本發明涉及一種適用于工程船的油電混合動力倒車控制系統,屬于船舶動力技術領域。

背景技術：

目前國內外研究領域對于油電混合型船舶動力系統的研究更多專注于船舶正車行駛過程中，對于倒車狀態下的船舶混合動力航行的研究應用還十分罕見。在日常工程實踐過程中經常會有一些頻繁利用倒車工況進行相關作業的工程船，例如港口拖輪對被拖船實施倒車拖拽作業以及內河進行對岸行駛的船舶在不掉頭狀態下頻繁正車、倒車往復于兩岸之間的情況等等。因此，對于有頻繁倒車工況作業需要且在倒車工況下螺旋槳所需功率較大的這些工程船來說，加入油電混合動力模式就顯得十分必要。一方面，本針對于工程船的混動倒車模式可以最大限度的保證柴油發動機始終工作在最高效的轉速上，最大限度的節省油耗，從而獲得更大的續航力。另一方面，在倒車工況開始初期，船舶可以利用純電動模式下電動機扭矩大且低轉速時輸出功率高的特點，從而改善工程船倒車時的操縱性能。另外，對于工程船來說，其倒車過程中螺旋槳所需扭矩及其倒車阻力與當時船舶航速、航向與流向夾角、海況等密切相關，在螺旋槳所需扭矩不同時，選擇何種推進方式便會對工程船單位油耗的多少產生很大差異。因此，有必要提出一種針對工程船的倒車控制系統。

技術實現要素：

為了克服現有技術中存在的問題，本發明提供了一種適用于工程船的油電混合動力倒車控制系統。該倒車控制系統應根據不同倒車船速及風浪海況下的船舶倒車阻力來決定船舶倒車模式，從而有效平抑工程船在倒車過程中工況多變導致的發動機負荷波動；同時，不同倒車模式的應用也可有效提升工程船的倒車機動性及倒車能力。

本發明采取以下技術方案：一種適用于工程船的油電混合動力倒車控制系統，它包括發動機、離合器、齒輪箱、發電機、ac/dc整流器、鋰電池儲能單元、電池組管理系統和螺旋槳，它還包括駕駛臺倒車控制單元、主推進單元、電力倒車控制單元、逆變器和倒車電動機，所述駕駛臺倒車控制單元與主推進單元、電力倒車控制單元、電池組管理系統通過信號連接；所述發動機具有兩個輸出軸，兩個輸出軸通過離合器分別與齒輪箱和發電機機械連接；其中，齒輪箱與螺旋槳機械連接，電動機通過交流母線與ac/dc整流器電連接；所述ac/dc整流器通過直流母線與鋰電池儲能單元電連接，鋰電池儲能單元由電池組管理系統進行控制，鋰電池儲能單元通過直流母線與逆變器電連接；所述逆變器通過交流母線與倒車電動機電連接，倒車電動機與齒輪箱通過離合器機械連接。

在所述工程船倒車時，由駕駛臺倒車控制單元根據相應的船速、海況判斷船舶倒車阻力；根據工程船倒車時的不同阻力由駕駛臺倒車控制單元發出倒車模式指令以控制工程船以純電動倒車模式、柴動充電模式或者柴電混合模式進行船舶倒車操作。

當所述工程船的倒車阻力小于等于第一預定阻力時，控制工程船以船電動倒車模式進行倒車；其中，一號離合器和二號離合器處于分離狀態，三號離合器處于接合狀態，駕駛臺倒車控制單元控制電池組管理系統和電力倒車控制單元，使鋰電池儲能單元通過逆變器給倒車電動機供電，從而通過齒輪箱帶動螺旋槳倒轉實現工程船倒車。

當所述工程船的倒車阻力大于第一預定阻力小于等于第二預定阻力或者鋰電池控制單元電量不足時，控制工程船以柴動充電模式進行倒車；其中，一號離合器和二號離合器處于接合狀態，三號離合器處于分離狀態；所述駕駛臺倒車控制單元控制主推進單元和電池組管理系統，使發動機通過齒輪箱帶動螺旋槳倒轉實現倒車，同時，發動機通過輸出軸帶動發電機進行發電，發電機通過ac/dc整流器給鋰電池儲能單元充電。

當所述工程船阻力大于第二預定阻力時，控制工程船以柴電混合模式進行倒車；其中，一號離合器和三號離合器處于接合狀態,二號離合器處于分離狀態；所述駕駛臺倒車控制單元控制主推進單元、電池組管理系統和電力倒車控制單元，使發動機和倒車電動機通過齒輪箱帶動螺旋槳實現混動倒車。

本發明的有益效果是：對于工程船來說，采用上述柴電混合動力倒車模式可以有效平抑倒車過程中工況多變導致的發動機負荷波動、油耗增加，做到增大續航力、節能減排以及減少對海洋環境的污染；同時，工程船在進行相關作業過程中有頻繁的倒車操作且所需功率較大，采用本系統可以有效提升工程船的倒車機動性及倒車能力。

附圖說明

圖1是一種適用于工程船的油電混合動力倒車控制系統的原理圖。

圖2是倒車模式選擇流程圖。

圖中：1、一號離合器，2、二號離合器，3、三號離合器。

具體實施方式

為使本發明系統的結構布局、實現流程以及有益效果更加清楚明了的展現，下面結合相關圖示進行進一步闡述。

一種適用于工程船的油電混合動力倒車控制系統如圖1所示，駕駛臺倒車控制系統根據實際海況和船舶實際倒車速度估算出船舶倒車阻力，之后與預定的阻力進行比較來選擇使用何種倒車模式，繼而通過信號連接控制主推進單元和電力倒車控制單元；二者通過信號控制分別連接柴油發動機和倒車電動機；發動機的兩端分別設置一號離合器1和二號離合器2；其中一號離合器1連接齒輪箱，繼而通過機械連接到螺旋槳；二號離合器2連接發電機；發動機通過離合器帶動發電機發電，發電機通過交流母線連接ac/dc整流器；整流器將交流電轉變為直流電后通過直流母線連接鋰電池儲能單元；鋰電池儲能單元輸出的電能通過直流母線連接到逆變器；逆變器將直流電轉變為交流電后通過交流母線連接到齒輪箱；齒輪箱最終帶動螺旋槳反轉。

當工程船在進行倒車操作時，該控制系統會按照圖2所示的控制流程進行倒車模式選擇。基本原則是：駕駛臺控制系統首先通過船舶倒車時的海況環境以及船舶倒車速度來得出一個船舶倒車阻力sar（shipasternresistance），通過比較船舶倒車阻力sar與第一預定阻力fpr(firstpredeterminedresistance)和第二預定阻力spr(secondpredeterminedresistance)之間的大小關系來選擇倒車模式，進而實施倒車操作。當船舶倒車阻力sar小于等于第一預定阻力fpr時，船舶采用純電動倒車模式，一號離合器1和二號離合器2分離，三號離合器接合，駕駛臺倒車控制系統控制鋰電池儲能單元通過逆變器給倒車發電機供電，進而通過齒輪箱帶動螺旋槳反轉倒車；當鋰電池儲能單元電量不足或者船舶倒車阻力sar大于第一預定阻力fpr而小于等于第二預定阻力spr時，船舶采用柴動充電模式，該模式下，一號離合器1和二號離合器2接合，三號離合器分離，發動機通過兩個輸出端帶動發電機和螺旋槳反轉倒車，發電機通過ac/dc整流器給鋰電池儲能單元進行充電；當船舶倒車阻力sar大于第二預定阻力spr時，一號離合器1和三號離合器接合，二號離合器2分離，此時駕駛臺倒車控制系統控制主推進控制單元和電力倒車控制單元使發動機和鋰電池儲能單元同時工作，發動機和倒車電動機一起通過齒輪箱帶動螺旋槳反轉倒車。

技術特征：

技術總結
一種應用于工程船的混合動力倒車控制系統，屬于船舶動力技術領域。這種包含純電動倒車模式、柴動充電模式及柴電混合模式三種船舶倒車模式的混合動力倒車控制系統，它由駕駛臺倒車控制單元、主推進控制單元、電力倒車控制單元、發動機、離合器、齒輪箱、螺旋槳、交流和直流母線、AC/DC整流器、逆變器、鋰電池儲能單元、以及倒車電動機組成。該系統可以根據不同倒車船速及風浪海況下的船舶倒車阻力來決定船舶倒車模式，從而有效平抑工程船在倒車過程中工況多變導致發動機負荷波動、油耗增加；同時，不同倒車模式的應用也可有效提升工程船的倒車機動性及倒車能力。

技術研發人員：管官;周帥;王春雷;林焰
受保護的技術使用者：大連理工大學
技術研發日：2017.05.23
技術公布日：2017.09.15