一種適用於小型高速無人艇的多工況油電混合推進系統的製作方法

2023-06-23 08:13:36

本發明涉及一種適用於小型高速無人艇的多工況油電混合推進系統，屬於船舶動力系統技術領域。

背景技術：

在全球化進程中，船舶與航運發揮了不可取代的作用，但與此同時，船舶和航運業在管控溫室氣體排放及應對氣候變化方面的速度卻遠遠落後於全球其他行業去碳化的進程。轉變發展方式、開展綠色航運已經成為船舶行業乃至整個航運業的共識。而油電混合型船舶由於其經濟性和環保性方面的優勢，已經成為船舶行業的一大熱門。

目前國內外油電混合型船舶動力系統的模式主要有：串聯式柴電混合動力系統；pto/pti可逆電機模式柴電混合動力系統。串聯式柴電混合動力系統基本原理是將由主推進柴油機帶動的螺旋槳和由主發電機/輔電動機供電的全迴轉吊艙組合用於推進，兩個螺旋槳安裝在沒有物理連接的同一軸線上；pto/pti可逆電機模式柴電混合動力系統，其中電機既可以做發電機用，也可以逆變成電動機使用，從而實現混合動力的目的。

上述各種模式下的混合動力推進系統雖然降低了船舶主機運行過程中的油耗與汙染，也在一定程度上實現了節能減排、降低運營成本的目標，但各個系統的研究設計大多都針對於大型遠洋船舶，真正應用於小船的並不多。

無人艇方面，目前多個國家都開展了無人艇技術的相關研究,美國和以色列在無人艇研究和應用方面走在世界前列,國內對無人艇的研究還處在概念設計階段,與國外相比還有較大的差距。一般的小型無人艇具備巡邏安防、地貌測繪、水產養殖、遙控測量等一種或多種功能，甚至可搭載水下機器人、無人機等，因此對自主航行、自帶避障、續航能力和航速、船舶動力系統的性能等要求較高。而現有的小型無人艇多採用單一的電動或燃油驅動，存在著或自主航行性能差、操縱性低，或經濟性和環保性低、可靠性差等問題，或不能滿足航速範圍寬、續航力大的需要等。

技術實現要素：

針對上述現狀和相關技術存在的問題，本發明提供了一種適用於小型高速無人艇的多工況油電混合推進系統。該發明旨在通過發動機、電動機的有效配合，達到節能減排、提高可靠性與機動性、增強續航能力的效果。

本發明所採取的技術方案為：一種適用於小型高速無人艇的多工況油電混合推進系統，它包括燃油艙、供油泵、發動機、第一離合器和螺旋槳推進器，它還包括第二離合器、動力分離與合成裝置、主發電機/輔電動機、主電動機/輔發電機、第一變流器、第二變流器、鋰離子蓄電池組和電池電源充電器，所述燃油艙通過供油泵與發動機連接,發動機與動力分離與合成裝置之間安裝有第一離合器，動力分離與合成裝置機械連接主發電機/輔電動機；所述主發電機/輔電動機通過第二變流器與鋰離子蓄電池組電連接，鋰離子蓄電池組還連接外接充電的電池電源充電器；所述動力分離與合成裝置與主電動機/輔發電機之間安裝有第二離合器，主電動機/輔發電機不僅通過第一變流器與鋰離子蓄電池組電連接，還連接螺旋槳推進器；所述主發電機/輔電動機和主電動機/輔發電機均採用交流電動、發電兩用電機；所述油電混合推進系統包括純電動模式、油電輕混模式和油電強混模式，所述純電動模式包含單電動機驅動工作狀態和雙電動機驅動工作狀態；所述油電輕混模式包含發動機單獨驅動並帶動輔發電機發電工作狀態和發動機帶動主發電機發電工作狀態；所述油電強混模式包含發動機、主電動機和輔電動機聯合驅動工作狀態和發動機、主電動機混合驅動並帶動主發電機發電工作狀態。

所述單電動機驅動工作狀態採用第一離合器、第二離合器斷開，電流流向為鋰離子蓄電池組經第一變流器到主電動機/輔發電機，動力傳遞路線為主電動機/輔發電機到螺旋槳推進器；所述雙電動機驅動工作狀態採用第一離合器斷開、第二離合器閉合，電流流向為鋰離子蓄電池組分別經第二變流器、第一變流器到主發電機/輔電動機和主電動機/輔發電機，動力傳遞路線為主發電機/輔電動機經動力分離與合成裝置、第二離合器與主電動機/輔發電機的動力結合共同驅動螺旋槳推進器。

所述發動機單獨驅動並帶動輔發電機發電工作狀態採用第一離合器、第二離合器閉合，電流流向為主電動機/輔發電機經第一變流器到鋰離子蓄電池組；動力傳遞路線為發動機經第一離合器、動力分離與合成裝置和第二離合器，用一部分動力驅動主電動機/輔發電機發電，另一部分動力驅動螺旋槳推進器；所述發動機帶動主發電機發電工作狀態採用第一離合器閉合，第二離合器斷開，電流流向為主發電機/輔電動機經第二變流器到鋰離子蓄電池組，動力傳遞路線為發動機經第一離合器、動力分離與合成裝置驅動主發電機/輔電動機發電。

所述發動機、主電動機和輔電動機聯合驅動工作狀態採用第一離合器、第二離合器閉合，電流流向為鋰離子蓄電池組經第一變流器和第二變流器分別到主電動機/輔發電機和主發電機/輔電動機；動力傳遞路線為發動機經第一離合器與主發電機/輔電動機一起經動力分離與合成裝置完成一次動力混合，由一次動力混合經第二離合器與主電動機/輔發電機完成二次動力混合，再由二次動力混合驅動螺旋槳推進器；所述發動機、主電動機混合驅動並帶動主發電機發電工作狀態採用第一離合器、第二離合器閉合，電流流向分為主發電機/輔電動機經第二變流器到鋰離子蓄電池組，鋰離子蓄電池組經第一變流器到主電動機/輔發電機；動力傳遞路線為發動機經第一離合器傳遞動力至動力分離與合成裝置，動力分離與合成裝置用一部分動力驅動主發電機/輔電動機發電，用另一部分動力經第二離合器、主電動機/輔發電機驅動螺旋槳推進器。

本發明的有益效果是：這種油電混合推進系統的發動機與動力分離與合成裝置之間安裝有第一離合器，動力分離與合成裝置機械連接主發電機/輔電動機；主發電機/輔電動機通過第二變流器與鋰離子蓄電池組電連接，鋰離子蓄電池組還連接外接充電的電池電源充電器；動力分離與合成裝置與主電動機/輔發電機之間安裝有第二離合器，主電動機/輔發電機不僅通過第一變流器與鋰離子蓄電池組電連接，還連接螺旋槳推進器；主發電機/輔電動機和主電動機/輔發電機均採用交流電動、發電兩用電機；油電混合推進系統包括純電動模式、油電輕混模式和油電強混模式。

該油電混合推進系統在收集多餘動能、降低油耗及提升動力系統性能優良，續航能力與自持力強；在無人艇發動機發生故障的情況下仍能依靠主電動機/輔發電機穩定航行；可充分利用電動機扭矩大且低轉速時功率輸出高的特性和發動機大功率輸出出現在高轉速區的特性，選擇較小的發動機，從而提高發動機的負荷率；由於整套系統的存在，發動機始終在最高效率區以輸出恆定功率的方式工作，可以有效的改善發動機的燃油消耗；增加第二離合器，可使得無人艇上的水下機器人、無人機等設備在作業過程中，無人艇發動機的怠速工況並沒有浪費；增加電池電源充電器可以使用岸電對無人艇進行充電；具備適應多工況作業的能力。

附圖說明

圖1是一種適用於小型高速無人艇的多工況油電混合推進系統圖。

圖2是單電動機驅動工作狀的電力和動力傳遞路線圖。

圖3是雙電動機驅動工作狀態的電力和動力傳遞路線圖。

圖4是發動機單獨驅動並帶動輔發電機發電工作狀態的電力和動力傳遞路線圖。

圖5是發動機帶動主發電機發電工作狀態的電力和動力傳遞路線圖。

圖6是發動機、主電動機和輔電動機聯合驅動工作狀態的電力和動力傳遞路線圖。

圖7是發動機、主電動機混合驅動並帶動主發電機發電工作狀態的電力和動力傳遞路線圖。

圖8是制動能量回收電力和動力傳遞路線圖。

圖9是工作模式的切換與能量管理流程圖。

圖中：1、燃油艙，2、供油泵，3、發動機,4、第一離合器，5、第二離合器，6、動力分離與合成裝置，7、主發電機/輔電動機，8、主電動機/輔發電機，9、第一變流器，10、第二變流器，11、鋰離子蓄電池組，12、電池電源充電器,13、螺旋槳推進器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

這種適用於小型高速無人艇的多工況油電混合推進系統包括燃油艙1、供油泵2、發動機3、第一離合器4、第二離合器5、動力分離與合成裝置6、主發電機/輔電動機7、主電動機/輔發電機8、第一變流器9、第二變流器10、鋰離子蓄電池組11、電池電源充電器12和螺旋槳推進器13。當無人艇處於不同的工作模式時，系統中參與工作的部件數量不同，其電力和動力（機械力）傳遞路線亦有所不同。由於船用發動機不能在低速區輸出較大扭矩，但是電動機在低速區可以高效地完成起步。因此在無人艇航行之初，鋰離子蓄電池組池11處於電量飽滿狀態，利用電動機啟動時低速大扭矩這個特性，使用鋰離子蓄電池組11提供的電力啟動。此時的工作狀態為第一離合器4斷開，主電動機/輔發電機作8為動力輸出源，主發電機/輔電動機7和發動機3均不工作。此時的電力、動力(機械力)的傳遞路線如圖2所示。若系統檢測到無人艇阻力過大，扭矩需求過高，主電動機/輔發電機8扭矩不足，則主發電機/輔電動機7自動切換到主發電機/輔電動機7模式，並提供動力。此時的電力、動力(機械力)的傳遞路線如圖3所示。

無人艇中低速航行階段（即低速巡航時），此時發動機3仍處於低效高耗狀態，而電動機在中低速時效率較高。因此，船舶在中低速航行階段，混合動力系統使用鋰離子蓄電池組11的電能驅動高效的主電動機/輔發電機8前進。此時的電力、動力(機械力)的傳遞路線如圖2所示。

巡航過程中，若系統檢測到鋰離子蓄電池組11低於一定值，則發動機3啟動，並單獨驅動螺旋槳推進器13同時主電動機/輔發電機8自動切換到輔發電機模式。此時的工作狀態為第一離合器4、第二離合器5均閉合，發動機3作為動力輸出源。此時的電力、動力(機械力)的傳遞路線如圖4所示。若遭遇惡劣天氣等無人艇需要緊急加速或全速航行的情況，則發動機3啟動，主發電機/輔電動機7自動切換到輔電動機模式，第一離合器4、第二離合器5均閉合，輔發電機、發動機3、主發電機共同驅動螺旋槳推進器13。此時的電力、動力(機械力)的傳遞路線如圖6所示。

當發動機3需要熱機或無人艇上的水下機器人等設備用電量較大而鋰離子蓄電池組11電量低於一定值且周圍無可用岸電時，第一離合器4閉合，第二離合器5斷開，發動機3和主發電機工作。此時的電力、動力(機械力)的傳遞路線如圖5所示。

無人艇遇到需要拖拽漁網、拖拽水下機器人等負載較大的情況，系統切入發動機動力作為主要動力源,由發動機3產生的動力直接驅動螺旋槳推進器13，同時部分動力被分配給主發電機給鋰離子蓄電池組11充電。此時的電力、動力(機械力)的傳遞路線如圖7所示。

無人艇減速航行時，採用制動能量回收模式工作，此時發動機3停止工作。第一離合器4閉合，第二離合器5斷開，主發電機工作，主電動機/輔發電機8切換為輔發電機工作模式。此時的電力、動力(機械力)的傳遞路線如圖8所示。

由於鋰離子蓄電池組11的存在，使發動機3工作在一個相對穩定的工況，使其排放得到改善。工作模式的選擇取決於船舶負載條件和系統自身的電量儲備，可根據一定的邏輯規則自動選擇，也可由人工遙控選擇。工作模式的切換與能量管理流程如圖9所示。