混合动力电力推进船舶能源系统工作模式自动切换装置及方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及混合动力船舶能源系统，具体涉及一种混合动力电力推进船舶能源系 统工作模式自动切换装置及方法。
【背景技术】：
[0002] 随着全球经济的持续发展，船舶排放的废弃物对环境的污染日趋严重。对于船舶 引起的污染，越来越多的国家和地区正积极采取各种有效措施以减少船舶排气对大气的污 染。船舶电力推进是一种先进的船舶推进方式。这种推进方式能够提高船舶的技术经济性 能，具有操纵性能好、低噪声、节能环保的特点，可以降低船舶的废气排放，减少船舶的燃料 能源消耗，同时可以获得较好的动力特性。
[0003] 混合动力电力推进船舶是指由动力锂电池、太阳能、风能等清洁能源及其常规的 燃油发电机组组成的节能型船舶，能够显著降低船舶的能耗及废气排放。其中，以锂离子电 池（动力电池）作为电力推进系统的主电源、以柴油发电机组作为辅助电源，是一种目前较 为成熟的采用混合能源模式的内河新型电力推进船舶。这种以动力电池为主电源的电力推 进船舶，可实现船舶烟气零排放，将产生显著的节能减排效果。同时，动力电池与辅助柴油 发电机组的混合能源方式，保证了以动力电池为主电源的电力推进船舶的航行安全，提高 了以动力电池为主电源的电力推进船舶的续航性能。
[0004] 混合动力船舶能源系统的工作模式，主要可以分为三种，分别为动力电池供电模 式、柴油发电机组供电模式以及混合供电工作模式。传统的混合动力船舶能源系统的工作 模式切换主要方法分为两种，一种是人工切换，另一种是根据动力电池的剩余电量进行切 换。
[0005] 混合动力船舶能源系统的工作模式人工切换，主要是根据经验进行切换。如根据 电池电量，或者以船舶航速或航行里程等为主要依据。但这种经验判断是粗放的，不一定准 确，不能实现节能和减排的最优化，而且一旦经验判定失误，易发生故障。
[0006] 混合动力船舶能源系统的工作模式根据电池剩余电量进行切换，是一种自动切换 方式。例如，可以设定电池剩余电量阈值范围：当电池剩余量高于上限值时，可切换成动力 电池供电模式；而当剩余电量低于下限值时，则切换成柴油发电机供电模式。这种方法相对 于人工切换，能有效地避免其不足，能够进行自动切换。但是这种根据电池的剩余电量进行 切换的方法比较单一，没有考虑到电池工作温度、动力系统的功率需求等问题。例如，动力 电池工作温度低于或者高于其限定值时，对于动力电池的工作性能以及寿命会造成很大的 影响，同时会影响到船舶的节能减排效率。
【发明内容】
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[0007] 本发明旨在避免人工切换的不足，减小故障，保证安全，实现节能和减排的最优 化，并能达到自动切换的目的。同时，除了电池剩余电量之外，又考虑到电池工作温度问题 以及船舶需求功率，能够有效发挥动力电池的工作性能，提高工作寿命，更能有效地提高船 舶的节能减排以及续航性能。
[0008] 本发明针对传统的混合动力船舶工作模式切换的不足，提出了一种工作模式自动 切换的装置及方法。根据动力电池剩余电量S0C，电池工作温度T以及推进电机的需求功 率P的综合评判，智能化自动切换船舶在各种工况下混合能源系统的最优工作模式。
[0009] 本发明的技术方案如下：
[0010] -种混合动力船舶能源系统工作模式自动切换装置，包括串联混合动力系统、能 源系统工作模式自动切换系统、以及功率控制模块。串联混合动力系统包括柴油机、同步电 机、AC/DC变流器、第一切换开关、动力电池、DC/DC变流器、第二切换开关、直流母排、DC/AC 变流器、推进电动机、齿轮箱以及螺旋桨；能源系统工作模式自动切换系统包括信号检测模 块、信号处理模块、信号自动切换模块以及开关切换模块，负责对工作模式的判定与自动切 换；开关切换模块选择第一切换开关和第二切换开关的闭合和/或断开；功率控制模块根 据工作模式自动切换的结果完成对能源的功率分配；柴油机与同步电动机之间通过机械连 接组成柴电机组，通过电气连接AC/DC变流器、第一切换开关，再经过直流母排、DC/AC变流 器，供电给推进电动机，推进电动机通过机械连接齿轮箱以及螺旋桨，控制船舶的航速；动 力电池通过电气连接DC/DC变流器、第二切换开关，再经过直流母排、DC/AC变流器，供电给 推进电动机，推进电动机通过机械连接齿轮箱以及螺旋桨，控制船舶的航速；信号检测模块 通过信号连接柴电机组、车钟信号、动力电池以及推进电动机，检测参数动力电池 S0C、温度 T、以及需求功率，进而信号传送到信号处理模块、自动切换模块，完成开关的切换；同时信 号自动切换模块的另一信号传送到功率控制模块；功率控制模块再根据来自动力电池以及 推进电机的信号，来最终发送控制信号控制柴油发电机组的功率输出以及双向DC/DC变流 器的通断，完成对混合动力能源系统的功率分配工作。
[0011] 信号处理模块根据SOC，T，P三个特征量的综合评判，智能化确定工作模式。混 合动力船舶的工作模式主要可以分为三个：动力电池工作模式釣、柴油机组工作模式※、 混合工作模式约，则工作模式0 =(奶*德，灼），特征量M = (SOC，T，P)，则建立评判关系： _# = (A为动力电池剩余电量、电池工作温度以及推进电机需求功率对船舶工作模式的 影响的权重组合）。根据评判关系式可以得到Φ，根据最大值隶属度原则，取Μ&Χ(Φ)为模 式切换依据。
[0012] 船舶由动力电池单独供电推进时，信号检测模块会检测动力电池剩余电量SOCJft 舶需求功率P以及车钟信号。当动力电池的SOC不足时或者需求功率较大时，动力电池不 足以单独承担供电时，经过信号处理模块综合处理后，确定各个工作模式所占的比例，根据 最大隶属原则，信号自动切换模块控制开关切换模块，关闭切换开关。同时功率控制模块根 据需求的功率来分配柴油发电机组和动力电池提供的功率大小。从而，混合动力船舶完成 由动力电池供电模式到混合供电模式的切换。
[0013] 同理，当动力电池低于安全临界值时，经过信号检测模块以及信号处理模块处理 后，确定工作模式所占比例，由信号自动切换模块控制开关切换模块，开启第一切换开关， 关闭第二切换开关。功率控制模块根据需求功率，决定柴油发电机组的功率值，此时所需功 率即全部由柴油发电机组承担。从而，混合动力船舶切换到柴电机组工作模式。
[0014] 信号检测模块对动力电池剩余电量S0C、电池工作温度T以及船舶需求功率P的信 号进行周期性检测并输出相应的各个值。
[0015] 信号处理模块处理过程分为三步。由于动力电池剩余电量S0C、电池工作温度T以 及船舶需求功率P对于船舶的三种工作模式对应着不同的隶属函数关系，不同的SOC、T或 者P对应各自的隶属度值。第一步，根据检测模块输出的S0C、T和P的值，计算对应的隶属 度大小，得到隶属度矩阵：
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[0017] 其中，/05OC)、凡:(6?〇:和仏，SOC)表示动力电池剩余电量SOC对三种工作 模式的隶属值；/^ (70和仏3(〇表示电池工作温度对三种工作模式的隶属值； /V,0)、和//JjP)表示需求功率对三种工作模式的隶属值。
[0018] 第二步，对S0C、T以及P的权重进行分配得到A= (α α2, α3)，其中α 1+α2+α3 =1〇
[0019] 第三步，综合第一步、第二步的结果，得到三种工作模式各自的比例值，Φ = A · R =(μ μ2，μ3)，其中 1。<