一种带数据通讯控制系统的柴燃电混联式船舶混合动力试验台及试验方法
阅读说明：本技术 一种带数据通讯控制系统的柴燃电混联式船舶混合动力试验台及试验方法 (Diesel-fuel-electric series-parallel ship hybrid power test bed with data communication control system and test method ) 是由 王志涛 李健 明亮 李淑英 马佳毅 关天皓 骆嘉凡 于 2021-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明的目的在于提供一种带数据通讯控制系统的柴燃电混联式船舶混合动力试验台及试验方法,柴油机、燃气轮机和电动机都通过SSS离合器、扭矩仪和联轴器与齿轮箱轴连接,进而通过联轴器和扭矩仪单独或联合驱动水力测功器、电涡轮测功器与发电机进而为蓄电池充电。其中多轴齿轮箱包括：并车齿轮箱通过联轴器、电磁离合器、支撑、扭矩仪以及联轴器与跨接齿轮箱(跨接齿轮箱)连接。本发明能够实现柴燃电单独或协同驱动电力测功机和电涡轮测功机,使得系统在不同的工况下都有良好的运行特性。同时增设了蓄电池,提高了试验台的灵活性,提高了能量利用率。(The invention aims to provide a diesel-fuel-electric series-parallel type ship hybrid power test bed with a data communication control system and a test method. Wherein the multi-shaft gearbox includes: the parallel operation gear box is connected with a bridging gear box (bridging gear box) through a shaft coupling, an electromagnetic clutch, a support, a torque meter and a shaft coupling. The invention can realize that the diesel-fuel electric power can drive the electric dynamometer and the electric turbine dynamometer independently or cooperatively, so that the system has good running characteristics under different working conditions. Meanwhile, the storage battery is additionally arranged, so that the flexibility of the test bed is improved, and the energy utilization rate is improved.)
技术领域
本发明涉及的是一种混合动力试验台及试验方法，具体地说是船舶混合动力试验台及试验方法。
背景技术
伴随着全球石油储备的逐渐下降，以及全球排放法规的逐渐严格，绿色交通成为大势所趋。目前，汽车行业的发展方向正在从燃油车向混合动力车辆和新能源车辆倾斜，汽车已经在逐渐绿色化。在船舶行业，航运业也在逐渐向绿色低排放转型，许多船东都在寻求一种低改装成本、低运行成本、低维护成本的新型动力方式。近年来，船舶行业一直试图与混合动力行业接轨，以寻求船舶的混合动力化。
目前主流的联合动力装置主要有柴燃联合，柴燃蒸联合，燃蒸联合等等，以柴燃联合为例，柴燃联合动力装置可以在船舶低工况运行时将柴油机作为主机输出动力，减少燃油消耗率，经济性较好。当船舶需要较大功率时，柴油机和燃气轮机将通过并车齿轮箱将功率输入功率网，共同提供动力。而混合动力是船舶动力未来的主要发展方向之一，加入电动机会使船舶在运行时更加绿色节能高效。在船舶的航行过程中船舶的多机多桨匹配程度决定了船舶运行的各个重要性能参数，并由机桨匹配原则为基础为并车、解列等动态过程提供理论依据支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供通过多动力源的优势互补，实现效率和功率最大化的一种带数据通讯控制系统的柴燃电混联式船舶混合动力试验台及试验方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种带数据通讯控制系统的柴燃电混联式船舶混合动力试验台，其特征是：包括电动机、发电机、柴油机、燃气轮机、水力测功器、电涡轮测功器、第一-第二并车齿轮箱、跨接齿轮箱，电涡轮测功器、第一扭矩仪相连并连接第一并车齿轮箱，电动机、第一SSS离合器、第二扭矩仪依次相连并连接第一并车齿轮箱，水力测功器、第三扭矩仪相连并连接第二并车齿轮箱，蓄电池、发电机、第一电磁离合器、第四扭矩仪依次相连并连接第二并车齿轮箱，柴油机、第二SSS离合器、第五扭矩仪依次相连并连接第一并车齿轮箱，燃气轮机、第三SSS离合器、第六扭矩仪依次相连并连接第二并车齿轮箱，第七扭矩仪、第一支撑、第二电磁离合器依次相连，第七扭矩仪连接跨接齿轮箱，第二电磁离合器连接第一并车齿轮箱，第八扭矩仪、第二支撑、第三电磁离合器依次相连，第八扭矩仪连接跨接齿轮箱，第三电磁离合器连接第二并车齿轮箱。
本发明一种带数据通讯控制系统的柴燃电混联式船舶混合动力试验台还可以包括：
1、蓄电池连接电动机。
本发明一种带数据通讯控制系统的柴燃电混联式船舶混合动力试验方法，其特征是：柴油机、燃气轮机和电动机的工作模式包括机械推进模式：
所述机械推进模式包括：柴油机推进模式、燃气轮机推进模式、柴燃混合推进模式以及机械推进辅助发电模式；
(1)柴油机推进模式：柴油机处于运行状态，第二SSS离合器闭合，其他离合器全断开，通过第五扭矩仪与第一并车齿轮箱连接，再通过第一扭矩仪驱动电涡轮测功器；
(2)燃气轮机推进模式：燃气轮机处于运行状态，第三SSS离合器闭合，其他离合器全断开，通过第六扭矩仪与第二并车齿轮箱连接，再通过第三扭矩仪驱动水力测功器；
(3)柴燃混合推进模式：柴油机和燃气轮机处于运行状态，第二、第三SSS离合器闭合，其他离合器全断开，燃气轮机和柴油机分别通过第六、第五扭矩仪与第二、第一并车齿轮箱连接，再通过第三、第一扭矩仪驱动水力测功器和电涡轮测功器；
(4)机械推进辅助发电模式：以上三种机械推进模式中，通过第二并车齿轮箱、第四扭矩仪以及第一电磁离合器连接发电机发电，发出的电能储存到蓄电池中，为试验台用电设备或电动机供电。
本发明一种带数据通讯控制系统的柴燃电混联式船舶混合动力试验方法，其特征是：柴油机、燃气轮机和电动机的工作模式包括电力推进模式：
所述电力推进模式包括：蓄电池供电推进模式和实验室供电推进模式
(1)蓄电池供电推进模式：蓄电池带动电动机处于运行状态，第一SSS离合器闭合，其他SSS离合器全断开，通过第二扭矩仪与第一并车齿轮箱连接，此时动力传输分成两路：第一路再通过第一扭矩仪与电涡轮测功器相连，第二路经过第二电磁离合器、第一支撑、第七扭矩仪与跨接齿轮箱相连，进而与第八扭矩仪、第二支撑、第三电磁离合器相连并与第二并车齿轮箱连接，再通过第三扭矩仪驱动水力测功器；
(2)实验室供电推进模式：实验室电源带动电动机处于运行状态，第一SSS离合器闭合，其他SSS离合器全断开，通过第二扭矩仪与第一并车齿轮箱连接，此时动力传输分成两路：第一路通过第一扭矩仪与电涡轮测功器相连，第二路连接第二电磁离合器、第一支撑、第七扭矩仪并与跨接齿轮箱相连，进而与第八扭矩仪、第二支撑、第三电磁离合器相连并与第二并车齿轮箱连接，再通过第三扭矩仪驱动水力测功器。
本发明一种带数据通讯控制系统的柴燃电混联式船舶混合动力试验方法，其特征是：柴油机、燃气轮机和电动机的工作模式包括混合推进模式：
所述混合推进模式包括：柴电混合推进模式、燃电混合推进模式、柴燃电混合推进模式和混合推进辅助发电模式；
(1)柴电混合推进模式：柴油机处于运行状态，第二SSS离合器闭合，通过第五扭矩仪与第一并车齿轮箱连接，再通过第一扭矩仪驱动电涡轮测功器；实验室电源带动电动机处于运行状态，第一SSS离合器闭合，其他SSS离合器全断开，通过第二扭矩仪与第一并车齿轮箱连接，此时动力传输分成两路：第一路通过第一扭矩仪与电涡轮测功器相连，第二路连接第二电磁离合器、第一支撑、第七扭矩仪并与跨接齿轮箱相连，进而连接第八扭矩仪、第二支撑、第三电磁离合器并与第二并车齿轮箱连接，再通过第三扭矩仪驱动水力测功器；
(2)燃电混合推进模式：燃气轮机处于运行状态，第三SSS离合器闭合，通过第六扭矩仪与第八并车齿轮箱连接，再通过第三扭矩仪驱动水力测功器；实验室电源带动电动机处于运行状态，第一SSS离合器闭合，其他SSS离合器全断开，通过第二扭矩仪与第一并车齿轮箱连接，此时动力传输分成两路：第一路通过第一扭矩仪与电涡轮测功器相连，第二路连接第二电磁离合器、第一支撑、第七扭矩仪并与跨接齿轮箱相连，进而与第八扭矩仪、第二支撑、第三电磁离合器相连并与第二并车齿轮箱连接，再通过第三扭矩仪驱动水力测功器；
(3)柴燃电混合推进模式：柴油机和燃气轮机处于运行状态，第二、第三SSS离合器闭合，燃气轮机通过第六扭矩仪和第二并车齿轮箱连接，柴油机通过第五扭矩仪与第一并车齿轮箱连接，第一、第二并车齿轮箱分别与第一、第三扭矩仪连接，再带动电涡轮测功器和水力测功器；实验室电源带动电动机处于运行状态，第一SSS离合器闭合，其他SSS离合器全断开，通过第二扭矩仪与第一并车齿轮箱连接，此时动力传输分成两路：第一路通过第一扭矩仪与电涡轮测功器相连，第二路连接第二电磁离合器、第一支撑、第七扭矩仪并与跨接齿轮箱相连，进而连接第八扭矩仪、第二支撑、第三电磁离合器并与第二并车齿轮箱连接，再通过第三扭矩仪驱动水力测功器；
(4)混合推进辅助发电模式：以上三种混合推进模式中，通过第二并车齿轮箱、第四扭矩仪以及第一电磁离合器连接发电机发电，发出的电能储存到蓄电池中，为试验台用电设备或电动机供电。
本发明的优势在于：
1.本发明功率覆盖区间广，能够满足船舶全工况的动力要求，具有明显的优势如下：柴油发动机在低工况下运行性能较好，热效率高，单位功率的重量低。燃气轮机的单机功率高、运行可靠、结构简单、紧凑、起动快、自动化程度高，可以综合利用余热，大幅度提高能源利用率。电动机可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载。可以软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动。可靠性好、噪声低、震动小，运行平滑。采用水力测功器和电涡轮测功器可通过测控装置进行功率反馈，吸收并传递动力机械的输出功率，提高能源利用率。。
2.本发明试验台中带有发电机和蓄电池。发电机作为负载接受混合动力装置的功率输出，对外发电能并将一部分电能存储在蓄电池中进行备用。蓄电池可以作为孤立系统的能源池驱动系统中的电动机进行工作，亦可作为船舶储备能源，实现能源的高效利用与自产自用。
3.本发明试验台的控制系统包括安全保护系统、1号上位机、2号上位机、水力测功驱动仪和远程I/O通讯模块。1号上位机负责在自动模式中进行工作，将原动机与控制器相连，各数据将通过板卡进行输入输出。2号上位机负责在手动模式下进行工作。2号上位机通过DP通讯与I/O接口进行通讯，通过CAN通讯与水力测功器和电涡轮测功器进行通讯。两种方法都可以对系统进行控制，容错率高。安全保护系统包括转速限制、扭矩限制、滑油压力限制、滑油温度限制、传动轴在X方向和Y方向上的振动限制。在运行时，上位机会根据上述限制判断当前的运行状态是否安全，若超出限制，将会采取紧急制动，安全保障性好。
4.试验台监测控制系统包括数据处理仿真机、执行机构控制系统、上位机和安防检测器(检测试验台的烟气、水电状态)。本发明的监测控制系统不仅可以监测控制试验台的各个部件，而且可以检测试验台的烟气、水电状态，全方位的保障了实验的精准性和实验人员的安全性。
5.本发明所描述有10种运行模式。可以满足船舶在不同工况下的动力输出。在低工况时，选用电动机作为原动机进行动力输出可以取得较高的效率。在中工况时，可以选用辅助发电模式。在高工况时，可以选用柴燃进行动力输出。在满工况时，选用柴燃电混合动力进行动力输出。在不同的工况下选用不同的动力组合，使得功率匹配更加合理。使试验台更加的多能化和全面化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的试验台监测控制系统示意图；
图3为本发明的试验台控制逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-3，本发明一种带数据通讯控制系统的柴燃电混联式船舶混合动力试验台，包括电动机1、发电机2、蓄电池3、电涡轮测功器4、SSS离合器5a、5b、5c、水力测功器6、电磁离合器7a、7b、7c、扭矩仪8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h、联轴器9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h、9i、9j、支撑11a、11b、柴油机12、燃气轮机13、并车齿轮箱14、15、跨接齿轮箱16。其连接关系为：柴油机12通过SSS离合器5b连接扭矩仪8e和联轴器9e与并车齿轮箱14连接，再与联轴器9a连接，通过扭矩仪8a驱动电涡轮测功器4；燃气轮机13通过SSS离合器5c连接扭矩仪8f和联轴器9h与并车齿轮箱15连接，再与联轴器9c连接，通过扭矩仪8c驱动水力测功器6；电动机1通过SSS离合器5a连接扭矩仪8b和联轴器9b与并车齿轮箱14连接，再与联轴器9f连接，以及电磁离合器7b、支撑11a、扭矩仪8g、联轴器9i与跨接齿轮箱16相连，进而与联轴器9j、扭矩仪8h、支撑qqb、电磁离合器7c以及联轴器9g与并车齿轮箱15连接，再与联轴器9c连接，通过扭矩仪8c驱动水力测功器6。蓄电池3连接发电机2以及电磁离合器7a连接扭矩仪8d通过联轴器9d连接到并车齿轮箱15。其中蓄电池3可以为电动机1供电。
参加图2，试验台监测控制系统包括，数据处理仿真机17、执行机构控制系统、上位机18和安防检测器25(检测试验台的烟气、水电状态)。
试验台数据处理仿真机功能包括从控制器模型到原动机模型进而实时求解计算，并且可以进行数据采集和数据输出。
执行机构控制系统包括柴油机12、燃气轮机13、电动机1、发电机2、电涡轮测功器4和水力测功器6以及柴油机控制器21、燃气轮机控制器20、电动机控制器19、发电机控制器22、水力测功机控制器23和电涡轮测功器控制器24。其功能是监测控制上述机器，把转速扭矩信号通过数据传输网络传输到数据处理仿真机17，并且通过TCP/IP、串口通讯等把信号传输到上位机18。
上位机18功能包括数据显示分析、方案设计、过程监控以及模型建立，就是对数据处理仿真机和执行机构控制系统的数据进行分析、监控和研究。
参见图3，试验台试验台控制逻辑示意图，其中，上位机18可以控制切换自动模式和手动模式并且通过远程I/O通讯模块监测控制：环境温度、轴X方向振动、扭矩仪转速、扭矩仪扭矩、轴Y方向振动、柴油机、燃机、电机转速、柴油机、燃机、电机扭矩、离合器滑油温度、离合器滑油压力、SSS离合器滑移距离、齿轮箱滑油温度、齿轮箱滑油压力、电机风扇启停、柴油机、燃机、电机启停、燃气轮机、柴油机供油、电机变频器设定。并且通过判断转速限制、扭矩限制、滑油压力、滑油温度、轴X振动、轴Y振动来决定是否采取紧急制动。上位机也通过CAN通讯来监测控制水力测功器和电涡轮测功器，包括水力测功机转速、水力测功机扭矩、电涡轮测功器转速、电涡轮测功器扭矩、运行模式和扭矩设定。
本发明提供一种带数据通讯控制系统的柴燃电混联式船舶混合动力试验方法：柴油机、燃气轮机和电动机的工作模式包括机械推进模式：
所述机械推进模式包括：柴油机推进模式、燃气轮机推进模式、柴燃混合推进模式以及机械推进辅助发电模式。
(1)柴油机推进模式:柴油机处于运行状态，SSS离合器5b闭合，其他离合器全断开，通过扭矩仪8e和联轴器9e与并车齿轮箱连接，再与联轴器9a连接，通过扭矩仪8a驱动电涡轮测功器。
(2)燃气轮机推进模式:燃气轮机处于运行状态，SSS离合器5c闭合，其他离合器全断开，通过扭矩仪8f和联轴器9h与并车齿轮箱连接，再与联轴器9c连接，通过扭矩仪8c驱动水力测功器。
(3)柴燃混合推进模式:柴油机和燃气轮机处于运行状态，SSS离合器5b、5c闭合，其他离合器全断开，燃气轮机和柴油机分别通过扭矩仪8f、8e和联轴器9h、9e与并车齿轮箱连接，再与联轴器9c、9a连接，通过扭矩仪8c、8a驱动水力测功器和电涡轮测功器。
(4)机械推进辅助发电模式:以上三种机械推进模式都可以分出一部分功率通过并车齿轮箱、联轴器9d和扭矩仪8d以及电磁离合器7a辅助发电机发电，发出的电能可以储存到蓄电池中，为试验台用电设备或电动机供电。
本发明提供一种带数据通讯控制系统的柴燃电混联式船舶混合动力试验方法：柴油机、燃气轮机和电动机的工作模式包括电力推进模式：
所述电力推进模式包括：蓄电池供电推进模式和实验室供电推进模式
(1)蓄电池供电推进模式:蓄电池SOC充足，带动电动机处于运行状态，SSS离合器5a闭合，其他SSS离合器全断开，通过扭矩仪8b和联轴器9b与并车齿轮箱连接，此时动力传输分成两路。第一路与联轴器9a连接，再通过扭矩仪8a与电涡轮测功器相连，第二路与联轴器9f连接，以及电磁离合器7b、支撑11a、扭矩仪8g、联轴器9i与跨接齿轮箱相连，进而与联轴器9j、扭矩仪8h、支撑11b、电磁离合器7c以及联轴器9g与并车齿轮箱连接，再与联轴器9c连接，通过扭矩仪8c驱动水力测功器。
(2)实验室供电推进模式:实验室电源带动电动机处于运行状态，SSS离合器5a闭合，其他SSS离合器全断开，通过扭矩仪8b和联轴器9b与并车齿轮箱连接，此时动力传输分成两路。第一路与联轴器9a连接，再通过扭矩仪8a与电涡轮测功器相连，第二路与联轴器9f连接，以及电磁离合器7b、支撑11a、扭矩仪8g、联轴器9i与跨接齿轮箱相连，进而与联轴器9j、扭矩仪8h、支撑11b、电磁离合器7c以及联轴器9g与并车齿轮箱连接，再与联轴器9c连接，通过扭矩仪8c驱动水力测功器。
本发明提供一种带数据通讯控制系统的柴燃电混联式船舶混合动力试验方法：柴油机、燃气轮机和电动机的工作模式包括混合推进模式：
所述混合推进模式包括：柴电混合推进模式、燃电混合推进模式、柴燃电混合推进模式和混合推进辅助发电模式。
(1)柴电混合推进模式:柴油机处于运行状态，SSS离合器5b闭合，通过扭矩仪8e和联轴器9e与并车齿轮箱连接，再与联轴器9a连接，通过扭矩仪8a驱动电涡轮测功器。同时实验室电源带动电动机处于运行状态，SSS离合器5a闭合，其他SSS离合器全断开，通过扭矩仪8b和联轴器9b与并车齿轮箱连接，此时动力传输分成两路。第一路与联轴器9a连接，再通过扭矩仪8a与电涡轮测功器相连，第二路与联轴器9f连接，以及电磁离合器7b、支撑11a、扭矩仪8g、联轴器9i与跨接齿轮箱相连，进而与联轴器9j、扭矩仪8h、支撑11b、电磁离合器7c以及联轴器9g与并车齿轮箱连接，再与联轴器9c连接，通过扭矩仪8c驱动水力测功器。
(2)燃电混合推进模式:燃气轮机处于运行状态，SSS离合器5c闭合，通过扭矩仪8f和联轴器9h与并车齿轮箱连接，再与联轴器9c连接，通过扭矩仪8c驱动水力测功器。同时实验室电源带动电动机处于运行状态，SSS离合器5a闭合，其他SSS离合器全断开，通过扭矩仪8b和联轴器9b与并车齿轮箱连接，此时动力传输分成两路。第一路与联轴器9a连接，再通过扭矩仪8a与电涡轮测功器相连，第二路与联轴器9f连接，以及电磁离合器7b、支撑11a、扭矩仪8g、联轴器9i与跨接齿轮箱相连，进而与联轴器9j、扭矩仪8h、支撑11b、电磁离合器7c以及联轴器9g与并车齿轮箱连接，再与联轴器9c连接，通过扭矩仪8c驱动水力测功器。
(3)柴燃电混合推进模式:柴油机和燃气轮机处于运行状态，SSS离合器5b、5c闭合，燃气轮机通过扭矩仪8f、联轴器9h和并车齿轮箱连接，柴油机通过扭矩仪8e和联轴器9e与并车齿轮箱连接。并车齿轮箱分别通过联轴器9a、9c与扭矩仪8a、8c连接，再带动电涡轮测功器和水力测功器。同时实验室电源带动电动机处于运行状态，SSS离合器5a闭合，其他SSS离合器全断开，通过扭矩仪8b和联轴器9b与并车齿轮箱连接，此时动力传输分成两路。第一路与联轴器9a连接，再通过扭矩仪8a与电涡轮测功器相连，第二路与联轴器9f连接，以及电磁离合器7b、支撑11a、扭矩仪8g、联轴器9i与跨接齿轮箱相连，进而与联轴器9j、扭矩仪8h、支撑11b、电磁离合器7c以及联轴器9g与并车齿轮箱连接，再与联轴器9c连接，通过扭矩仪8c驱动水力测功器。
(4)混合推进辅助发电模式:以上三种混合推进模式都可以分出一部分功率通过并车齿轮箱、联轴器9d和扭矩仪8d以及电磁离合器7a辅助发电机发电，发出的电能可以储存到蓄电池中，为试验台用电设备或电动机供电。
本发明上位机中存在有安全限制保护模块。远程I/O通讯模块将柴油机、燃气轮机和电动机的转速、扭矩、滑油压力、滑油温度以及轴系在X方向和Y方向的振动等数据上传至上位机，经过限制保护判断是否处于安全状态，若处于非安全状态将会启动紧急制动。系统保护措施完善，判断阈值较多，可以最大限度的保护试验人员的生命安全和试验台的运行安全。
本发明整个试探台采用模块化思想搭建，可选择的推进模式较多，可以覆盖各个功率范围，柴燃电之间的并车与解列非常灵活，为后续研究提供了技术支持。
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