船用动力系统单元和为海洋船舶提供动力的方法与流程

1.本发明涉及一种具有两个驱动单元的船用动力系统和用于驱动海洋船舶的方法。在低速下，在前进和倒退时，驱动单元均仅由电动机提供动力。在较高速度下，驱动单元由内燃机提供动力。同时利用内燃机和电动机为驱动单元提供动力也是可能的，例如在较高速度下加速时。


背景技术：

2.诸如大型休闲船、小型渡船、商业船、救援船之类的海洋船舶通常设有两个驱动单元。一个原因是为了提供更多的动力，另一个原因是为了改善可操纵性。例如，具有诸如由沃尔沃遍达公司(volvo penta)提供的ips系统的船内推进系统(其中，该系统包括两个可单独控制的驱动舱)，燃料效率、可操纵性以及舒适性得到了极大提高。还存在设有两根船内轴的船舶，每根轴驱动单个螺旋桨，或者存在设有两个船尾驱动器的船舶。
3.无论使用哪种类型的驱动单元，每个驱动单元均由内燃机提供动力，内燃机通过传动装置连接到驱动单元。传动装置将动力从船只的发动机传递到螺旋桨，并且设有传动比传动装置和倒档，所述传动比传动装置将发动机速度调整到所需的螺旋桨速度，并且倒档使船只能够倒退。
4.如今，与道路车辆一样，也要求为海洋船舶提供更加环保的驱动解决方案。然而，由于电池相对较重且昂贵，采用全电动推进系统的船只仍然不可行，特别是对于大型船只和商业用途的船只而言。替代地，建议使用混合解决方案，其中，例如在港口中使用电动机来进行低速操纵。这种类型的解决方案对于小型船只而言也是众所周知的，其中例如在钓鱼期间进行拖钓时，通常使用单独的电动机。
5.在us2021139123中披露了这种混合系统。该系统包括第一推进系统和第二推进系统，第一推进系统包括由内燃机提供动力的单个驱动单元，并且第二推进系统包括由单独的电动机提供动力的两个单独驱动单元。该系统的控制方式在于，在操纵船只时，第一推进系统在较高的速度下使用，而第二推进系统在低速下使用。第一推进系统的驱动单元是船尾驱动器，并且第二推进系统的驱动单元是船尾驱动器。第一船尾驱动器在低速时升出水面，而两个第二船尾驱动器在较高速度时升出水面，以减小阻力。
6.这种混合驱动系统是相对复杂和昂贵的。因此，需要一种用于海洋船舶的改进的驱动系统。


技术实现要素：

7.因此，本发明的一个目的是提供一种用于海洋船舶的改进的动力系统。本发明的另一目的是提供一种用于驱动海洋船舶的方法。本发明的另一目的是提供一种包括这种动力系统的海洋船舶。一个目的还在于提供一种适合于执行该方法的各步骤的计算机程序和计算机程序产品。
8.根据本发明的对问题的解决方案由针对一种动力系统、一种方法以及一种海洋船
舶的权利要求所限定。这些权利要求还包含本发明的动力系统和方法的有利进一步发展。还附有对计算机程序和计算机程序产品的权利要求。
9.在本发明的用于船舶的动力系统中，该动力系统包括内燃机、传动装置、具有第一螺旋桨的第一驱动单元和具有第二螺旋桨的第二驱动单元、第一电动机以及第二电动机，本发明的目的是这样实现的：内燃机通过传动装置被驱动地连接到第一驱动单元和第二驱动单元，第一电动机被直接驱动地连接到第一驱动单元，并且第二电动机被直接驱动地连接到第二驱动单元。
10.采用本发明的动力系统，可为由两个驱动单元驱动的海洋船舶提供简化的动力系统。采用本发明的动力系统，低速操纵和倒退由电动机执行，而内燃机仅仅在以较高速度驱动船舶前进时使用。这样，不需要机械倒档，也不需要具有不同传动比的机械传动装置。在传统的具有两个驱动单元的用于海洋船舶的动力系统中，每个驱动单元均由单独的内燃机提供动力。采用本发明的动力系统，两个内燃机可以由单个较大的内燃机代替。此外，由于船舶在低速时由电动机驱动，因此，该内燃机可以在内燃机的效率较高的条件下使用。因此，内燃机不许在低转速下使用，因为低转速下的效率较低。
11.该船舶的驱动单元可以是任何类型的驱动单元，例如安装在船舶下方的可单独控制的驱动舱(ips)、包括将发动机/传动装置与螺旋桨相连接的直驱动轴的船内轴，或布置在船舶后部的船尾驱动器。
12.该动力系统可以包括第一离合器和第二离合器，该第一离合器布置在传动装置和第一驱动单元之间，并且该第二离合器布置在传动装置和第二驱动单元之间，以使得内燃机与驱动单元脱离接合。这些离合器可以是离心式离合器，但也可使用摩擦式离合器。采用离合器，内燃机可以从驱动装置上脱离接合。这样，电动机也可以彼此在旋转方向上脱离连接，这可以改善船舶的可操纵性。通过这种解决方案，电动机能够在不同的速度下驱动，这改善了可操纵性。采用ips解决方案，该驱动单元可以沿任何方向旋转，但对于船尾驱动器、特别是对于直驱动轴，电动机的单独转速是有优势的。该传动装置在一个示例中是皮带传动装置，其将内燃机与布置在第一驱动单元和第二驱动单元处的皮带轮相连接。还可以使用链条，尽管这提供了噪音较大的解决方案。
13.采用本发明的动力系统，该海洋船舶布置成在低于预定速度的速度下由电动机驱动，而在高于预定速度的速度下由内燃机驱动。该速度可以用不同的方式限定，并且在这里称为该船舶的实际速度，而螺旋桨的转速也可以用来限定速度参数。还可以使用转速和实际船舶速度的组合。例如，在加速时，也可同时用内燃机和电动机来驱动船舶。此外，两个单独的电动机还可以允许螺旋桨在低速操纵时沿不同的方向(即前进和倒退)驱动。对于直轴驱动并且对于船尾驱动器，这是特别有利的，同时对于ips驱动，这也很有用。
14.该动力系统设有电子控制单元(ecu)，该电子控制单元(ecu)控制内燃机和电动机。ecu连接到海洋船舶的常规控制系统，例如可以集成在船舶的常规控制单元中。ecu接收来自常规控制系统的信息，例如设定的速度、行驶方向等。这样，ecu可以控制内燃机和电动机，以按要求驱动船舶。
15.在一种用于驱动海洋船舶的方法中，其中，该海洋船舶包括平行布置的两个驱动单元，其中，每个驱动单元包括螺旋桨，其中，该海洋船舶包括内燃机、传动装置以及第一和第二电动机，其步骤为：对于低于预定速度的速度，用直接联接到第一驱动单元的第一电动
机驱动该第一驱动单元；对于低于预定速度的速度，用直接联接到第二驱动单元的第二电动机驱动该第二驱动单元；以及对于高于预定速度的速度，用内燃机通过传动装置驱动第一驱动单元和第二驱动单元。
16.通过该方法的该第一实施例，包括两个驱动单元的海洋船舶可以通过在低速时仅使用电动机、而在较高速度时使用内燃机(可选地与电动机一起)以高效且节能的方式驱动。同时，特别是在低速时，船舶的可操纵性得以改善。这些电动机将沿前进和倒退方向驱动船舶。这消除了对特定倒档的需求，从而降低了成本和重量，同时也提高了可靠性。此外，该方法允许使用单个内燃机，这进一步节省了成本、重量和空间。
附图说明
17.下文将参照附图更详细地描述本发明，附图中：
18.图1示出了设有动力系统的示意船舶，
19.图2示出了示意动力系统，以及
20.图3示出了本发明方法的示意流程图。
具体实施方式
21.下文描述的具有进一步发展的本发明实施例仅被视为示例，而决不限制本专利权利要求提供的保护范围。
22.图1示出了示意性的海洋船舶20，该海洋船舶20设有用于驱动船舶的本发明的动力系统1，并且图2示出了示意性的动力系统1。该动力系统适合用于不同类型的船只或水车(watercraft)，并且该动力系统设有两个驱动单元。该船舶的驱动单元可以是任何类型的驱动单元，例如安装在船舶下方的可单独控制的驱动舱(ips)、包括将发动机/传动装置与螺旋桨相连接的直驱动轴的船内轴，或布置在船舶后部的船尾驱动器。在所描述的示例中，可单独控制的驱动舱将用作驱动单元的一个示例。
23.船舶20设有动力系统1，该动力系统1包括内燃机2。该内燃机可以是例如由柴油、汽油、天然气、氢气或任何其它可燃燃料驱动的任何类型的内燃机。该动力系统还包括传动装置3，该传动装置3布置在内燃机与第一驱动单元4和第二驱动单元6之间。第一电动机8布置在第一驱动单元4处，并且第二电动机9布置在第二驱动单元6处。每个电动机都被直接驱动地连接到相应的驱动单元。每个驱动单元都设有至少一个螺旋桨5、7。
24.传动装置3会将来自内燃机的动力等量地传递到两个驱动单元，其中，功率比是固定的，以将动力平均分配给两个驱动单元。该传动装置必须仅仅沿一个方向将动力传递给驱动单元、即驱动船只前进，因此并非必须设有倒档。这使得传动装置不那么复杂、更轻且更便宜。在一个实施方案中，该传动装置是皮带传动装置。皮带传动装置很轻、很简单、很安静，并且不会将振动从内燃机传递到驱动单元。该传动装置可以使用单根皮带来为两个驱动单元提供动力，也可以使用两根单独的皮带来为每个驱动单元提供动力。这样，即使一根皮带断裂，也可以利用内燃机来驱动船只。优选地，使用增强型橡胶v型带，但也可以使用其它类型的v型带或齿形带。也可以使用链条。
25.该动力系统设有第一电动机8和第二电动机9。第一电动机8固定地连接，以驱动第一驱动单元4，并且第二电动机9固定地连接，以驱动第二驱动单元6。电动机可以布置在传
动装置的一侧，而驱动单元布置在传动装置的另一侧，或者电动机也可以布置在传动装置和驱动单元之间。在一个具有皮带传动装置和皮带轮(pulley wheel)的示例中，该电动机可以布置在皮带轮的一侧，而驱动单元布置在皮带轮的另一侧，或者电动机可以布置在皮带轮和驱动单元之间。电动机也可以集成在驱动单元中。
26.通过使用布置在内燃机的输出轴和驱动单元的输入轴处的不同大小的皮带轮，可以设定内燃机和驱动单元之间的转速传递比，从而可以简化驱动单元的传动。该转速传递比取决于内燃机和所使用的螺旋桨。通常，会使用例如1.5到3之间的传递比，但根据要求，其它比率也是可能的。典型的4缸或6缸柴油机的空转速度约为600rpm，最高转速约为3500rpm。
27.在一个示例中，该动力系统设有第一离合器12和第二离合器13，该第一离合器12布置在传动装置和第一驱动单元4之间，并且该第二离合器13布置在传动装置和第二驱动单元6之间。该第一和第二离合器在一个示例中是离心式离合器，当内燃机的转速低于设定的转速时，该离心式离合器使得内燃机与驱动单元4和6脱离。选择该设定速度，以使得在低于预定速度的速度下、仅仅电动机驱动船舶，并且使得在预定速度以上，则至少内燃机将驱动船舶。该内燃机的转速，例如在1000rpm到1400rpm之间的转速，可以用作设定速度。第一和第二离合器12、13也可以是可控的摩擦式离合器，该摩擦式离合器可以在船只以低速行驶时脱离接合。
28.针对离心式离合器的设定速度和针对船只的预定速度优选地是相关的，以使得当船舶以低于预定速度的速度行驶时，该内燃机可以关闭。第一和第二离合器12、13可以布置在内燃机的输出轴处，或者布置在驱动单元的输入轴处。在低于该设定速度的情况下，该内燃机将处于空转模式中，即该内燃机在并不驱动船舶的情况下运行。在这种情况下，该船舶将仅仅由电动机驱动。这是有利的，因为当船舶进入港口或应尽量减少或禁止使用内燃机的其它区域时，该内燃机可以完全关闭。原因可能例如是尽量减少噪音和/或废气。在低速下使用电动机的另一优点在于，对于某些内燃机/螺旋桨的组合，在内燃机以空转转速运行的情况下，很难以足够低的速度驱动船舶。在空转转速为例如600rpm的情况下，该船舶的最低速度可能过高，这意味着对于正常的动力系统布置，这些驱动单元可能必须不断地接合和脱离接合，以达到足够低的速度。
29.该动力系统1还包括电子控制单元10和一个或多个电池11，该一个或多个电池11布置成为电动机供电。这些电池可以在船舶进港时从电网充电，也可以在船舶行驶时由内燃机充电。这使得可以利用电力驶出港口，在海上给电池充电，从而使得电池得以充电，并且可以在到达另一个港口时、为船舶供电。
30.该电子控制单元(ecu)布置成控制内燃机和电动机。ecu连接到海洋船舶的常规控制系统，例如可以集成在船舶的常规控制单元中。ecu接收来自常规控制系统的信息，例如期望的速度、行驶方向、内燃机的速度等。ecu可以例如向内燃机的专用ecu和电动机的转换器(converters)发送控制信号。
31.在低于预定速度的速度下，该船舶由电动机驱动。取决于船舶的期望速度和期望方向，将该第一和第二电动机控制为以期望的转速旋转。电动机的速度可能相同，或者也可能不同，并且旋转方向也可能相同、或者也可能不同，这取决于船舶的所需操纵和所用驱动单元的类型。对于ips驱动单元而言，可以通过使得ips驱动单元沿期望方向旋转来执行操
纵，但是例如对于直轴驱动而言，可以通过使得电动机沿不同的方向并且以不同的速度旋转来执行操纵。
32.当期望高于预定速度的速度时，内燃机启动，并且当内燃机的转速高于离心式离合器的设定速度时，该内燃机驱动船舶。现在可以断开电动机的电流，以节省电力。如果船舶加速，则可以用电动机辅助内燃机，以暂时增加可用的动力。通过使用电动机作为动力补充，例如可以利用电动机取代内燃机的涡轮，这会进一步节省成本并提高可靠性。
33.图3示出了用于驱动海洋船舶的方法的示意流程图。
34.在步骤100中，启动海洋船舶的控制系统，以使得海洋船舶准备好驱动。这里，海洋船舶例如静止停靠在港口中。从控制系统发出具有期望速度的速度信号。
35.在步骤110中，确定船舶的期望速度是高于还是低于预定速度。在一个示例中，该预定速度可以是船舶的实际速度，但也可以是螺旋桨的转速，或者是将船舶的实际速度和螺旋桨的转速加以组合的数值。如果存在强风或强水流，这可能是有利的，在这种情况下，单个速度值可能不足以给出正确的期望速度。
36.在一个示例中，该预定速度对应于5节的船舶实际速度。如果期望速度低于这个速度，则该方法继续进行步骤120。如果期望速度高于这个速度，则该方法继续进行步骤130。
37.在步骤120中，船舶由电动机驱动。电动机由ecu控制，以使得船舶获得期望的速度。
38.在步骤130中，该船舶至少由内燃机驱动。内燃机由ecu控制，以使得船舶获得期望的速度。该内燃机也可以由ecu与电动机一起控制，以利用来自电动机的附加动力为船舶提供期望的加速度和速度。
39.不断地监测期望的速度，从而选择正确的驱动模式。为了防止在预定速度附近的期望速度下、不断改变驱动模式，优选地使用滞后。在一个示例中，可以使用0.5节的滞后，以使得当预定速度为5节时，在4.5节和5.5节时进行驱动模式转换。
40.一种驱动模式与另一种驱动模式之间的转换以一种受控的方式进行，从而在任何时候都能达到期望的速度。当驱动模式将要从速度低于预定速度下的电力驱动转变为速度高于预定速度下的内燃机驱动时，该内燃机在电力驱动停止之前启动，以使得驱动模式之间的转换是平稳的。当驱动模式从内燃机驱动转变为电力驱动时，也同样适用。这里，电动机在内燃机关闭之前启动，从而在任何时候都存在驱动力。
41.本发明不应被视为限制于上述实施例，在随后的专利权利要求的范围内，许多附加的变型和修改是可能的。
42.附图标记列表
43.1:动力系统
44.2:内燃机
45.3:传动装置
46.4:第一驱动单元
47.5:第一螺旋桨
48.6:第二驱动单元
49.7:第二螺旋桨
50.8:第一电动机
51.9:第二电动机
52.10:电子控制单元
53.11:电池
54.12:离合器
55.13:第一自由轮离合器
56.14:第二自由轮离合器
57.20:海洋船舶

技术特征：
1.一种用于海洋船舶(20)的动力系统(1)，所述动力系统(1)包括内燃机(2)、传动装置(3)、具有第一螺旋桨(5)的第一驱动单元(4)和具有第二螺旋桨(7)的第二驱动单元(6)、第一电动机(8)以及第二电动机(9)，其中，所述内燃机(2)通过所述传动装置(3)连接到所述第一驱动单元(4)和所述第二驱动单元(6)，其中，所述第一电动机(8)直接连接到所述第一驱动单元(4)，并且其中所述第二电动机(9)直接连接到所述第二驱动单元(6)，其中，所述动力系统(1)包括第一离合器(12)和第二离合器(13)，所述第一离合器(12)布置在所述传动装置(3)和所述第一驱动单元(4)之间，并且所述第二离合器(13)布置在所述传动装置(3)和所述第二驱动单元(6)之间，其特征在于，所述第一离合器(12)和所述第二离合器(13)是离心式离合器。2.根据权利要求1所述的动力系统，其中，所述传动装置(3)是皮带传动式传动装置。3.根据权利要求1或2中任一项所述的动力系统，其中，在低于预定速度的速度下，所述第一电动机(8)布置成推进所述第一驱动单元(4)，并且所述第二电动机(9)布置成推进所述第二驱动单元(6)。4.根据权利要求1到3中任一项所述的动力系统，其中，所述第一电动机(8)布置成推进所述第一驱动单元(4)，并且所述第二电动机(9)布置成沿倒退方向、推进所述第二驱动单元(6)。5.根据权利要求1到4中任一项所述的动力系统，其中，在高于所述预定速度的速度下，所述内燃机(2)布置成通过所述传动装置(3)推进所述第一驱动单元(4)和所述第二驱动单元(6)。6.根据权利要求1到4中任一项所述的动力系统，其中，在高于所述预定速度的速度下，所述内燃机(2)、所述第一电动机(8)和所述第二电动机(9)布置成推进所述第一驱动单元(4)和所述第二驱动单元(6)。7.根据权利要求1到6中任一项所述的动力系统，其中，所述动力系统(1)包括电子控制单元(10)，所述电子控制单元(10)布置成控制所述内燃机(2)、所述第一电动机(8)和所述第二电动机(9)。8.一种海洋船舶(20)，包括根据权利要求1到7中任一项所述的动力系统(1)。9.一种用于驱动海洋船舶的方法，其中，所述海洋船舶包括并联布置的两个驱动单元，其中，每个驱动单元均包括螺旋桨，其中，所述海洋船舶包括内燃机、传动装置以及第一电动机和第二电动机，其中，每个驱动单元设有离心式离合器，所述离心式离合器布置在所述传动装置和所述驱动单元之间，所述方法包括以下步骤：-对于低于预定速度的速度，用直接联接到所述第一驱动单元的第一电动机驱动所述第一驱动单元；-对于低于所述预定速度的速度，用直接联接到所述第二驱动单元的第二电动机驱动所述第二驱动单元；以及-对于高于所述预定速度的速度，用所述内燃机通过所述传动装置和所述离心式离合器驱动所述第一驱动单元和所述第二驱动单元。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括如下步骤：当使所述海洋船舶倒退时，用所述第一电动机驱动所述第一驱动单元，并且用所述第二电动机驱动所述第二驱动单元。
11.根据权利要求9或10中的任一项所述的方法，其中，所述第一电动机、所述第二电动机和所述内燃机由电子控制单元控制。12.一种计算机程序，所述计算机程序包括程序代码装置，所述程序代码装置用于当所述程序在计算机上运行时、执行根据权利要求9到11所述的所有步骤。13.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在计算机可读介质上的程序代码装置，所述程序代码装置用于当所述程序产品在计算机上运行时、执行根据权利要求9到11所述的所有步骤。

技术总结
本发明公开了船用动力系统单元和为海洋船舶提供动力的方法。具体地，一种用于海洋船舶的动力系统，该动力系统包括内燃机、传动装置、具有第一螺旋桨的第一驱动单元和具有第二螺旋桨的第二驱动单元、第一电动机以及第二电动机，其中，所述内燃机通过传动装置被驱动地连接到第一驱动单元和第二驱动单元，所述第一电动机直接驱动地连接到第一驱动单元，并且所述第二电动机直接驱动地连接到所述第二驱动单元。单元。单元。


技术研发人员：弗雷德里克
受保护的技术使用者：沃尔沃遍达公司
技术研发日：2023.01.19
技术公布日：2023/8/5