装置70至变频器60再至储能电池50的电路连通，岸电装置80将陆地电能输送至给储能电池50存储，且给船舶上的负载200供电。

在一种实施方案中，如图3所示，还包括备用原动机11、备用轴系组件21、备用轴带发电机31和备用离合器组件43。备用原动机11、备用轴系组件21、备用轴带发电机31和备用离合器组件43组成的备用动力传输线路，与原动机10、轴系组件20、轴带发电机30和离合器组件40组成的主用的动力传输线路相同，两条动力传输线路之间可以互为切换，以防止一套传输线路出问题导致船舶无法航行，提高船舶航行时动力系统的抵抗风险和损坏的能力。

在一种实施方案汇总，备用轴带发电机31可与变频器60可通断电连接，实现一个变频器60同时适配主用和备用的动力传输线路，提高灵活性。

在一种实施方案中，如图3所示，基于上述方案，还包括备用储能电池51和备用变频器61；备用变频器61分别与备用轴带发电机31、备用储能电池51和轴带发电机30可通断电连接，备用储能电池51与变频器60可通断电连接。由上述实施例可知，变频器60和备用变频器61互为备用关系，且两者都能适配主用和备用的动力传输线路，并且也都能适配储能电池50和备用储能电池51，提高电能输送线路的容错能力和应急能力。

在一种实施方案中，如图3所示，混合动力系统还可以设置有控制装置300，控制装置300用于控制电力传输方向、发出控制信号、启动或者关闭对应的设备等。

综上所述，上述实施例中的船舶混合动力系统，取消了常规的发电机，使用轴带发电机30代替，其既可以发电存储，也可以作为电动机驱动推进器100工作。并且，本系统还取消了应急发电机，可以直接利用储能电池50或者备用储能电池51实现应急供电。同时，还设置岸电装置80实现船舶的插电功能。

同时，上述实施例的船舶混合动力系统可在三种负荷状态的切换，分别是原动机10运行负荷大于第一负荷值、小于等于第一负荷值且大于第二负荷值和小于等于第二负荷值，通过划分三种负荷状态，且与原动机10运行负荷对应和比较，不仅充分发挥原动机10在设计负荷区间的高效率、相对低能耗的优点，而且还能从源头上杜绝原动机10在低负荷区间的低效率、相对高能耗问题的产生。

根据本申请的第三方面，还提供了一种船舶，其包括上述方案中的船舶混合动力系统。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。