一种混合动力船舶的能效预测控制系统及方法与流程

2021-02-10 13:02:37|

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本发明涉及新能源船舶能效领域，特别是一种混合动力船舶的能效预测控制系统及方法。

背景技术：

全球气候变暖和温室气体的排放一直倍受关注，航运业作为温室气体排放大户，近年来面临来自公众和环保组织的巨大压力。随着船舶新能源技术及工业控制技术的发展，混合动力船舶得到了广泛的应用。

长久以来，针对混合动力船舶节能的研究主要集中在混合动力匹配、节能装置等方面。然而，从船舶营运角度来说，优化混合动力系统的功率输出是减少能源消耗、提高能效水平的一种非常有效的方法。理论上，船舶在静水无限水深条件下航行，存在一个稳定的能使船舶能耗最低的优化航速，但是由于受到通航环境和船舶载况的影响，优化航速会随之变化。因此，如何在船舶行驶中，准确快速的获得船舶的能耗、通航环境以及载况等实时能效数据，进一步通过模型计算出船舶需求功率、输出功率配比和螺旋桨转速，并通过能效辅助决策单元输出显示功率配比和螺旋桨转速，保证船舶在不同通航环境条件和载况下都能够以最佳航速行驶，是本发明解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种混合动力船舶的能效预测控制系统及方法，系统通过船舶采集卡，实时采集船舶的能耗、通航环境以及载况等能效数据；得到数据后，借助于能效数据传输单元将采集数据代入能效预测控制单元中，基于能效预测控制软件，通过航速优化模型计算得到船舶建议航速，通过功率预测模型计算得到船舶需求功率，通过功率动态管理模型计算得到船舶最优混合动力输出功率配比和螺旋桨转速；最后，通过能效辅助决策单元中的能效辅助决策软件输出显示功率配比和螺旋桨转速，指导船舶在不同通航环境条件和载况下都能够以最佳航速行驶，提升船舶能效和经济水平。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明系统的技术方案为一种混合动力船舶的能效预测控制系统，其特征在于包括：燃油流量计、电池管理系统、轴功率仪、轴转速仪、多普勒流速仪、测深仪、气象传感器、定位测速模块、吃水传感器、陀螺仪、采集卡、工业计算机；

其中，所述燃油流量计安装在机舱船舶发动机的燃油管路进出口位置，所述电池管理系统为集成安装于机舱电池组中的配套监控装置，所述的轴功率仪、轴转速仪均安装在机舱船舶尾轴上；

其中，所述的多普勒流速仪、测深仪均安装于船底龙骨上，所述的气象传感器、定位测速模块均安装在船舶顶部；

其中，所述吃水传感器安装于船体表面，所述陀螺仪安装在船舶驾驶台；

所述燃油流量计用于采集油耗，并借助数据传输单元传输至采集卡；

所述电池管理系统用于采集电耗，并借助数据传输单元传输至采集卡；

所述轴功率仪用于采集轴功率，并借助数据传输单元传输至采集卡；

所述轴转速仪用于采集轴转速，并借助数据传输单元传输至采集卡；

所述多普勒流速仪用于采集航道水流速度，并借助数据传输单元传输至采集卡；

所述测深仪用于采集航道水深，并借助数据传输单元传输至采集卡；

所述气象传感器用于采集风浪等级，并借助数据传输单元传输至采集卡；

所述定位测速模块用于采集航行位置及对地航速，并借助数据传输单元传输至采集卡；

所述吃水传感器用于采集吃水，并借助数据传输单元传输至采集卡；

所述陀螺仪用于采集纵倾角，并借助数据传输单元传输至采集卡；

所述采集卡将油耗、电耗、轴功率、轴转速、航道水流速度、航道水深、风浪等级、航行位置、对地航速、吃水、纵倾角进一步传输至所述工业计算机；

所述工业计算机包括：能效预测控制单元、能效辅助决策单元；

所述能效预测控制单元基于能效预测控制软件，对采集的油耗、电耗、轴功率、轴转速、航道水流速度、航道水深、风浪等级、航行位置、对地航速、吃水、纵倾角进行分析，得到船舶需求功率、输出功率配比、螺旋桨转速；

所述能效辅助决策单元基于能效辅助决策软件，输出显示功率配比和螺旋桨转速，为船员提供能效管理辅助决策。

本发明方法的技术方案为一种混合动力船舶的能效预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采集卡将油耗、电耗、轴功率、轴转速、航道水流速度、航道水深、风浪等级、航行位置、对地航速、吃水、纵倾角传输至工业计算机；

步骤2，工业计算机通过能效预测控制单元的航速优化模型计算得到船舶建议航速，通过功率预测模型计算得到船舶需求功率，通过功率动态管理模型计算得到混合动力船舶最优的发动机输出功率以及电池组输出功率、螺旋桨转速，工业计算机通过能效辅助决策单元进一步实时显示；

步骤3，若船舶需求功率的变化率超过一定阈值时将致使航行工况发生变化，执行步骤1、步骤2，从而指导船舶在不同通航环境条件和载况下以最佳航速行驶。

作为优选，步骤2所述通过航速优化模型计算得到船舶建议航速为：

船舶建议航速为每个航道的最优航速，能够使得船舶的经济效益最大；

将航程划分为m个航段，船舶最佳经济效益c可表示为：

约束条件

式中：ci为船舶单航次总收入；a燃为燃料价格；qe为单位时间等效燃料消耗量，所述单位时间等效燃料消耗量具体由所述燃油流量计采集的油耗、所述电池管理系统采集的电耗构成；a租为船舶单天租赁成本；si为第i航道航程；vsi为第i航道最优航速；vwi为第i航道水流速度；ti为第i航道航行所需的时间；t表示全航次总时间约束，ni表示第i航道船舶螺旋桨的转速，n1表示船舶螺旋桨的最低安全转速，n2表示螺旋桨最高安全转速；

结合船舶航速与螺旋桨转速之间的线性关系vs＝f(n)，通过优化控制第i航道螺旋桨转速ni，从而控制第i航道船舶航速vsi即步骤2中所述船舶建议航速，使得船舶效益c最大；

步骤2所述通过功率预测模型计算得到船舶需求功率为：

所述船舶需求功率是指船舶在每个航道的特工况下混合动力系统所需要发出的功率；

根据船机桨关系，船舶在第i航道第k工况下的船舶需求功率p(i,k)为：

式中：r(i,k)为第i航道第k工况下船舶所受阻力；vsi为第i航道的船舶建议航速；ηo表示船舶动力系统功率传递过程中的螺旋桨敞水效率，ηr表示船舶动力系统功率传递过程中的相对旋转效率，ηs表示船舶动力系统功率传递过程中的轴系传递效率，ηg表示船舶动力系统功率传递过程中的齿轮箱效率，对于特定船舶而言，以上效率值均为一定。

第i航道第k工况下船舶所受阻力计算方法为：

r(i,k)＝f(vsi,t,θ,bn,vw,h)

式中：t为吃水传感器所采集的吃水，θ为陀螺仪所采集的纵倾角，bn为气象传感器所采集的风浪等级，vw为多普勒流速仪所采集的航道水流速度，h为测深仪所采集的航道水深；

利用所述第i航道第k工况下船舶所受阻力计算方法和下一工况所采集的相关数据，可以预测下一工况k+1下船舶所受阻力r(i,k+1)；利用所述船舶在第i航道第k工况下的船舶需求功率的模型，可以预测下一工况k+1下船舶需求功率p(i,k+1)。

步骤2所述通过功率动态管理模型计算得到船舶最优混合动力输出功率配比、螺旋桨转速为：

功率动态管理模型根据下一工况k+1下船舶混合动力系统所需要发出的功率p(i,k+1)，利用功率管理策略，计算得到发动机输出功率pm和电池组的输出功率pb；

其中，pm为发动机输出功率，pb为电池组的输出功率，α为发动机功率系数，β为电池组功率系数；

所述功率管理策略具体为：

若需求功率p(i,k+1)低于需求功率最低阈值plow时，由电池组单独输出功率驱动船舶，此时pb＝p(i,k+1)，pm＝0；

若需求功率p(i,k+1)高于需求功率最高阈值phigh时，由发动机与电池组混合输出功率驱动船舶，此时pm+pb＝p(i,k+1)；

具体分配结果为pm＝γpm-rated，pb＝p(i,k+1)-pm，γpm-rated为发动机的高效工况点，pm-rated为发动机的额定功率；

若需求功率p(i,k+1)处于plow和phigh之间时，如果电池组的荷电状态soc处于可用范围之内，由电池组单独输出功率驱动船舶，此时pb＝p(i,k+1)，pm＝0；

若需求功率p(i,k+1)处于plow和phigh之间时，但电池组的soc处于可用范围之外，由发动机单独输出功率驱动船舶，且发动机通过电机给电池组充电，此时pm＝p(i,k+1)+pb-input，电池组为充电状态，充电功率为pb-input；

在得到最优的发动机输出功率pm、电池组的输出功率pb后，可以计算得到相应的螺旋桨转速为：

n＝f(pm,pb)

其中，f是轴功率仪所采集的轴功率和轴转速仪所采集的轴转速之间的回归关系；

步骤2所述工业计算机通过能效辅助决策单元进一步实时显示为：

工业计算机通过能效辅助决策单元实时显示发动机输出功率pm和电池组的输出功率pb、螺旋桨转速，并在线显示船舶建议航速vsi，以辅助驾驶员驾驶。

本发明产生的有益效果是：

其一，所提供的船舶最优输出功及最佳航速，既能确保船舶按照班期航行，又兼顾通航环境影响下的船舶节能航行，经过测算，船舶以该航速航行可以节约4％左右的燃油消耗，具体可以体现在两个方面：第一，船舶按照班期正点抵达目的港可以缩短码头停泊时间；第二，航行过程中能够以较为稳定的航速航行，避免盲目加速而增大能耗。

其二，能效预测控制单元采用航速优化模型、功率预测模型以及功率动态管理模型等专业的数学模型对数据进行分析和计算，可得到可靠性高的计算结果。

其三，系统结构模块化强，结构简单，便于操作和维护。系统中除了能效预测控制软件涉及到较多专业知识，其他设备的使用与维护较为成熟。

其四，系统的工作稳定性强，系统设备的工作环境不存在恶劣情况，外部环境对系统的影响较小。

附图说明

图1：是本发明的整体示意图；

图2：是本发明的系统结构示意图

图3：是本发明的方法示意图

图2中，1：混合动力系统；2：发动机；3：电池组和电池管理系统；4：电机；5：燃油流量计；6：轴功率仪；7：轴转速仪；8：船舶轴功率和转速仪的数据交互节点；9：多普勒流速仪；10：测深仪；11：气象传感器；12：定位测速模块；13：吃水传感器；14：陀螺仪；15：驾驶台集成平台；16：驾驶台集成平台的数据交互节点；17：工业计算机；18：工业计算机的数据交互节点；19：采集卡。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：一种混合动力船舶的能效预测控制系统

本发明实例中，提供一种混合动力船舶能效预测控制系统，包括：燃油流量计5、电池管理系统3、轴功率仪6、轴转速仪7、多普勒流速仪9、测深仪10、气象传感器11、定位测速模块12、吃水传感器13、陀螺仪14、采集卡19、工业计算机17，系统的整体组成示意图如图1所示，系统结构示意图如图2所示。

所述燃油流量计5选型为nv-oval；

所述电池管理系统3选型为abms-ev03；

所述轴功率仪6选型为tq201h-t；

所述轴转速仪7选型为ss7218；

所述多普勒流速仪9选型为lsh10-1；

所述测深仪10选型为ds606-1；

所述气象传感器11选型为lvfsz-31；

所述定位测速模块12选型为xz003-usb；

所述吃水传感器13选型为xkc-y26a；

所述陀螺仪14选型为gpxtj9000；

所述采集卡19选型为adam-5000tcp；

所述工业计算机17选型为ipc-610l；

所述工业计算机17包括：能效预测控制单元、能效辅助决策单元；

所述燃油流量计5安装在机舱船舶发动机的燃油管路进出口位置，所述电池管理系统3为集成安装于机舱电池组中的配套监控装置，所述的轴功率仪6、轴转速仪7均安装在机舱船舶尾轴上；

所述的多普勒流速仪9、测深仪10均安装于船底龙骨上，所述的气象传感器11、定位测速模块12均安装在船舶顶部；

所述吃水传感器13安装于船体表面，所述陀螺仪14安装在船舶驾驶台；

所述燃油流量计5用于采集油耗，并借助数据传输单元传输至采集卡19；

所述电池管理系统3用于采集电耗，并借助数据传输单元传输至采集卡19；

所述轴功率仪6用于采集轴功率，并借助数据传输单元传输至采集卡19；

所述轴转速仪7用于采集轴转速，并借助数据传输单元传输至采集卡19；

所述多普勒流速仪9用于采集航道水流速度，并借助数据传输单元传输至采集卡19；

所述测深仪10用于采集航道水深，并借助数据传输单元传输至采集卡19；

所述气象传感器11用于采集风浪等级，并借助数据传输单元传输至采集卡19；

所述定位测速模块12用于采集航行位置及对地航速，并借助数据传输单元传输至采集卡19；

所述吃水传感器13用于采集吃水，并借助数据传输单元传输至采集卡19；

所述陀螺仪14用于采集纵倾角，并借助数据传输单元传输至采集卡19；

所述采集卡19将油耗、电耗、轴功率、轴转速、航道水流速度、航道水深、风浪等级、航行位置、对地航速、吃水、纵倾角进一步传输至所述工业计算机17；

所述能效辅助决策单元基于能效辅助决策软件，输出显示功率配比和螺旋桨转速，为船员提供能效管理辅助决策。

实施例2：一种混合动力船舶能效预测控制方法

船舶航行所受到的力学平衡与能量守恒关系为：船舶航行过程中的工况变化复杂，除了船舶自身航速在不断改变以外，风、流、水深等通航环境因素，以及吃水、纵倾角等载况因素也在时刻变化，使得船舶推进系统的载荷不断发生变化。一般来说，为了克服这些载荷变化引起的船舶阻力变化，船舶混合动力系统中发动机需要燃烧一定量的燃油，电池组需要输出一定的电能，混合动力模块发出一定的功率，经过船舶轴系、齿轮箱的功率传递，最终用于转动螺旋桨，并产生推力驱动船舶航行，以维持船舶所需的航行速度。

本发明实例中，提供一种混合动力船舶的能效预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采集卡19将油耗、电耗、轴功率、轴转速、航道水流速度、航道水深、风浪等级、航行位置、对地航速、吃水、纵倾角传输至工业计算机17；

步骤2，工业计算机17通过能效预测控制单元通过航速优化模型计算得到船舶建议航速，通过功率预测模型计算得到船舶需求功率，通过功率动态管理模型计算得到混合动力船舶最优的发动机输出功率以及电池组输出功率、螺旋桨转速，工业计算机17通过能效辅助决策单元进一步实时显示；

步骤2所述通过航速优化模型计算得到船舶建议航速为：