[发明专利]混合动力推进系统

说明书

技术领域

本发明涉及混合动力推进系统，所述混合动力推进系统适合用于那些在操作期间具有可变动力需求的船舶中，并且本发明还涉及用于在混合动力推进系统中管理能量流的系统和方法。

背景技术

节能治污的成果促使人们不断研发和改进用于船舶和用于其他重负荷可变需求应用的推进系统，这些推进系统减少了燃料消耗和有害排放。柴电式推进技术用在潜水艇和水面船舶上已有很多年。一般来说，柴油发动机被耦连到发电机，而发电机向一电动机供电，该电动机被机械地耦连到推进器。

已经实施了各种类型的组合式循环推进系统，这些推进系统利用两个或更多个不同的动力源(结合使用或独立使用)进行推进。例如，CODOG(柴油或燃气组合式)装置通过柴油发动机或燃气轮发动机(但不是两者同时)提供推进力。与之相反，CODAG(柴油和燃气组合式)装置可同时地以及独立地允许两种类型的推进。组合循环装置已经和柴油式、柴电式、燃气涡轮机式和蒸汽涡轮机式推进技术的各种组合一起使用。新西兰皇家海军的多功能舰船HMNZS Canterbury具有组合式的柴电和柴油(CODLAD)推进系统。

美国专利7207652公开了一种船舶推进系统，其中机械传动轴穿过船体，并且由位于船内的原动机或者在船外部的外壳中的电动机驱动，机械传动轴穿过该船舶。这种布置提供了组合式循环操作的优点，但无需在船的有限内部空间内布置电动机。在Ueda，N.和Numaguchi，Hajime的文章The First Hybrid CRP-POD Driven Fast ROPAX Ferry inthe World(翻译自2005年的Journal of the JIME Vol.40，No.2)中，已将相似类型的电舱式推进单元和常规柴油机推进系统结合。

尽管已在各种船舶应用的组合式推进系统中取得了上述成果，但是这些组合式系统已经表现出一些令人失望的结果，特别是在整体燃料和性能效率、减少排放、多功能性、快速高效响应各种推进需求情况的能力等方面。

发明内容

在本发明的混合动力推进系统中，推进能量可以由以下能量源提供，即：直接机械配置结构中的主发动机(例如柴油发动机或其他类型的原动力发动机)、电动机-发电机(例如柴电式配置结构中的柴油发电机)、全电式配置结构中的蓄电池、或者这些能量源的任意组合。船舶膳宿负荷和辅助能量需求(比如绞车和其他操作装备)也通过混合动力能量源得到满足。能量管理系统在可用的能量选择之间切换，并且响应推进负荷的需求、膳宿负荷和/或辅助能量的需求改变各种能量源的操作和输出，实现多种操作模式。推进系统在多种操作模式上进行操作允许优化推进系统对各种情况的响应，从而提高了整个系统以及独立的各能量源的燃料和性能效率，减少了排放并快速高效地满足了各种能量需求。在某些实施例中，自动能量管理系统(EMS)实现了基本上连续可变范围的系统操作模式，并且动态转变各种能量源的操作以满足推进能量需求和其他能量需求。

本发明的混合动力推进系统是参考船舶推进系统进行描述的，并且合并有船舶推进设备配置的创新方案。该系统尤其适合在具有高推进负荷能力要求和可变动力需求的船舶中使用，其中通常会在间歇的时间段上需要较高的动力。该混合动力推进系统是参考与双传动、双推进器装置中的电动机-发电机单元协作操作的主发动机(例如柴油发动机)进行描述的，并且特别设计成用于船舶(比如拖船)。但是该混合动力推进系统可以在其他船舶和可变动力需求应用中使用，并且可以在单发动机、单驱动系和/或单推进器装置中实施。额外的能量需求可以得到满足并且额外的能量源也可以合并到本发明的系统中。

这一混合动力推进系统提供了高效地产生、存储和利用能量的能力，并且在配置结构方面提供了相当大的灵活性。本文描述的混合动力推进和能量管理系统使多个主驱动发动机的非必要操作减至最少，仅在其高效范围内操作主驱动发动机，并且允许用单发动机或较小德尔发动机来为大量负载提供动力，从而减少燃料消耗和有害排放。该设计利用电能存储和高级动力转化技术提供了灵活的配置结构，该配置结构通常合并有直接柴油式、柴电式和全电式推进。该系统可适应各种替代性能量源的使用，可在船上获得和可从辅助源(比如岸基源)中获得这样的能量源时。这种系统的灵活性允许其可被配置成满足宽广范围的船工作负载循环和动力要求。