本發明涉及混合動力船舶，尤其涉及一種并聯式混合動力船舶瞬態控制系統，以及其切換模式下的瞬態控制方法。

背景技術：

1、隨著使用化石燃料的傳統動力設備，難以滿足日益嚴格的排放法規。清潔能源因其能夠有效地實現節能減排目標成為船舶動力的新選擇，然而，由于船舶的結構和運行模式，使用單一能源形式為船舶提供動力受到限制。因此，船舶并聯式混合動力系統利用發動機可使用清潔替代能源的優點及電池組能量存儲且動態響應快的特點，是船舶綠色發展的新方向。

2、船舶混合動力系統有不同的工作模式，其復雜的動力耦合結構一方面提高了船舶動力系統的冗余性、靈活性、安全性、可操作性和經濟型；另一方面，混合動力系統由不同的動力源組成，多動力源之間的混合，增加了系統的復雜性，且各動力源之間有不同的動態響應特性，因此船舶混合動力系統并不是多種單一能源的簡單疊加。為了充分發揮系統中各動力源的優勢，需要制定合理的能量管理策略，分配各動力源的輸出功率或扭矩，協調機電推進，確保整船安全供電。

3、因此，如何根據船舶的能量管理策略，優化不同工作模式的切換過程，降低發動機轉速波動以及改善傳動系統工作狀況，確保系統工作模式進行安全、平穩、快速的切換，是本發明解決的問題。

技術實現思路

1、針對現有技術中的以上不足，本發明的目的之一在于提供一種并聯式混合動力船舶瞬態控制系統。

2、本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種并聯式混合動力船舶瞬態控制系統，包括螺旋槳和齒輪箱，所述的齒輪箱由離合器a、離合器b和與螺旋槳連接的齒輪組成，所述的離合器a依次連接發動機和can總線，所述的離合器b依次連接扭矩傳感器、軸轉速儀、可逆電機、ac/dc裝置、蓄電池組和can總線，還包括與can總線連接的帶采集卡的crio控制器和與crio控制器連接的上位機，所述的離合器a和離合器b上均設置有壓力傳感器，扭矩傳感器采集可逆電機的輸出扭矩并通過can總線傳輸至采集卡中，壓力傳感器采集離合器a與離合器b的油壓并通過can總線傳輸至采集卡中，軸轉速儀采集可逆電機的轉速并通過can總線傳輸采集卡中，采集卡通過can總線采集蓄電池組電池soc值。

3、所述的一種并聯式混合動力船舶瞬態控制系統，其扭矩傳感器安裝于可逆電機與齒輪箱之間；所述的軸轉速儀安裝在可逆電機輸出軸上。

4、所述的一種并聯式混合動力船舶瞬態控制系統，其上位機包括協調優化決策單元和瞬時控制單元；所述的協調優化決策單元基于松鼠搜索優化算法，對采集的發動機輸出扭矩、可逆電機輸出扭矩、離合器結合壓力，根據實際船舶運行工況的需求扭矩，在電池soc值限制條件下進行分析優化，得到可逆電機目標扭矩、離合器目標結合壓力；所述的瞬時控制單元根據協調優化決策單元的動力設備調整動作信號，即上位機優化后的可逆電機目標扭矩、離合器目標結合壓力，基于松鼠搜索優化算法以控制可逆電機完成扭矩調整和齒輪箱完成離合器結合壓力調整的動作。

5、本發明的目的之二在于提供一種并聯式混合動力船舶瞬態控制系統的控制方法，包括如下步驟：

6、步驟1，獲取控制系統的需求扭矩以及可逆電機的輸出扭矩及轉速、離合器a/離合器b的結合壓力、發動機的輸出扭矩及轉速、蓄電池組電池soc值，傳輸至上位機；

7、步驟2，判斷是否滿足船舶系統工作模式切換規則，如果滿足切換規則，則上位機的協調優化決策單元通過目標扭矩優化模型計算得到可逆電機目標扭矩，通過離合器結合壓力優化模型計算得到離合器目標結合壓力；

8、步驟3，上位機的瞬時控制單元根據可逆電機目標扭矩和離合器目標結合壓力，通過瞬時控制模型發送輸出指令至crio控制器，crio控制器進一步將指令傳輸至可逆電機及齒輪箱，瞬時協調控制可逆電機輸出扭矩和離合器結合壓力；

9、步驟4，若實際船舶運行工況改變導致需求扭矩發生變化，執行步驟1～步驟3，從而指導船舶在不同的通航環境條件和工況下以最佳狀態切換工作模式。

10、進一步，所述的步驟2中通過目標扭矩優化模型和離合器結合壓力優化模型計算得到可逆電機目標扭矩和離合器目標結合壓力具體為：目標扭矩優化模型和離合器結合壓力優化模型中建立如下評價函數通過三個評價對指標參數進行量化：建立發動機轉速波動指標評價函數其中ne為發動機原轉速，ne_tar為發動機目標轉速；建立傳動軸沖擊度指標評價函數為其中ωv為傳動軸角速度，rad/s；建立離合器滑摩功指標評價函數其中t1為離合器摩擦元件結合開始時刻；t2為離合器結合完成時刻，tcl為離合器滑摩過程中的傳遞扭矩，n·m，ωe、ωv為主、從摩擦元件的角速度，rad/s。

11、更進一步，所述的協調優化決策單元和瞬時控制單元基于如下松鼠搜索優化算法進行分析優化：

12、假設種群中松鼠個數為n，維度為d，第i只松鼠的第j維位置可以表示為fsi,j，所有松鼠位置為各個位置參數對應模式切換過程中可逆電機目標扭矩和離合器目標結合壓力，每一個位置代表一個可行解，在搜索過程中，編號為i的松鼠初始位置為fsi＝fsl+u(0,1)×(fsu-fsl)，其中fsl和fsu分別是第i只松鼠在第j維上的下界和上界，u(0，1)是范圍[0，1]內的均勻分布隨機數，對算法中的參數收斂因子擺動因子0-1之間的隨機數p，常數b和最大迭代次數m進行初始化設定；運行模型時，通過所建立的評價函數對不同控制參數組合的結果進行評估，計算每只松鼠個體的適應度值并進行比較，確定適應度值最優的松鼠個體位置定義為確定適應度值最優的松鼠個體位置定義為松鼠平均位置為進入算法主程序，對松鼠位置進行更新在選擇過程中將新位置及其交叉位置中的最佳位置與舊位置進行比較，以參加下一代種群；若滿足算法的終止條件即最大迭代次數，則尋優過程結束；否則轉到重復進行尋優過程；直至輸出全局最優結果得到對應的可逆電機目標扭矩和離合器目標結合壓力。

13、本發明的有益效果是：

14、本發明在切換工作模式時的最佳電機目標扭矩與離合器結合壓力既能確保船舶平穩切換工作模式，又能減少發動機轉速波動和離合器結合壓力，能有效提高船舶的經濟性和排放性，同時有效改善了船舶航行時的傳動系統工作狀態，減少了齒輪箱離合器與發動機傳動軸磨損。

15、本發明的決策控制單元通過數學模型進行分析和計算，得到的計算結果可靠性高。

16、本發明系統的工作穩定性強，系統設備的工作環境不存在惡劣情況，外部環境對系統的影響較小。

17、本發明可根據動力船舶的實際運行工況，在多種工作模式之間進行高效切換，有效提高了船舶混合動力系統的效率，使發動機減少工作在低效率區的時間，能有效降低了發動機的燃料消耗，提高了船舶的經濟性和排放性，緩解技術不成熟與愈加嚴格的排放標準之間的矛盾。

技術特征：

1.一種并聯式混合動力船舶瞬態控制系統，其特征在于：包括螺旋槳(8)和齒輪箱(5)，所述的齒輪箱(5)由離合器a(6)、離合器b(7)和與螺旋槳(8)連接的齒輪組成，所述的離合器a(6)依次連接發動機(1)和can總線，所述的離合器b(7)依次連接扭矩傳感器(9)、軸轉速儀(11)、可逆電機(2)、ac/dc裝置(3)、蓄電池組(4)和can總線，還包括與can總線連接的帶采集卡(13)的crio控制器(12)和與crio控制器(12)連接的上位機(14)，所述的離合器a(6)和離合器b(7)上均設置有壓力傳感器(10)，扭矩傳感器(9)采集可逆電機(2)的輸出扭矩并通過can總線傳輸至采集卡(13)中，壓力傳感器(10)采集離合器a(6)與離合器b(7)的油壓并通過can總線傳輸至采集卡(13)中，軸轉速儀(11)采集可逆電機(2)的轉速并通過can總線傳輸至采集卡(13)中，采集卡(13)通過can總線采集蓄電池組(4)電池soc值。

2.根據權利要求1所述的一種并聯式混合動力船舶瞬態控制系統，其特征在于，所述的扭矩傳感器(9)安裝于可逆電機(2)與齒輪箱(5)之間；所述的軸轉速儀(11)安裝在可逆電機(2)輸出軸上。

3.根據權利要求2所述的一種并聯式混合動力船舶瞬態控制系統，其特征在于，所述的上位機(14)包括協調優化決策單元和瞬時控制單元；所述的協調優化決策單元基于松鼠搜索優化算法，對采集的發動機輸出扭矩、可逆電機輸出扭矩、離合器結合壓力，根據需求扭矩，在電池soc值限制條件下進行分析優化，得到可逆電機目標扭矩、離合器目標結合壓力；所述的瞬時控制單元根據協調優化決策單元的動力設備調整動作信號，基于松鼠搜索優化算法控制可逆電機(2)完成扭矩調整和齒輪箱(5)完成離合器結合壓力調整的動作。

4.一種如權利要求1所述并聯式混合動力船舶瞬態控制系統的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.根據權利要求4所述的一種并聯式混合動力船舶瞬態控制系統的控制方法，其特征在于，所述的步驟2中目標扭矩優化模型和離合器結合壓力優化模型建立如下評價函數對指標參數進行量化：建立發動機轉速波動指標評價函數其中ne為發動機原轉速，ne_tar為發動機目標轉速；建立傳動軸沖擊度指標評價函數為其中ωv為傳動軸角速度；建立離合器滑摩功指標評價函數其中t1為離合器摩擦元件結合開始時刻，t2為離合器結合完成時刻，tcl為離合器滑摩過程中的傳遞扭矩，ωe、ωv為主、從摩擦元件的角速度。

6.根據權利要求5所述的一種并聯式混合動力船舶瞬態控制系統的控制方法，其特征在于，所述的協調優化決策單元和瞬時控制單元基于如下松鼠搜索優化算法進行分析優化：

技術總結
本發明公開了一種并聯式混合動力船舶瞬態控制系統，包括螺旋槳和齒輪箱，齒輪箱由離合器a、離合器b和齒輪組成，離合器a依次連接發動機和CAN總線，離合器b依次連接扭矩傳感器、軸轉速儀、可逆電機、AC/DC裝置、蓄電池組和CAN總線，還包括與CAN總線連接的帶采集卡的cRIO控制器和上位機；還公開了其控制方法；本發明在不同工作模式切換過程中切換最佳的可逆電機扭矩、離合器結合壓力壓力，能夠使船舶在切換過程中降低發動機轉速波動以及改善傳動系統工作狀況。

技術研發人員：李瑤,陳卓,胡國昭,沈小迪,孫鈺波
受保護的技術使用者：武漢威邁新能源動力有限公司
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28