混合動力推進系統的製作方法

2023-05-14 02:12:51 1

專利名稱：混合動力推進系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及混合動力推進系統，所述混合動力推進系統適合用於那些在操作期間 具有可變動力需求的船舶中，並且本發明還涉及用於在混合動力推進系統中管理能量流的 系統和方法。
背景技術：
節能治汙的成果促使人們不斷研發和改進用於船舶和用於其他重負荷可變需求 應用的推進系統，這些推進系統減少了燃料消耗和有害排放。柴電式推進技術用在潛水艇 和水面船舶上已有很多年。一般來說，柴油發動機被耦連到發電機，而發電機向一電動機供 電，該電動機被機械地耦連到推進器。已經實施了各種類型的組合式循環推進系統，這些推進系統利用兩個或更多個不 同的動力源(結合使用或獨立使用)進行推進。例如，CODOG(柴油或燃氣組合式)裝置通 過柴油發動機或燃氣輪發動機(但不是兩者同時)提供推進力。與之相反，CODAG(柴油和 燃氣組合式)裝置可同時地以及獨立地允許兩種類型的推進。組合循環裝置已經和柴油 式、柴電式、燃氣渦輪機式和蒸汽渦輪機式推進技術的各種組合一起使用。紐西蘭皇家海軍 的多功能艦船HMNZS Canterbury具有組合式的柴電和柴油(CODLAD)推進系統。美國專利7207652公開了一種船舶推進系統，其中機械傳動軸穿過船體，並且由 位於船內的原動機或者在船外部的外殼中的電動機驅動，機械傳動軸穿過該船舶。這種 布置提供了組合式循環操作的優點，但無需在船的有限內部空間內布置電動機。在Ueda， N.禾口 Numaguchi，Hajime 的文章 The First Hybrid CRP-POD Driven Fast ROPAX Ferry inthe World(翻譯自 2005 年的 Journal of the JIME Vol. 40,No. 2)中，已將相似類型的 電艙式推進單元和常規柴油機推進系統結合。儘管已在各種船舶應用的組合式推進系統中取得了上述成果，但是這些組合式系 統已經表現出一些令人失望的結果，特別是在整體燃料和性能效率、減少排放、多功能性、 快速高效響應各種推進需求情況的能力等方面。

發明內容
在本發明的混合動力推進系統中，推進能量可以由以下能量源提供，即直接機械 配置結構中的主發動機(例如柴油發動機或其他類型的原動力發動機)、電動機_發電機 (例如柴電式配置結構中的柴油發電機)、全電式配置結構中的蓄電池、或者這些能量源的 任意組合。船舶膳宿負荷和輔助能量需求(比如絞車和其他操作裝備)也通過混合動力能 量源得到滿足。能量管理系統在可用的能量選擇之間切換，並且響應推進負荷的需求、膳宿 負荷和/或輔助能量的需求改變各種能量源的操作和輸出，實現多種操作模式。推進系統 在多種操作模式上進行操作允許優化推進系統對各種情況的響應，從而提高了整個系統以 及獨立的各能量源的燃料和性能效率，減少了排放並快速高效地滿足了各種能量需求。在 某些實施例中，自動能量管理系統(EMS)實現了基本上連續可變範圍的系統操作模式，並
5且動態轉變各種能量源的操作以滿足推進能量需求和其他能量需求。本發明的混合動力推進系統是參考船舶推進系統進行描述的，並且合併有船舶推 進設備配置的創新方案。該系統尤其適合在具有高推進負荷能力要求和可變動力需求的船 舶中使用，其中通常會在間歇的時間段上需要較高的動力。該混合動力推進系統是參考與 雙傳動、雙推進器裝置中的電動機-發電機單元協作操作的主發動機(例如柴油發動機) 進行描述的，並且特別設計成用於船舶(比如拖船)。但是該混合動力推進系統可以在其他 船舶和可變動力需求應用中使用，並且可以在單發動機、單驅動系和/或單推進器裝置中 實施。額外的能量需求可以得到滿足並且額外的能量源也可以合併到本發明的系統中。這一混合動力推進系統提供了高效地產生、存儲和利用能量的能力，並且在配置 結構方面提供了相當大的靈活性。本文描述的混合動力推進和能量管理系統使多個主驅 動發動機的非必要操作減至最少，僅在其高效範圍內操作主驅動發動機，並且允許用單發 動機或較小德爾發動機來為大量負載提供動力，從而減少燃料消耗和有害排放。該設計利 用電能存儲和高級動力轉化技術提供了靈活的配置結構，該配置結構通常合併有直接柴油 式、柴電式和全電式推進。該系統可適應各種替代性能量源的使用，可在船上獲得和可從輔 助源(比如岸基源)中獲得這樣的能量源時。這種系統的靈活性允許其可被配置成滿足寬 廣範圍的船工作負載循環和動力要求。推進動力源的新穎布置和控制技術可由能量管理系統(EMS)操作，很少需要或不 需要操作員控制輸入。根據某些實施例，EMS能夠配置發電設備(包括多個推進動力源)，以 便通過採用智能負荷共享、能量分配和扭矩優化技術在寬廣範圍的推進需求和其他能量需 求上來實現較高效率。以這種方式，在寬廣範圍的所需軸輸出速度上高效利用船舶的(一 個或多個)主推進發動機(例如柴油發動機)和其他能量源。通常，(一個或多個)主發 動機、(一個或多個)電動機_發電機、(一個或多個)輔助發電機和(一個或多個)蓄電 池為推進需求和輔助需求比如「膳宿」負荷(燈光、空調、家庭水泵等等)，需要動力的輔助 設備比如絞盤等等提供動力。主推進發動機(例如柴油發動機)通過例如離合器裝置機械地耦連到驅動系，並 且也連接到在公共驅動系上布置的電動機-發電機。來自主推進發動機的輸出可驅動推進 輸出軸(例如推進器)或其他電動機-發電機、或者這兩者，這取決於負荷需求以及選擇或 實施的操作模式。(一個或多個)電動機-發電機一般可用於作為給電分配系統(例如總 線)供應能量的發電機操作，或作為驅動輸出軸的電動機操作，這取決於船的推進需求或 負荷以及實施的操作模式。遍布在系統中的電能分配被供應給公共總線(一般為直流總線)或從公共總線獲 得供應，並且直流(DC)總線和推進電動機-發電機之間的能量流優選是雙向的。雙向流允 許電動機-發電機在它們具有多餘的發電容量時，將多餘的能量供應給總線，同時也允許 在可獲得多餘能量時，讓電動機_發電機從總線獲取能量作為推進發動機操作。主能量分 配總線也一般提供雙向能量流給一個或更多能量存儲系統(例如電池組)，允許在獲得多 餘能量時給能量存儲系統充電，並且在需要時從能量存儲系統中獲取能量。也可以將得自 其他船載或輔助系統比如輔助發電機、岸電、風渦輪機、水渦輪機、太陽能和/或光電電池 等等的能量供應給主能量分配總線。輔助能量需求，比如膳宿負荷、絞盤和其他操作設備等 等也可以從主能量分配總線得到滿足。在低需求或負荷期間，推進需求可以通過電池和/或輔助發電機動力得到滿足並且經由主能量分配DC總線和(一個或多個)相應轉換器供 應。在推進需求需要少於產生的動力的100%時，多餘的動力可用於給能量存儲系統充電和 /或滿足其他能量需求。混合動力系統一般包括至少兩個提供推進能量的源，其包括至少一個(優選是兩 個)與主推進發動機同軸布置的電動機/發電機。電動機/發電機單元優選通過離合器連 接到至少一個推進輸出構件，比如(一個或多個)推進器和/或Z型驅動器，或具有類似功 能的裝置，從而允許在(一個或多個)主發動機不操作時隔離主發動機並且允許推進驅動 系和推進輸出構件的操作。使用離合器還允許關聯的電動機/發電機作為獨立於推進驅動 系的發電機操作。(一個或多個)主推進發動機可用於驅動配備在公共驅動系上的(一個 或多個)電動機/發電機，其中公共驅動系上耦連有或沒有耦連Z型驅動器。可以設定系統的能量存儲容量的大小，並且根據需要將其配置成提供滿足最小需 求期間船的推進和輔助需求的能量，並幫助系統滿足超過聯機(在線)主發動機容量的短 時間的臨時動力要求。這提供了系統的靈活性並改進了響應能力，因為它允許系統橋接了 在需要於較長時間上增加動力需求時使額外發電容量聯機所需的時間。在一個實施例中， 以鉛酸電池組的形式來提供化學儲存。可在系統中額外地或替代性地併入替代類型的電池 和能量存儲裝置。在旋轉儲備能量可用時，系統的能量管理系統(EMS)以可能的最高效的 方式來使用可用的動力，以補充能量存儲儲備，同時滿足推進和任何輔助負荷的動力需求。混合動力推進系統通常使用雙總線電氣系統，該雙總線電氣系統具有適當的轉換 器來提供AC和DC總線之間的雙向能量流。一個或更多AC總線一般為膳宿負荷和其他相 對低衝擊的輔助動力需求提供動力，同時DC總線一般是功率分配源，用於所有主要推進需 求和其他高功率需求比如絞盤和其他高功率設備。(一個或多個)AC總線可從DC總線獲取 能量，並且可額外提供一個或更多個輔助發電機，以直接給AC總線提供電力。AC總線上的 多餘能量可供應給DC總線，以提供推進動力並滿足其他系統需求。當多餘能量從(一個或 多個)AC總線供應給DC總線，並且從DC總線供應給(一個或多個)電動機_發電機以滿 足推進需求時，(一個或多個)輔助發電機因此間接為推進需求供應能量。在一個實施例 中，變頻驅動器(VFDs)連接在DC總線和(一個或多個)電動機-發電機之間，並且用於提 供動力來滿足特定的電動機_發電機速度和/或扭矩要求。通過讓主發動機在高效率的低排放範圍內操作(一個或多個)，並且在需要時從 其他源供應推進能量來滿足推進需求和支持發動機以高效率操作，所述混合動力推進系統 在發動機操作、燃料消耗和維修要求方面取得了顯著的效果，並減少有害排放。高負荷能力 發動機和原動機典型地在一般的高輸出範圍內能夠最高效地操作，但是它們在低需求操作 期間也會在相當低效的低輸出範圍內操作。例如，柴油發動機的特定燃料消耗(SFC) —般 隨負荷減少。對於Caterpillar 3512柴油發動機，例如在100%負荷時的SFC近似為0. 064 美國加侖/馬力小時，而在25%負荷時的SFC近似為0. 081美國加侖/馬力小時。更低負 荷(比如在船靜止和緩慢通行期間的負荷)時的SFC甚至更高，這極大降低了操作效率並 增加了有害排放。在低功率水平操作的高負荷能力發動機的高SFC通過產生熱量浪費了能 量，並且由於低效燃燒產生了更高水平的有害廢氣排放。本發明的混合動力推進系統通過操作員或自動系統選擇各種操作模式由EMS操 作，從而以高效方式滿足可變的推進和輔助能量需求。(一個或多個)主發動機典型地僅在其具有高效率和低SFC的操作範圍內操作。這主要減少了在功率曲線的低端處燃料用量， 並因此對總排放的減少產生了不成比例的很大的影響。因此在此描述的混合動力推進系統 降低了在(一個或多個)主推進發動機輸出每單位能量產生最大排放的區域中無用的燃料 消耗。(一個或多個)主發動機在其具有高效率和低SFC的操作範圍內操作時(操作範 圍典型是高輸出操作範圍)，它們可滿足推進需求而不需要來自其他能量源的輸入。在(一 個或多個)主發動機的輸出超過推進需求時，多餘的能量通過關聯的電動機_發電機分配 到能量分配系統並被用來滿足輔助能量需求或存儲在系統中。在高推進需求期間，系統負 荷要求可通過多個源滿足，這些源包括(一個或多個)主發動機、能量存儲器和輔助發電容 量。在低推進需求期間，(一個或多個)主發動機一般不操作，並且滿足推進需求的能量從 能量存儲器和/或輔助發電容量供應。通過在更高效率、更低排放範圍內操作主推進發動 機，本發明的推進系統在混合動力模式中的操作因此提供了極大的效率並減少了排放，而 不論主推進發動機為何種類型。本發明的混合動力推進系統可額外提供操作控制特徵和排放控制特徵(除了在 主發動機配備的排放控制設備之外)，以確保主發動機在期望的操作參數內操作。操作控制 可以按若干不同方式實現。在高負荷需求情況下，例如當(一個或多個)主發動機正在運 行並且(一個或多個)電動機/發電機正在額外提供正扭矩給驅動系時，EMS可被配置成 控制或限制(一個或多個)主發動機貢獻的扭矩量，有效將發動機操作限制在指定的輸出 扭矩或低於指定的輸出扭矩，而不限制推進器可獲得的動力。以這種方式，(一個或多個) 主推進發動機可以其整個功率曲線上的最佳效率操作，使產生的發動機排放減至最少。根據一個實施例，發動機操作被限制為在推薦界限或低於推薦界限的輸出扭矩範 圍內的操作，其中(一個或多個)電動機/發電機提供能量來滿足推進需求，超過推進需求 的能量由在推薦的扭矩範圍內操作的(一個或多個)主發動機滿足。對於在美國的操作， 例如發動機操作可被控制為在處於所有輸出需求時都要保持低於本地或州或聯邦管理機 構推薦的不可逾越(NTE)的界限，而多餘的能量由混合動力推進系統的其他組件提供。各 種NTE界限可被編程到系統中，或者可由操作員根據本地規章、操作條件等等來選擇。低效的燃料燃燒和發動機操作不僅產生高水平的有害排放，而且導致發動機組件 過早退化，並增加了維修頻率和成本。可操作本發明的混合動力系統，以提供改進的發動機 性能和耐用性，並降低維修成本，提供更方便的維修計劃等等。在本發明的作業系統中，(一 個或多個)主推進發動機和/或(一個或多個)主推進電動機-發電機可通過限制或控制 除扭矩之外的各種參數比如輸出的每分鐘轉數(rpm)、操作時間等等來提高效率和性能。通 過不需要頻繁地進行發動機檢查、機油變換、空氣和油過濾器更換以及提高預測、管理和安 排維修事件的能力實現了整個設備工況良好和維修方面的益處。混合動力推進和能量管理 系統的其他組件，比如輔助發電機，能量存儲系統、輔助能量產生系統等等也可被監視和控 制，以提高整體系統效率和耐用性，並且運行適合滿足特定操作條件和組件配置的專門的 操作模式。


圖1圖解說明了本發明的示例性混合動力推進和能量分配系統的示意圖，該系統適於和具有可變動力需求的船舶一起使用。圖2A示出了一示意圖，其圖解說明了示例性的系統操作的最小排放模式，該模式 適合在船不活動以及緩慢通行和/或無負荷通行期間操作具有高負載量推進系統的船舶， 其中最大連續推進負荷在延伸期間(或稱擴展時段或擴展周期)不超過最大推進負荷潛能 的大約5%到10%。圖2B圖解說明了處於低動力需求、最小排放模式、緩慢通行狀態的推進和能量管 理系統的示例性操作的示意圖。圖3A示出了一示意圖，其圖解說明了示例性的系統操作的經濟巡航模式，該模式 了提供進行連續慢通行或中間速度通行以及低動力輔助工作的能力，在低動力輔助工作 時，最大連續負荷在延伸期間不超過最大推進負荷潛能的大約15%到35%。圖3B示出了一示意圖，其圖解說明處於一般的低到中間動力需求模式的推進和 能量管理系統的示例性操作。圖4A示出了一示意圖，其圖解說明具有從大約30%到70%最大推進負荷潛能的 更寬且更高範圍推進負荷能力的系統操作的中間範圍模式。圖4B示出了一示意圖，其圖解說明了處於一般的中間水平動力範圍需求模式的 推進和能量管理系統的示例性操作。圖5A示出了一示意圖，其圖解說明了操作的全動力模式，該模式為連續的快轉換 提供高負載量推進操作和全動力輔助要求，全動力輔助要求具有大約60%到100%或更多 最大推進負荷潛能的負荷能力。圖5B示出了一示意圖，其圖解說明了處於提供高負荷能力推進的一般的高負荷 需求模式的操作的推進和能量管理系統的示例性操作。圖5C示出了一示意圖，其圖解說明了處於滿足超過額定系統功率的推進負荷需 求的一般的臨時高負荷需求模式的操作的推進和能量管理系統的示例性操作。
具體實施例方式圖1示意性地圖解說明了示例性混合動力推進系統。本發明的混合動力推進系統 包括至少兩個提供推進能量的源，並且合併了至少一個(優選兩個)主推進發動機，比如柴 油發動機10和10』(例如左舷和右舷柴油發動機)，以及至少一個(優選兩個)電動機-發 電機單元14和14』。在本發明的混合動力系統的實施例中(該實施例特別適於在具有可 變性高的操作和性能要求的船舶比如拖船中使用)，該混合動力系統的驅動繫結構包括兩 個主推進發動機10，10』，每個主推進發動機或者被直接地或通過機械驅動系統或傳動系統 (比如方位推進器12和12』)，通過推進驅動系，耦合到推進輸出構件比如推進器(或螺旋 槳)18和18』，每個推進驅動系設置在獨立的且並行操作的軸上。雖然在本說明書中以方位 推進器作為示例，但是顯然可在本發明的推進系統中使用其他類型的傳動箱和傳動系統。主推進發動機10和10』優選被額定成給系統提供基本處於或稍微高於期望最大 推進負荷潛能的推進輸出，儘管本發明的混合動力推進系統能夠使用系統管理的替代推進 能量源在有限的持續時間期間達到超過主推進發動機的額定輸出的推進輸出。提供不同推 進輸出水平的不同類型的發動機可用於不同的船舶應用。使用具有至少大約2000馬力的 額定輸出的Cummin主柴油發動機和Rolls Royce Z型驅動器是在提供高推進負荷能力的拖船船舶應用中使用的示例。電動機-發電機14和14』 (例如圖1所示的左舷和右舷MG單元)配備在每個主 推進發動機和推進器18、18』之間的軸線中。每個電動機-發電機單元與主推進發動機和 輸出軸「直線」排列，並且能夠在以電動機模式操作並且離合器機構16、16』嚙合時向相應 的輸出軸(和推進器)提供推進動力。每個電動機-發電機單元也能夠以發電機模式操作 並向船的電力管理系統提供電力。電動機-發電機優選能夠在短暫的持續時間超過額定的 輸出功率操作。電動機_發電機單元能夠作為AC(交流)電動機比如AC鼠籠式感應電機 提供。具有895Kw額定輸出的西門子(Siemens)雙軸AC鼠籠式感應電機的使用是在提供 高推進負荷能力的拖船船舶應用中使用的示例。其他類型的電動機_發電機單元也是已知 的，並且可用於本發明的系統中。本發明的推進系統操作時每個發動機、電動機-發電機、傳動軸和推進器組合「直 線」排列，使得每個傳動軸因此每個推進器可僅由主發動機、僅由電動機-發電機單元或者 由兩個源同時直接驅動。每個軸可配備離合器15、15』，其允許主發動機轉動主軸或從驅動 系統斷開，因此允許(一個或多個)電動機-發電機在(一個或多個)主發動機關閉時或者 轉換時充當(一個或多個)原動機。每個主軸也具有離合器16、16』，允許每個電動機-發 電機在離合器16、16』嚙合時作為驅動輸出軸的電動機操作，或者在離合器16、16』沒有齧 合時作為向能量分配系統感應能量而不驅動輸出軸的發電機操作。混合動力推進系統額外包括能量分配系統並且一般合併有雙總線裝置。DC(直 流)總線一般作為針對船上的所有主要負荷(包括推進和其他主要負荷)的電源和能量分 配系統提供，並且優選適應船的能量存儲容量。在圖1示出的實施例中，DC總線20通過一 個或更多驅動器22、22』連接到每個電動機-發電機單元14、14』，驅動器22、22』在DC總 線20和電動機-發電機單元14、14』之間提供雙向動力流。每個電動機_發電機單元14、 14』能夠彼此獨立地從DC總線20獲取能量並且返回能量給DC總線20，並且最高效地滿足 實時推進要求。在一個實施例中，驅動器22、22』包括變頻驅動器。使用變頻驅動器耦連到 電動機_發電機和能量分配系統允許推進電動機_發電機向DC總線提供動力而不管主驅 動發動機的操作和速度如何。在主發動機和推進器之間的軸線上提供電動機_發電機，並 且在電動機-發電機和DC總線之間提供變頻驅動器就允許電動機_發電機提供推進動力 或充當發電機並向DC總線供應能量，這取決於任意時間處不同推進需求下的系統需要。推 進力的電能和其他要求可由輔助柴油發電機、連接到其相應電動機-發電機的主柴油發動 機或由這些系統的組合產生。DC總線20也通過適當的轉換器比如DC/DC轉換器26、26，連接到一個或更多能量 存儲系統，比如電池24、24』。當與適當的能量管理系統(EMS) —起使用時，DC/DC轉換器允 許該系統在DC總線上保持基本恆定的電壓，並且當存在多餘的發電容量時，用多餘的能量 給電池24、24』充電，以在DC總線上保持恆定的電壓。DC總線也可連結到膳宿負荷分配系統，比如通過斷路器31連接的一個或更多AC 總線，並且向其提供動力。在一個適合在拖船船舶應用中使用的示例實施例中，每個AC總 線包括600V三相60Hz總線。(一個或多個)AC總線一般給系統的膳宿負荷供電，並且可供 應其他輔助的非推進動力需求。膳宿負荷分配系統在這個實施例中包括總線30、30』，其可 通過DC/AC轉換器32、32』連接到主DC總線。轉換器允許AC總線和DC總線之間的雙向能
10量流，並且被設定尺寸以便於所有預計的負荷。可提供輔助發電機34、34』，並將其連接到膳 宿負荷分配系統，以向(一個或多個)AC總線供應額外的能量來補充膳宿負荷要求，和/或 根據推進、膳宿效率和/或排放要求指示給DC總線補充能量。在一個示例實施例中，輔助 發電機包括250kW的II等船服務發電機。在一些實施例中，額外的動力需求可通過主DC總線滿足。使用本發明的混合動力 推進和能量管理系統，例如高負荷能力絞盤(比如船首和船尾絞盤28、28』)可額外從DC總 線例如通過驅動器29、29』(比如變頻驅動器)供電。應該意識到，其他具有高功率要求的 設備也可通過適當的轉換器或驅動器由DC總線動力驅動。在某些情況下，在由DC總線動 力驅動的輔助設備比如絞盤的操作期間產生的再生能量也可以返回給DC總線用於分配， 以滿足系統中其他地方的能量需求。較低能量要求的設備也可由DC總線或AC總線動力驅 動。額外的動力源，比如(一個或多個)船載或基於岸的光電動力源、(一個或多個) 風電或潮電動力源等等可用於向混合動力系統提供輔助能量。輔助能量源可被耦連成向 (一個或多個)AC總線和/或DC總線提供能量。輔助動力系統，比如岸電可由本發明的混 合動力推進和能量管理系統使用，用於向推進負荷和輔助負荷兩者提供能量。在岸電可用 時，系統可使用它來為膳宿負荷和輔助負荷提供動力，和/或補充存儲的能量源，這在岸邊 時就不必要操作柴油發動機並且減少還消除了對船載電存儲容量的依賴。通常期望從電網 補充船載能量存儲，因為這減少了發動機排放並且岸電通常更高效地產生，比船舶主發動 機提供的動力產生更少的排放。可提供岸電力變壓器並通過例如適當的DC/DC轉換器饋送 給DC總線。本發明的系統合併有船載可更新且可再充電的能量存儲系統，比如電池，以提供 存儲容量來支持低動力需求，以及提供操作模式之間的一般性短穿越容量。雖然認識到存 在許多電池選擇，但是在一個在實施例中，採用吸附的玻璃纖維隔板或凝膠電池技術的鉛 酸電池被採用。對於許多應用，提供密封無需維護的選擇、能夠接受快速放電/再充電率和 相對長的循環壽命的鉛酸電池技術是優選的。這些電池優選裝配在它們不影響船操作並且 不可能被損壞的船位置處。這些電池可被配置以保持船的緊急電池上的電荷，並且能量存 儲系統優選裝配有DC/DC轉換器，以向主DC總線提供能量。替代的能量存儲選擇，比如鎳 金屬氫化物(NiMH)和鈉鎳氯化物(NaNiCl)電池也可用於電池存儲和補充。可意識到的是，這個發電設備概述是示例性的並且組件的具體布局和排列以及組 件額定值和容量可變化，以適應不同的推進和輔助動力需求。圖1所示的混合動力推進系 統顯示為雙發動機、雙發電機系統，其中提供大體鏡像的推進系統和驅動系以驅動雙推進 器。可意識到的是可以提供單發動機和多發動機系統，並且使用本發明的混合動力推進和 能量管理系統來操作它們。也意識到的是混合動力推進系統可作為單獨的新安裝的系統提 供，或者各種組件可被翻新(改造)和重配置，以將現有的推進系統轉換為本發明的混合動 力推進和能量管理系統。在混合動力系統被改造為現有系統時，可保持現有的AC配電盤，並且如果需要額 外的AC動力，現有的AC配電盤可整合到額外的AC配電盤中。先前存在的AC配電盤可被 配置，從而例如必然僅供應膳宿負荷，同時輔助發電機進入者、甲板絞盤和其他高功率要求 組件的現有連接可被改道到主能量管理DC總線。甲板絞盤和其他顯著負荷優選由頻率驅散DC總線操作。這增加了 AC總線的穩定性並減少了電壓波動對連接的膳宿負荷的影響。連接在DC總線和AC總線之間的轉換器允許能量從主DC總線根據需要流到(一個 或多個)AC總線，以滿足船的膳宿負荷和其他AC負荷。通過(一個或多個)轉換器或(一 個或多個)變頻驅動器，動力也從主DC總線提供給(一個或多個)推進電動機-發電機單 元，以在電動機操作來驅動輸出軸的操作模式期間給軸提供動力。在電動機_發電機在發 電機模式操作的操作模式中，能量從電動機供應給主DC總線，以為輔助需求提供能量並且 根據需要將能量存儲儲備再充電。在輔助發電機之一或者兩者都運行並提供動力給AC總 線時，多餘的能量通過轉換器從AC總線供應給DC總線，以為從主DC總線提供的推進力和 其他需求提供動力。隨著系統動力和推進需求改變，混合動力推進和能量管理系統的操作被調整並改 變，以在來自多個源的寬廣範圍的需求之間提供高效操作。在某些控制和實施方案中，操作 員可選擇期望的輸出，或者輸出的組合，允許推進和能量管理系統以大多數燃料高效的方 式、最低排放的方式、整體最能量平衡的方式等等滿足輸出需求。推進和能量管理系統的操 作可以根據預定的操作協議由EMS自動監視和控制。在預定的操作模式由操作員提供並且 可由操作員選擇或由系統根據操作員指定的期望的輸出要求選擇的實施例中，可提供幾個 或許多不同操作模式。在替代實施例中，系統可在基本連續可變的模式中操作，因為EMS監 視組件和整體系統性能和能量和動力需求，並基本實時識別首選的操作參數，根據系統配 置、可用的能量源等等以最高效的方式操作混合動力推進和能量管理系統。示例性操作模式可被認為是概念模型的組件，概念模型被設計為幫助操作員理解 哪些操作參數是系統可能選擇的，以及使用各種系統和操作模式配置預計什麼水平的系統 性能、燃料節約和排放減少。當在一操作模式中要求的負荷超過系統容量的時間比預定的 時期長時，控制系統可自動逐步增強系統模式以達到所需的發電量。雖然下面參考圖2A-5C 描述了多個不同的操作模式，但是可意識到這些操作模式是示例性的並且額外和/或不同 的操作模式是可行的，並且在某些情況下是所期望的。可意識到圖2A-5C中的每個圖中顯 示的特定組件配置對於每個特定操作模式是示例性的，標籤其他配置在每個模式內是可行 的。圖2A示出示例性最小排放模式操作方案，其適合在不活動且慢通行和/或無負荷 通行期間的船操作，其中最大連續負荷在延伸期間不超過最大推進負荷潛能的大約5%到 10%。該模式一般用於船不活動期間，此時船拋錨停靠並且不獲取岸電、船正在以非常慢的 速度移動並且不牽引負載以及連續負荷在延伸期間不超過最大容量的大約10%。在最小排 放模式下的操作通常只利用電池存儲容量來供應主DC總線和推進需求，利用電動機-發電 機用於額外的能量容量和存儲。在圖2A所示的示例性最小排放模式方案中，存儲在船載電 池24、24，的能量通過適當的轉換器饋送到DC總線20。主DC總線20通過適當轉換器32、 32』為AC總線30、30』提供動力以滿足膳宿負荷需求。(一個或多個)適當的饋送器、斷路 器可配備在AC和DC總線上，如本領域公知的。如果有必要或希望，在延伸期間，膳宿負荷 一般僅僅從電池源得到滿足。在這種最小排放模式的操作中，根據需要，主DC總線20也可向電動機_發電機 單元14、14』提供能量，以滿足相對低的推進需求。在這個配置中，電動機-發電機離合器 16、16』嚙合以驅動推進器18、18』。主發動機10和10』都沒有在操作，並且主發動機離合器15和15』也沒有嚙合來給傳動軸貢獻推進輸出。但是主發動機10和10』保持在準備啟 動狀態，使增加的推進需求待決或者切換到不同的更高推進需求的操作模式。一般，能夠給 AC總線30、30』提供能量的輔助發電機34、34』都不在最小排放模式操作。但是輔助發電機 34,34'之一或兩者可以處於準備好的(備用模式，並且可用於通過關閉開關35、35』為AC 總線30、30』之一或兩者提供能量。在這個操作模式中，AC總線30、30』也通過轉換器32、 32』向DC總線20提供能量，從而根據需要向電動機-發電機單元14、14』提供推進能量。對於低能量和低推進動力需求，如一般在最小排放模式中經歷的，存儲的能量足 以滿足能量和低推進動力需求。典型地，預先確定的最小電池電荷水平被識別並且併入能 量管理系統的控制邏輯中。當達到最小電池電荷閾時，輔助發電機之一或兩者開始給AC總 線提供能量。在AC總線上可獲得多餘能量的方面來說，多餘能量從AC總線饋送到DC總線， 從而滿足推進需求或其他的船需求，比如絞盤動力需求等等。在DC總線上可獲得多餘能量 的方面來說，多餘能量從DC總線供應到能量存儲系統(電池)，以恢復電池動力。在電池動 力恢復為希望的水平或預定水平時，輔助發電機之一或兩者可以是不活動的，或者膳宿需 求已經減少或推進需求已經減少，或者這些情況的某個組合。主發動機、電動機-發電機單 元和離合器的直線排列允許驅動系在低推進需求情況下操作而不操作主發動機，並且也允 許電動機-發電機單元作為發電機操作，提供用於分配的能量，並且獨立於推進驅動系在 系統的其他地方使用。圖2B圖解說明系統中的類似最小排放、低推進動力操作模式，該系統示意說明為 具有單個電分配總線120。實箭頭表示在該操作模式期間的能量流方向。在這個最小排放、 低推進動力操作模式中，在需要能量來保持期望的總線容量時，能量從電池組124傳送到 總線120，並且在可獲得超過保持期望的總線容量所需能量的能量時，能量從總線120供應 給電池組124，如實箭頭指示的。推進器118和118』由操作在驅動電動機模式並通過嚙合 的發電機離合器116、116』分別連接到傳動軸的電動機-發電機114、114』專門驅動。驅動 處於驅動電動機模式的電動機-發電機114、114』的電能由總線120供應，如實箭頭指示的。 主推進發動機110和110』在這個操作模式中沒有被激活，因此以淡色樣顯示，並且沒有齧 合主發動機離合器115、115』。輔助發電機34、34』可選擇性地被激活，並且可間歇操作，如 虛線指示的，以向總線120供應能量(如黑色箭頭指示的)，根據需要用於膳宿和/或推進 需求。圖3A圖解說明在示例性的一般相對低推進動力需求巡航模式操作的本發明的推 進系統，其中推進和能量管理系統為連續的慢通行以及低動力輔助工作提供推進能力。通 常來說，這個操作模式在最大連續推進負荷是推進系統的最大負荷能力的至少約5%但不 超過約35%時是合適的。在這個操作模式中，來自電池存儲系統24、24』的能量一般可用 於為DC總線20提供能量，並且至少一個，優選兩個輔助發電機34、34』被激活並操作，以向 AC總線30、30，提供能量，並且通過適當的轉換器32、32，向DC總線20提供能量。DC總線 20分配能量給電動機-發電機單元14、14』，其通過嚙合的離合器16、16』驅動輸出軸和推 進器18、18』。在低推進動力需求巡航模式的輔助發電機34、34』的操作一般由推進系統的 需求和膳宿和其他負荷需求確定，並且由組件效率曲線、組件容量和整個系統的配置確定。 一般首先從電池存儲器和輔助發電機獲取能量，並且如果需要額外的推進動力，或如果需 要額外的能量來滿足膳宿或輔助需求，則可使主發動機之一聯機。
通常來說。如果電負荷和/或推進負荷需求超過(一個或多個)輔助發電機的容 量的時間長於預定的時期，那麼EMS自動啟動主發動機10和10』中的至少一個來滿足能量 需求並實現必要的發電。圖3A所示的操作配置包括輔助發電機34、34』和主發動機10的 操作，主發動機10通過嚙合的離合器15為驅動系和推進器18提供推進動力。低推進動力 需求巡航模式一般要求激活單個主發動機。並且，在一般高效率、高輸出狀態的發動機操作 提供推進動力並提供多餘的能量生成，多餘的能量生成通過電動機-發電機14返回到主能 量分配總線20。提供給總線20的多餘能量可用於輔助動力需求，以補充能量存儲系統，並 且如下面所述的，提供推進能量給相對的輸出軸。本發明的混合動力推進和能量管理系統配置優選允許單個主發動機驅動兩個推 進輸出軸。在圖3B所示的示例性實施例中，主發動機110在一般高效率、高輸出模式操作， 以直接驅動其輸出軸上的方位驅動器112和推進器118。在這個實施例中，主發動機110也 驅動處於發電機模式的電動機_發電機114，以向DC總線120提供能量(由箭頭指示)，DC 總線20然後供應能量給電動機/發電機114』，電動機/發電機114』操作在驅動模式以驅 動其他傳動軸上的方位驅動器112』和推進器118』。在這個配置中，輔助發電機134、134』 也操作，以向總線120提供能量(由箭頭指示)。因此，在圖3B所示的相對低推進動力需求配置中，一個主發動機和兩個輔助發電 機可用於供應推進動力需求和膳宿與輔助動力需求兩者。這個配置減少了需要兩個主發動 機用於推進的時間並且使得(一個或多個)主發動機能夠在比其其他情況下更高的效率運 行，主發動機在高負荷範圍操作更高效。總線上多餘的能量供應給電池存儲系統124，電池 存儲系統124 —般處於充電狀態。控制器可被編程以更替在發動機和船舶的整個生命周期 在這個模式中指定為主要應答器的主發動機。和其他操作模式一樣，臨時需求的暫時可由 電池存儲系統提供。中間範圍推進需求操作模式示意顯示在圖4A中。這個操作模式一般為連續通行 提供充分的推進負荷能力和高百分比的船援助方案，其中最大推進負荷需求在延長的時間 不超過整體負荷能力的大約30%到70%。在這個操作模式中，至少一個，一般兩個主發動 機連續或間歇操作在一般高效率、高輸出，以滿足推進負荷、膳宿負荷和輔助負荷需求。多 餘能量供應給主電力分配總線以滿足膳宿和輔助負荷需求，並適當提供電池充電。在這個 模式中，輔助發電機之一或兩者和電池存儲器可用於輔助發電。如圖4A中所示，推進力一般由操作在一般高輸出的主發動機10、10』提供，和高效 操作一致。兩個主發動機10、10』用於通過嚙合的離合器15、15』、16、16』為方位驅動器12、 12』和推進器18、18』，提供動力。當在這個模式中操作在高輸出時，主發動機10、10』 一般 產生超過推進需求所需的輸出，並且也提供能量以驅動發電機模式的電動機/發電機14、 14』，其中能量提供給總線20用於分配並且用於滿足膳宿負荷需求、輔助負荷需求比如絞 盤需求，並給電池充電。輔助發電機34、34』在這個模式中一般不被激活，因為主發動機提 供滿足所有推進和輔助需要的輸出。如果同時在中間範圍推進模式的兩個主發動機的操作提供的推進動力和能量超 過推進、膳宿和輔助和能量存儲需求，那麼主發動機之一可被去激活，並且系統可在間歇的 時期基本如圖3B所示那樣操作。能量可從電池存儲器供應給主總線，並且在減少主發動機 操作的期間根據需要分配。如前所述，系統的靈活性允許單個主發動機用於驅動兩個推進驅動系，並且電池存儲器提供瞬時需求的臨時穿越。這個配置提高了兩個主發動機運行時 系統的效率，並且大體減少兩個主發動機運行的時間，推廣增加其負荷到最佳範圍提高了 正在操作的發動機的效率。在電池儲備量低並且推進、膳宿或輔助需求增加時，兩個發動機 可再次操作，以提供滿足形成中的需求並補充電池存儲量。控制器可被編程以更替在發動 機和船舶的整個生命周期在這個模式中指定為主要應答器的主發動機，雖然也可以提供手 工控制以允許操作員管理發動機使用來優化船舶的性能和維修日程計劃。圖4B中示意圖解說明在示意示出具有單個電力分配總線20的系統中的類似中間 範圍推進需求操作模式。實箭頭表示在這個操作模式期間的能量流方向。主發動機110、 110』通過合適的離合器裝置提供推進動力給傳動軸、方位驅動器112、112』和推進器118、 118』。主發動機110、110』也提供能量來操作處於發電機模式的電動機-發電機114、114』， 由此它們給總線120供應能量，滿足膳宿和輔助負荷，並且適當地給電池組124充電。輔助 發電機134、134』之一或兩者在這個模式中可短暫操作，如虛線表示的，以向總線120提供 額外能量來滿足更高的短暫膳宿負荷或輔助負荷，或更快更完整地給(一個或多個)能量 存儲系統充電。圖5A示意圖解說明本發明的推進和能量管理系統的全動力(功率)操作模式，其 中推進系統操作在主發動機的額定推進負荷能力的基本90%或更多。這個操作模式用於， 例如在預計將遇到針對連續快速行進和/或全動力船援助需求的更大更長持續時間負荷 時。通過提供輔助動力源和高效管理可用的動力，它允許系統滿足或者超過合併更高能力 主發動機的非混合動力推進系統的性能能力。甚至在這個模式中，在推進需求不是主發動 機負荷能力的100%時，可由軸線中的電動機-發電機發電。這個多餘的動力可供應給DC 總線，並用於膳宿和輔助動力需求，並給能量存儲系統充電。在完全操作模式中，所有的設 備是操作的，該系統能夠將比在合併具有相同輸出容量的主發動機的非混合動力系統中可 用的動力更多的動力應用於驅動器。這可用作為提供更快系統響應的手段，或者如果驅動 系能夠處理額外的扭矩，那麼就可能增加船的額定馬力。可提供針對短時期的增加的輸出。全動力操作模式中的推進力，如圖5A所示，一般由操作在一般高效率、高輸出的 主發動機10、10』提供，通過各自的嚙合的離合器提供推進動力給推進器18、18』。在推進 和能量管理系統操作在這個全動力模式時，配備在輸出軸驅動系上的電動機-發電機單元 14,14'可用於作為供應主發動機產生的多餘能量給主能量分配總線20的發電機操作，或 者作為電動機操作，從主能量分配總線20獲取能量來供應額外的推進驅動力給(一個或多 個)輸出軸。當在推進電動機模式操作時，電動機_發電機通過各自的轉換器藉助於DC總 線操作，其中給總線的能量由電池和/或輔助發電機動力的任何組合供應。輔助發電機34、 34』 一般都操作在這個模式，通過AC總線30、30』和各自的轉換器32、32』為主分配DC總線 20提供能量。在某些全動力操作模式，推進動力由主發動機和作為電動機操作的電動機-發電 機單元兩者提供，兩個推進動力源都給公共軸提供輸出。供應給能量分配總線20的任何能 量超過滿足膳宿負荷、電動機/發電機需求和任何輔助需求所需的能量，其被返回給能量 存儲系統(電池24、24』 )。主發動機、電動機-發電機單元和輔助發電機一般具有足夠的 額定動力來供應在全動力操作模式期間的所有預計的推進動力需求、膳宿負荷和輔助能量 需求。
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兩個不同的全動力操作模式示意說明在圖5B和5C在具有單個電分配總線20的 系統中，其中實箭頭指示操作期間的能量流方向。在圖5B中所示的全動力操作模式中，兩 個主發動機10、10』都通過適當的離合器裝置提供全動力輸出到方位驅動器112、112』和推 進器118、118』。兩個輔助發電機134、134』都操作以提供能量給主能量分配總線120。電 動機-發電機單元114、114』兩者都和主發動機串聯操作在電動機驅動模式並從總線120 獲取能量，以給各自的輸出軸貢獻推進動力。這個配置可用於在推進需求低於主發動機和 電動機-發電機的總負荷能力時，並且一般返回主總線120上可用的多餘能量給能量存儲 系統(例如電池組124)，能量存儲系統操作在充電模式。圖5C圖解說明全動力操作模式，其一般是在推進需求高於主發動機和電動機-發 電機的總負荷能力時短暫使用。在這個實施例中，兩個主發動機10、10』都通過適當的離合 器裝置提供全動力輸出到方位驅動器112、112』和推進器118、118』。兩個輔助發電機134、 134』都操作以提供能量給主能量分配總線120。兩個電動機-發電機單元114、114』都和 主發動機串聯操作在電動機驅動模式並從總線120獲取能量，以給各自的輸出軸貢獻推進 動力。電池能量額外提供給總線120，以在過渡周期提供超過額定推進動力(功率)的推進 動力，或滿足輔助或膳宿負荷。這個操作模式可以只是持續不變直到電池組被耗盡。一般 來說，這個過容量操作模式僅僅間歇使用，或用於滿足短暫的高功率需求。如上所述，能量管理系統(EMS)控制推進系統、能量分配系統和能量存儲系統的 操作的許多方面，從而以高效方式操作各種推進源並在整個系統分配能量，同時滿足來自 多種源的可變能量需求。EMS可包括多種功能，或者是更大作業系統的一部分，更大操作系 統一般包括操作員接口，該接口允許操作員從多個預定的操作模式選擇，提供輸入給EMS 的傳感器，輸入和各種組件輸出、能力、當前操作參數和條件、能量水平等等相關，發電機和 系統保護系統、系統維修應用、系統警報和通知應用等等。EMS典型通過操作和改變如前所 述的(一個或多個)主發動機、(一個或多個)電動機-發電機單元、驅動系和其他離合器、 (一個或多個)輔助發電機、(一個或多個)電池存儲系統的操作狀態和輸出，響應遍及混 合動力推進系統的負荷需求。在某些實施例中，作業系統可允許操作員選擇某些操作參數， 比如驅動系每分鐘轉數(rpm)和/或扭矩、通行速度(行進速度)和/或持續時間、負荷要 求和/或持續時間等等，它們由整個控制系統用於明確表達和實施適當的操作模式。與(一個或多個)推進和EMS系統的操作員接口可包括電監視器，其允許操作員 查看和監視推進和能量管理系統的操作和控制。操作模式可以是操作員選擇的或者自動實 施的。可提供並編程多個不同操作模式。操作員控制裝置，比如電子加速器踏板、操縱杆和 控制杆可被提供用於操作員輸入並耦連到推進和能量管理系統。操作員可具有通過輸入裝 置比如電子操縱杆和控制杆控制推進的選項，或者操作員可具有通過提供多個預選擇的輸 入或允許操作員指定期望輸入的接口控制推進能量管理的選項。例如可提供針對非技術人 員的簡單操作平臺，系統操作參數和警告或警報顯示在監視器或觸控螢幕上。系統也可為更 詳細的維修和信息訪問/管理提供接口，並且可將所有機械監視結合到單個平臺中。顯示 器，可選地合併觸控螢幕、各種命令組件和分立的控制項可整合成單個組件，比如主舵手室控制 臺。在任何給定時間操作中的發動機和發電機的數量由推進系統的需求和輔助負荷 比如膳宿和輔助設備要求決定。如果這些負荷超過在任何指定的操作模式操作的(一個或多個)發動機和/或發電機的容量的時間長於預定的時期，能量管理系統就自動增強系統 操作模式，並且激活適當的額外(一個或多個)發動機、(一個或多個)電動機-發電機、 (一個或多個)輔助發電機等等，以提供必要的動力生成。通過EMS，系統的控制人工提供 或以部分或完全的自動方式提供。EMS監視輸出、操作狀態和可從系統內的各種能量源獲得 的能量水平，確定系統的推進和輔助動力需求，並控制發動機、電動機-發電機單元、輔助 發電機的操作，並且更一般地控制遍及系統的能量流，以滿足負荷和動力需求。瞬時需求的 臨時穿越可由能量存儲系統提供。在本發明的一些自動控制系統中，系統操作模式可實時且基本連續地被選擇和調 節到各種系統需求，並且由EMS控制和限制。雖然上面詳細描述了若干操作模式，但是要認 識到可提供額外的操作模式。實際中，船和EMS的操作可根據由動力要求和可用的動力資 源指示的預定操作模式被自動化和操作，或者各種預定操作模式可由操作員選擇，以滿足 船當前或預計的操作要求。可在分離的面板中提供分立的控制項，以允許操作員選擇預編程 的操作模式，如上所述的。在一個實施例中，操作員可為船當前或預計的操作要求選擇最實 用的模式。超過所選模式中可用持續功率的油門加速(throttle advance)可促使自動前 進轉到下一操作水平或模式。在另一實施例中，如果船在提供比必要負荷或輸出更多的動 力的模式操作的時間超過預定時間周期，那麼EMS提供指示或信號給操作員，指出可以以 更高效的方式操作。一般來說，雖然自動模式選擇可在某些情況下提供或者可以是默認操 作，但是操作員能夠不考慮模式選擇。除了能夠在上述的動力模式中操作混合動力推進系統之外，在一些實施例中，EMS 選擇某個動力模式的能力由操作員或系統選擇多個準備就緒狀態之一限制。準備就緒狀態 可由操作員選擇或由EMS自動應用，以管理多少電池電力在操作期間被分配。提供「行進」、 「援助」和「電池恢復」動力模式是示例性的。「行進」和「援助」模式可由操作員通過可選 的控制特徵來選擇。電池恢復狀態是對全動力的限制，該限制可自動強加或在一些條件下 是可選擇的，所述條件是在可用的電池動力已經低於預定的最小值時或電池被放電或過熱 時。以這種方式，混合動力系統能夠(例如)防止主發動機在船援助操作模式期間關閉，或 防止過多動力使用造成的耗盡的蓄電池的超負載。一般來說，優選保持足夠的儲備容量，並且使其可用於短時突發地提供立即的電 推進動力到近似70%的全負荷。這減少了操作模式之間的延遲，而且同時在線路上獲得了 額外的發電量。超過預定動力水平比如65%的動力的不變的增長可被編程，以自動起動主 發動機之一或兩者。在這個情況中，可經歷最小延遲。在這種延遲不可接受的情況中，可提 前選擇全模式操作。也可提供一個或更多可選擇、可編程或已編程的排放控制特徵。美國環境保護機 構(EPA)提供扭矩和軸速度參數，它們定義例如船用柴油發動機的「不超過」(NTE)操作限 制。除了主發動機配備的排放控制設備之外，本發明的混合動力推進系統可提供操作排放 控制特徵，以確保主發動總是在EPA要求或替代的操作限制內操作。操作排放控制可確保 在主推進電動機_發電機之一或兩者和主發動機之一或兩者共享推進負荷時，(一個或多 個)主發動機在任何給定速度發展的扭矩低於EPA NTE限制。操作排放控制特徵可通過變頻驅動器實現。在一個實施例中，用於控制AC主推進 電動機的變頻驅動器操作在兩個基本開環控制方案之一中頻率控制或扭矩控制。開環頻率控制方案例如用於在僅電推進的情況。在這個方案中，控制系統確定頻率(和線性關係 的電壓)，以施加到電動機，從而達到設置點軸速度。電動機發展所需的扭矩以在給定的設 置點速度轉動軸，並且獲取的電流據此改變。開環扭矩率控制方案在組合的柴油推進力和 電推進力期間使用。在這個方案下，通過操縱電動機的電磁狀態，分開控制扭矩產生和電場 產生的電流，控制系統調節電動機速度和扭矩兩者。電動機僅僅提供所需推進器扭矩超過 在任何給定速度的EPA NTE扭矩要求的部分，允許主發動機總是準確保持在EPA NTE限制， 或者在其之下。本發明的混合動力推進和能量管理系統優選包括傳感器和監視裝置，這些裝置檢 測在系統內各種點的當前動力水平和操作參數並且將該數據傳遞給中央控制系統，該控制 系統例如由已編程或可編程的控制器(PLC)操作。可提供各種類型的控制系統和接口。例 如，分立的操作員系統控制項可提供在單獨的控制面板中，允許操作員選擇模式並且使推進 系統根據其意願聯機或脫機。可提供各種類型的人機接口。工業標準OPC協議可用於連接 到系統的PLC部分，並且標準軟體開發工具可用於開發接口。系統接口和控制器可和遠程 或中央控制或監視系統通信，使得遠程連接和監視作為一個選項可用。—般來說，在所有實際應用中，船控制系統優選利用分布的控制布局。控制功能被 推到最低的可能控制級。從系統的視角來看，這提供了對控制失敗的高防護力。在一個實 施例中，(一個或多個)速度源和發電設備中的電壓控制故障被識別，並且在產生級聯的失 敗之前清除故障。可使用2個獨立的基於PLC的控制系統實現推進力控制、監督的功率管 理和能量管理。所有關鍵的控制裝置優選被提供有高可靠性、監視的冗餘動力供應。在一個實施例中，在發動機室中和另外在操作員控制站比如舵手室中提供固定的 監視和接口站。可提供便攜維修裝置，比如筆記本計算機，並且其能夠在任何位置連接到系 統，比如Z型驅動器隔室中。和推進力控制一樣，系統將被分成兩個單獨的系統。每個操作 員站可和專用的伺服器接口，一個位於舵手室中，另一個位於工程空間，通過物理隔離提供 增加的可靠性。本設計提供了發電、分配和推進系統，使得在活動元件上的單個故障導致的船舶 動力損失不會多於其推進能力的50%。此外，在優選實施例中，系統被布置成使得導致發電 設備損失50 %的活動元件的僅僅一個單點故障是Z傳動變速箱。這相對於常規的船舶電力 和驅動系統設計具有顯著的進步，因為在常規的船舶電力和驅動系統設計中主發動機故障 一般都會導致50%的推進力損失。每個驅動系上具有多個動力選項的分布式發電設備設計 意味著在最可能出現的故障上為操作員留有餘地。能量管理系統協調發電機、分配系統和功率消耗者的性能。在許多傳統的功率管 理系統中，焦點放在中央系統的高級控制。本發明的混合動力系統的功率管理一般將該過 程的控制推到可能的最低等級。在一些實施例中，這意味者在任何可能的地方，智能負荷直 接通過頻率認識設備負荷水平並且適當減少消耗中央控制系統的功率管理功能一般包括高級別的功率分派限制，該限制從多個信 息源發展而來。源自過程變量的這個新信息被向下傳給過程控制器。過程控制器在動力中 央控制系統交付的參數內執行。這些參數可在中央控制系統的帶寬內更新。過程控制器將 在動力中央控制系統交付的參數內執行，直到參數被更新。該關鍵特性意味著不要求參數 一定要基於某個確定的基準，並且能夠從處理過程機器中預測自主性的可預測性能，而不用連續更新參數。DC控制動力系統也作為冗餘系統提供。裝備兩個獨立的高度冗餘的動力系統以向 關鍵的系統控制器負荷供應高度可靠的動力。可僅僅提供這個系統的操作員接口來進行維 護或者由於系統另一部分故障而將系統重配置成用於臨時公共模式的操作。系統優選監視 所有層次的冗餘，並且向維護人員提供詳細的狀況。通過VMS/SWBD硬連線接口可獲得系統 的概要狀況。已經參考特定的裝置實施例和附圖描述了本發明。這些特定實施例不應被解釋為 對發明範圍的限制；而是僅僅作為對示例性實施例的說明。要進一步理解的是，在不脫離本 發明範圍的情況下，可對描述的混合動力推進和能量管理系統做出許多修改、添加和替代。
權利要求
一種推進系統，包括提供推進能量的至少兩個源；以及能量管理系統，該能量管理系統控制所述至少兩個源中每個的操作，其中所述至少兩個源包括至少一個主推進發動機和至少一個電動機 發電機單元，它們被布置成驅動公共輸出軸並被連接到公共推進輸出構件，並且所述能量管理系統動態轉換所述至少兩個源中每個的操作，以滿足推進需求。
2.根據權利要求1所述的推進系統，其中所述公共輸出軸和推進輸出構件可由所述主 推進發動機和所述電動機_發電機單元獨立地驅動，並且可由所述主推進發動機和所述電 動機-發電機單元同時驅動。
3.根據權利要求1所述的推進系統，其中所述電動機-發電機單元連接到電力分配系 統，所述電力分配系統在所述能量管理系統的控制下在所述電動機-發電機單元和所述電 力分配系統之間提供雙向能量流。
4.根據權利要求3所述的推進系統，其中所述主推進發動機通過驅動所述公共輸出軸 和推進輸出構件並且驅動所述電動機-發電機單元作為發電機向所述電力分配系統供應 輸出能量，能夠獨立提供推進能量。
5.根據權利要求3所述的推進系統，其中所述能量管理系統控制所述電動機_發電機 單元作為電動機用於推進以及控制所述電動機-發電機單元作為發電機用於向所述電力 分配系統供應能量。
6.根據權利要求3所述的推進系統，其中所述電力分配系統額外連接到至少一個輔助 發電機，所述輔助發電機在操作期間向所述電力分配系統供應能量。
7.根據權利要求3所述的推進系統，其中所述電力分配系統額外連接到能量存儲系 統，在所述能量存儲系統與所述電力分配系統之間提供雙向能量流。
8.根據權利要求3所述的推進系統，其中所述電力分配系統包括DC總線。
9.根據權利要求8所述的推進系統，其中所述電力分配系統額外包括連接到所述DC總 線的AC總線，在DC總線和AC總線之間提供雙向流。
10.根據權利要求3所述的推進系統，其中所述電力分配系統包括DC總線，並且所述能 量管理系統在所述推進系統的操作期間在所述DC總線上保持基本恆定的DC電壓，並且向 所述能量存儲系統供應超過保持恆定DC電壓所需能量的能量。
11.根據權利要求1所述的推進系統，其中所述推進輸出構件是推進器或推進用Z型驅 動器。
12.根據權利要求3所述的推進系統，還包括變頻驅動器，其連接所述能量分配系統和 所述電動機-發電機單元並規定了所述電動機_發電機單元的輸出速度和/或扭矩。
13.根據權利要求1所述的推進系統，包括兩個主推進發動機和兩個電動機-發電機單 元，每個主推進發動機被布置成和電動機-發電機組合來驅動公共輸出軸並連接到公共推 進輸出構件，由此每個公共輸出軸和公共推進輸出構件既可由各自的主推進發動機和電動 機_發電機獨立驅動，又可由各自的主推進發動機和電動機-發電機同時驅動。
14.根據權利要求1所述的推進系統，其中所述能量管理系統僅僅在高效操作模式操 作所述主推進發動機。
15.根據權利要求1所述的推進系統，其中所述能量管理系統控制所述主推進發動機的操作，以將所述主推進發動機的扭矩輸出限制到選擇的水平。
16.根據權利要求15所述的推進系統，其中所述能量管理系統控制所述主推進發動機 的操作，以將所述主推進發動機的扭矩輸出限制到選擇的水平，所述選擇的水平處於或低 於管理機構規定的不可超過的水平。
17.根據權利要求15所述的推進系統，其中所述能量管理系統操作所述電動機-發電 機單元作為電動機，提供額外的推進能量給所述公共輸出軸和公共推進輸出構件，以在所 述主推進發動機的操作沒有滿足推進需求時滿足推進需求。
18.根據權利要求1所述的推進系統，其中所述電動機_發電機單元是AC電動機-發 電機。
19.根據權利要求1所述的推進系統，其中所述電動機_發電機單元是AC鼠籠式感應 電機。
20.根據權利要求1所述的推進系統，還包括能量分配系統和耦連到所述能量分配系 統的至少一個絞盤，其中所述能量管理系統控制從所述能量分配系統到所述絞盤的能量供應。
21.根據權利要求20所述的推進系統，其中所述至少一個絞盤通過變頻驅動系統耦連 到所述能量分配系統。
22.根據權利要求20所述的推進系統，其中所述絞盤額外供應再生能量給所述能量分 配系統。
23.一種合併有權利要求1所述推進系統的船舶。
24.根據權利要求20所述的船舶，其中所述船舶是拖船。
25.一種用於船舶上的混合動力系統，其包括布置在公共驅動系上提供推進能量的獨 立可操作的至少兩個驅動源，能量分配總線、能量存儲系統和能量管理系統，所述能量管理 系統控制所述至少兩個源的操作，並且控制所述至少兩個源、所述能量分配總線和所述能 量存儲系統之間的能量流，其中所述能量管理系統動態操作所述兩個獨立可操作的驅動源 並動態控制能量流，以滿足推進需求和在所述能量分配總線上保持基本恆定的電壓。
26.根據權利要求25所述的混合動力系統，其中所述至少兩個可獨立操作的驅動源之 一是電動機-發電機單元，其可工作於使用來自所述能量分配系統和所述能量存儲系統中 至少一個的能量的電動機模式，以滿足推進需求。
27.根據權利要求26所述的混合動力系統，其中所述電動機-發電機單元額外地可工 作於使用來自另一獨立可操作驅動源的能量的電動機模式。
28.根據權利要求25所述的混合動力系統，其中所述至少兩個可獨立操作的驅動源包 括布置在公共驅動系上的電動機_發電機單元和主驅動發動機，並且主驅動發動機和電動 機_發電機可操作以在所述能量管理系統的控制下來交替驅動所述公共驅動系。
29.根據權利要求28所述的混合動力系統，其中所述主驅動發動機和所述電動機-發 電機可操作以在所述能量管理系統的控制下同時驅動所述公共驅動系。
30.根據權利要求28所述的混合動力系統，其中所述主驅動發動機可操作為同時驅動 所述公共驅動系並且提供能量以在電動機模式或發電機模式下操作所述電動機_發電機。
31.根據權利要求25所述的混合動力系統，還包括至少一個輔助發電機，所述輔助發 電機向所述能量分配系統提供能量。
32.根據權利要求25所述的混合動力系統，還包括至少一個絞盤，其在所述系統的操 作期間耦連到所述能量分配總線並從所述能量分配總線獲取能量。
33.根據權利要求32所述的混合動力系統，其中所述至少一個絞盤通過變頻驅動系統 耦連到所述能量分配總線並從所述能量分配總線獲取能量。
34.根據權利要求25所述的混合動力系統，包括兩個主發動機、兩個電動機-發電機和 兩個公共驅動系，每個主發動機和一電動機-發電機布置在一公共驅動繫上，其中每個公 共驅動系既可由各自的主發動機和電動機_發電機獨立驅動，又可由各自的主發動機和電 動機-發電機同時驅動。
35.一種包括權利要求25所述混合動力系統的船舶。
36.根據權利要求35所述的船舶，其中所述船舶是拖船。
37.一種用於操作推進系統以滿足可變推進需求的方法，其中所述推進系統包括至少 一個主發動機和至少一個電動機_發電機單元，所述主發動機和所述電動機_發電機單元 被配置為既可獨立地又可同時地驅動公共輸出軸，所述方法包括限制所述主發動機的扭矩 輸出到選擇的水平，並且操作所述電動機-發電機單元作為電動機，在推進需求超過所述 主發動機的扭矩輸出的選擇水平時提供額外的驅動能量給所述公共輸出軸。
全文摘要
一種用於船舶和其他可變需求推進應用中的推進和能量管理系統，其監視並動態地獲取來自各種能量源的能量，從而實施多種操作模式並提供各種推進需求的高效系統操作，響應推進負荷需求、膳宿負荷和輔助能量需求而改變各種能量源的操作和輸出。該推進系統中併入有至少兩個推進源，包括至少一個主推進發動機和至少一個電動機-發電機單元，它們被布置成驅動公共輸出軸，並且能量管理系統動態轉換兩個源中每個的操作，以滿足推進需求。主推進發動機和電動機-發電機單元既能獨立地又能同時地驅動公共輸出軸，(一個或多個)電動機-發電機單元可作為驅動輸出軸的電動機操作或作為為能量分配系統供應能量的發電機操作。
文檔編號B60K6/20GK101932469SQ200880120419
公開日2010年12月29日 申請日期2008年12月12日 優先權日2007年12月12日
發明者C·賴特, E·博伊德(雷諾), J·埃爾德裡奇, J·巴雷特, J·斯特拉頓, J·阿斯平, P·賈默, R·麥肯納, T·斯圖爾特 申請人:福斯海運公司;阿斯平肯普事務所;施樂波因特能源公司