用于规划船舶载有的装置的电力消耗的系统和方法与流程

1.本公开一般地涉及用于规划船舶载有的装置的电力的消耗、尤其是来自具有有限容量的电源的电力的消耗的系统和方法。


背景技术：

2.美国专利第6,652,330号公开了一种用于控制船舶的电力系统的方法，其包括步骤：测量电池电势，将电池电势与阈值电压幅值相比较，随后在电池电势小于阈值电压幅值时断开多个耗电装置中的一个或多个。这样做是为了避免以下有害状况，其中，船舶的引擎以怠速运行(idle speed)并试图对电池充电，而同时多个耗电装置正在运行并从交流发电机汲取足够的电流以防止电池正常充电。在这些情形下，由于电池试图为负载提供额外所需电流，因此电池电势实际上可能会被耗尽。
3.美国专利第6,342,775号公开了一种电池开关电路，其提供了一种可以基于海上定位与操纵系统的手控操纵杆的位置，来可选地并联或串联连接多个蓄电池的机制。当操纵杆处于船舶操作员不需要任何靠泊动作的中性位置时，蓄电池被并联连接，以使得其可以受益于通过与内燃机关联的交流发电机或发电机充电。如果操纵杆移出了其中性位置，则电池立即被串联连接，以对用于驱动靠泊系统的多个叶轮的多个电动机提供电力。
4.美国专利第9,533,747号公开了一种混合推进系统，其具有内燃机和电动机，内燃机和电动机各自选择性地对船用推进器供能以推动船舶。多个电池释放电流以对电动机供电。控制器被编程为汇总多个电池的再充电和/或放电限制，并随后根据优选地防止内部故障和多个电池中的电池断开连接的方法来操作该系统。
5.美国专利第7,218,118号公开了一种用于监控船用推进系统的电池状况的方法，该方法提供了对电池的电压特性进行测量、将电压特性与预选阈值比较、和将电池状况评估为电压特性和阈值的相对幅值的函数。在电池与电负载之间的连接关系发生改变，在连接事件之后对电池的电压特性进行测量。电负载通常为起动电动机，其以扭矩传递关系与内燃机连接。优选地，在紧接在转动内燃机轴以起动引擎之前的浪涌电流过程期间，电压特性在其最小值处被测量。
6.上述专利和申请通过引用全文并入于此。


技术实现要素：

7.提供本发明内容以介绍下文在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。本发明内容并不旨在标识要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于限制要求保护的主题的范围。
8.本公开的一个实施例一般地涉及一种用于规划船舶载有的装置对来自具有有限容量的电源的电力的消耗的方法。所述方法包括在存储系统内存储使用量模型，其中所述使用量模型包括由所述装置中的每一个装置在一个时间段内消耗的电力的量。所述方法还包括接收使用量计划，所述使用量计划用于在所述电源被限制到所述有限容量的同时运行
speed，tos)传感器21a、21b，其以rpm测量相应变速器20a、20b的变速器输出速度。tos传感器21a、21b可以是与引擎速度传感器22a、22b的类型相似的类型。还与变速器20a、20b相连接地设置了离合器压力传感器23a、23b。离合器压力传感器23a、23b可以是与变速器20a、20b的离合器相关联的(多个)液压回路中的压力转换器。还为每个船用推进装置14a、14b设置了拖钓阀25a、25b，并且本文将在下文中对其进一步描述。
20.船用推进系统10还包括控制模块28，该控制模块28与引擎16a、16b和变速器20a、20b以及它们所关联的传感器和阀门和本文下面提及的其它部件进行信号通信。控制模块28还可以被配置成控制船舶12中的部件之间的电力的流动。在这些部件当中有电源90，其在某些实施例中以本领域中已知的方式包括电池91和/或其它储能系统。某些实施例的电源90还包括电力管理和保护电路系统，例如，比如在背景技术部分中引用的美国专利中所讨论的那些。可以认识到，整个电源90的各部分也可以结合或包括例如控制模块28或图1所示的其它部件的至少一部分。
21.在图1的示例性实施例中，为船用推进装置14a、14b设置的交流发电机27以本领域中已知的方式经由引擎16a、16b的旋转产生电力。这些交流发电机27产生电力并将其提供至电源90，比如对电池91充电或者有助于与其连接的任何耗电装置供电。
22.控制模块28是可编程的并且包括处理器和存储器。控制模块28可以位于船用推进系统10中的任何位置，和/或位于船用推进系统10的远程位置，并且可以经由外围接口以及有线和/或无线链接与船舶12的各种部件通信，如将在本文下文中进一步说明。尽管图1示出一个控制模块28，但船用推进系统10可以包括多于一个控制模块。本文下文公开的方法的各部分可以通过单个控制模块或通过数个单独的控制模块执行。例如，船用推进系统10可以具有位于船舶12的舵机32处或附近的控制模块，并且还可以具有位于船用推进装置14a、14b处或附近的(多个)控制模块。如果设置了多于一个控制模块，则每个控制模块可以控制船舶上的特定装置或子系统的操作。
23.在一些示例中，控制模块28可以包括计算机系统，计算机系统包括处理系统、存储系统、软件、和与外围装置通信的输入/输出(i/o)接口。这些系统可以以硬件和/或执行编程的指令集的软件来实现。如本文所用，术语“控制模块”可以指的是以下项、是以下项的一部分、或包括以下项：专用集成电路(asic)；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(fpga)；执行代码的处理器(共享、专用或组)；提供所描述的功能性的其它适当部件；或者以上各项中的一些或全部的组合，比如芯片上系统(system-on-chip，soc)中。控制模块可以包括存储了由处理系统执行的代码的存储器(共享、专用或组)。术语“代码”可以包括软件、固件、和/或微码，并且可以指程序、例程、功能、类、和/或对象。术语“共享”意指来自多个控制模块的一些或全部代码可以使用单个(共享)处理器执行。另外，来自多个控制模块的一些或全部代码可以由单个(共享)存储器存储。术语“组”意指来自单个控制模块的一些或全部代码可以使用一组处理器执行。另外，来自单个控制模块的一些或全部代码可以使用一组存储器存储。
24.控制模块28经由i/o接口和通信链接(其可以是有线或无线链接)与船用推进系统10的一个或多个部件通信。在一个示例中，通信链接是控制器局域网(can)总线，但也可以使用其它类型的链接。应当注意的是，本文示出的通信链接的连接的范围仅出于示意性目的，尽管为清楚起见在附图中未示出每一个连接，所述通信链接实际上提供了控制模块28
与本文所提及的每个外围装置之间的通信。
25.图2示出示例性控制系统100，其可以用作上文讨论的控制模块28。本公开的某些方面被描述或描绘为功能的和/或逻辑的块部件或处理步骤，其可以由被配置成执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件组件来执行。例如，某些实施例采用了被配置为在一个或多个处理器或者其它控制装置的控制下执行各种功能的集成电路部件，比如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等。功能的和逻辑的块组件之间的连接仅为示例性的，其可以是直接的或间接的，并且可以遵循替代路径。
26.在某些示例中，控制系统100经由通信链接cl(其可以为任何有线或无线链接)与船用推进系统10的所述一个或多个组件中的每一个通信。控制模块100能够通过经由通信链接cl发送和接收控制信号，来接收信息和/或控制船用推进系统10及其各种子系统的一个或多个工作特性。在一个示例中，通信链接cl是控制器局域网(can)总线；然而，也可以使用其它类型的链接。可以认识到，各连接和通信链接cl的范围实际上可以是系统10中的一些或全部组件当中的一个或多个共享连接或链接。此外，通信链接cl线路仅旨在表明各种控制元件能够相互通信，而不代表各种元件之间的实际布线连接，也不代表元件之间通信的仅有路径。另外，船用推进系统10可以结合各种类型的通信装置和系统，因此所示通信链接cl可以实际上代表各种不同类型的无线和/或有线数据通信系统。
27.控制系统100可以是计算机系统，其包括处理系统110、存储系统120、和用于与其它装置(比如输入装置99和输出装置101，它们中的任一个也可以同时地或替代地被存储在云102中)通信的输入/输出(i/o)系统130。处理系统110从存储系统120装载和执行可执行程序122，访问存储在存储系统120内的数据124，并引导船用推进系统10如下文进一步详细描述的那样进行操作。
28.处理系统110可以实现为单个微处理器或其它电路，或者可以分布在协作以执行来自存储系统120的可执行程序122的多个处理装置或子系统上。处理系统的非限制性示例包括通用目的中央处理单元、专用处理器、和逻辑装置。
29.存储系统120可以包括可由处理系统110读取并能够存储可执行程序122和/或数据124的任何存储介质。存储系统120可以实现为单个存储装置，或者可以分布在协作以存储计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据的多个存储装置或子系统上。存储系统120可以包括易失性和/或非易失性系统，并且可以包括以用于信息存储的任何方法或技术来实现的可移除和/或非可移除介质。存储介质可以包括非暂时性和/或暂时性存储介质，包括随机存取存储器、只读存储器、磁盘、光盘、闪速存储器、虚拟存储器和非虚拟存储器、磁存储装置、或者例如可以用于存储信息并通过指令执行系统访问的任何其它介质。
30.返回图1，船用推进系统10还包括全球定位系统(gps)30，其将船舶12的位置和速度提供给控制模块28。附加地或可替代地，还可以提供诸如皮托管(pitot tube)或桨轮的船舶速度传感器。船用推进系统10还可以包括惯性测量单元(imu)或姿态航向参考系统(ahrs)26。imu具有指示船舶航向的固态速率陀螺仪电子罗盘、以及感测船舶的姿态和转弯速率的固态加速度计和角速率传感器。ahrs通过整合陀螺仪测量结果、加速度计数据和磁力计速率来提供船舶12的3d定向。imu/ahrs可以是gps启用的，在此情况下可以无需单独的gps 30。
31.此外，船用推进系统10包括位于船舶12的舵机32处的多个操作员输入装置。操作
员输入装置包括多功能显示装置34，该多功能显示装置34包括用户界面36。用户界面36可以是交互式可触摸显示屏、小键盘、显示屏与小键盘组合、轨迹球与显示屏组合、或本领域普通技术人员已知的用于与多功能显示装置34通信的任何其它类型的用户接口。在舵机32处还设置了操纵杆38，其允许船舶12的操作员命令船舶12在任何数量的方向上平移或旋转。设置了舵轮40用于在船用推进装置不可调向的情况下，将转向命令提供给船用推进装置14a、14b或尾舵。还设置了节流杆42用于向控制模块28提供推力命令，包括推力的幅值和方向。这里示出了两个节流杆，尽管这两个节流杆可以作为单个杆一起控制，但每个节流杆可以用来控制船用推进装置14a或14b中的一个。可替代地，可以设置单个杆用于控制船用推进装置14a、14b两者。
32.舵机32处的操作员输入装置中的数个可以用于将针对引擎16a、16b的操作员需求量输入至控制模块28，包括多功能显示装置34的用户界面36、操纵杆38、和节流杆42。举例而言，节流杆42离开其中性制动位置的、在正向方向上的旋转可以被解释为经由输入/输出映射图(比如查找表)与引擎16a、16b的节流阀的位置相对应的、从0％至100％的操作员需求量的值。例如，输入/输出映射图可能规定当节流杆42处于正向的制动位置(即0％需求量)时节流阀完全关闭，当节流杆42被向前推至其最远程度(即100％需求量)时节流阀完全打开。
33.发明人已经认识到具有有限容量的电源的管理的问题，包括不能有效地计划装置对此有限电源的消耗。本公开将主要涉及计划船舶上装置的电力消耗。然而，可以认识到，相同的方法和系统也可应用于电源具有有限容量的其它系统，比如休闲车辆、电动车辆等。在现代船舶的情况下，通常存在大量的船载电气系统，或者换句话说，存在许多耗电的装置。为了支持这些系统，通常安装了对系统供电以及也对诸如电池的储能系统再充电的基于燃料的发电机。这些船舶通常包括大型燃料箱，使得发电机可以持续很长时间地，提供运行所有船载装置和维持备用电池中的电荷所必须的电力，从而无需密切监控由任何船载装置所消耗的能量。可以认识到，对于发电机，这可以包括如之前所讨论的由引擎、和与之相伴的交流发电机、和/或使用通过消耗诸如汽油的燃料来发电的外部发电机93(图1)产生的电力。还可以使用风力涡轮机和太阳能电池板以补充外部发电机93中的电力系统内可用的电力，例如，包括对装置412实时供电和/或有助于对电池91再充电。
34.然而，发明人已经认识到在未设置发电机或发电机不可用的系统中，代替完全依赖于电池，非常需要有效地监控和计划对装置进行供电的电源内有限容量的消耗。在船舶上进行短途旅行的情况下，对操作员尤为重要的是计划电源的有限容量的使用量，以确保当船舶离岸时，并且更一般地，当船舶无法对有限容量电源进行补充时，电池不会耗尽。
35.本领域当前已知的系统和方法基于一次或二次系统的荷电状态(soc)、电压、安培、或电力消耗来提供装置的减载。然而，仅对操作员提供电流状态，显示系统内每个装置的电流消耗，或从上次再充电事件以来的消耗。在某些示例中，这可以通过蜂窝电话来提供，例如可以显示每个应用消耗的电池使用量百分比，作为自上一次对电话充电以来的度量。然而，发明人已经认识到，这些现有技术系统对于计划在诸如短途旅行的一段时间内的装置总电力消耗是没有效果的。在短途旅行的情况下(例如，所计划的使用量没有额外可用的电力)，存在操作员在不凑巧的时候用光电力的风险，从而带来不便和潜在危险。例如电力可能耗尽，使得在到达目的地之前电动机不再可运行，和/或在紧急情况下无线电通信的
电力不可用。
36.图3描绘了用于计划船舶载有的装置412对来自具有有限容量的电源90的电力的消耗的示例性方法300。步骤302提供了监控船舶上装置412随时间的电力消耗，其可以包括每个装置消耗的电力的量、消耗电力的持续时间、和/或一天中消耗电力的时间(以及在这些时间处的速率)。此步骤可以由用户在单个校准类型设置期间、周期性地执行，和/或包括厂家提供的用于给定类型的船舶的数据，在某些示例中考虑了该船舶上的特定装置412。步骤302例如在24小时时段、一周、或若干充电循环中发生。此收集的数据随后可以在步骤304中使用，以将装置412的电力消耗的使用量模型(存储在上文讨论的存储系统120的数据124内)产生为关于时间的函数。
37.图4提供了一种示例性使用量模型400，其在本示例中包括主使用量表410、按时间的使用量表420、和发电表430。主使用量表410包括在一段时间段上记录数据的装置412的列表。如上文所讨论，该时间段可以为24小时、数天、或其它时间段，其中，主使用量表410当前示出24小时时段的示例性数据。主使用量表410还包括装置412中每一个装置的使用持续时间414，以及使用的总电力416和作为电源90的容量百分比418而使用的电力。当前示例示出假定了125kwh电源容量时的百分比容量418。在该示例中，装置a(这里为热水器)使用了两小时，并且在24小时时段期间消耗4kwh电力，其构成电源90的百分比容量的百分之3.2。可以认识到，这些值仅为示例性的，并且还可以随时间更新，或例如取作平均值，因为装置412中每一个装置的性能和需求将随着船舶的使用、一天中的时间、以及其它环境和其它因素而变化。
38.在某些实施例中，比如如图4中所示，在使用量模型400中还提供了按时间的使用量表420。在所示示例中，针对装置a示出按时间的使用量表420，装置a在本示例中为热水器。按时间的使用量表420具体地提供了如主使用量表410中所示的4kwh的使用的总电力416，按时间段422来划分时间范围424中使用的电力。以这种方式可以看出，在10:00p.m.与5:59a.m.之间的时段中使用了2kwh的电力，展示出装置a在24小时时间段上的电力使用量是不均匀的。
39.在其它实施例中，使用量模型400还包括发电表430，其在船舶的示例中包括除岸电连接以外的任何发电源。例如，在发电表430中提供的装置432包括引擎交流发电机27(图1)和/或外部发电机93，其例如可以包括附加燃料发电机、风力涡轮机和/或太阳能电池板。发电表430还提供了电源90的持续时间434、发电量436和百分比容量438，其中，电源90内装置432中的每一个装置在24小时的时间段期间产生电力。以这种方式，使用量模型400不仅提供装置412中的每一个装置的预期电力消耗，而且提供使用每个装置的特定时间，并且还提供如在发电表430中所提供的由发电装置432再产生电源的速率。在其它示例中，在发电表430内还可以考虑岸电连接，比如对于资源计划系统92，该资源计划系统92还提供例如关于船舶在离开之前必须保持靠泊多长时间的指导，以确保有足够的资源可用于整个短途旅行。
40.返回图3，该方法以在步骤306中接收用于运行船舶的使用量计划来继续，比如在电源90的补充之间的特定短途旅行或所计划的使用。使用量计划可以经由输入装置99(图2)被接收，并存储在例如存储系统120的数据124内。使用量计划可以包括从起点至终点的短途旅行路线，沿途可能具有航路点，其在某些示例中全部或部分地从例如gps或其它导航
计划系统接收。使用量计划还可以或替代地包括电源90的有限容量的其它预期使用量，比如用于运行船舶载有的特定装置412的预期持续时间。例如，操作员可以输入使用电动机四个小时、运行海水淡化器两个小时、以及运行空调十个小时的计划。
41.随后，步骤308基于在步骤304中产生的使用量模型来分析在步骤306中接收到的使用量计划。随后，诸如图1的资源计划系统92之类的系统，产生电力系统90在供应以完成使用量计划所需电力量时的预测的性能。随后在步骤310中，确定是否有足够的容量供电源90满足在步骤306中接收到的使用量计划。可以包括一定的缓冲量，比如假定由于环境变化、电池劣化等而导致的容量比预期的少20％。
42.如果在步骤310中确定有足够的容量来满足使用量计划，则该过程通过监控装置412的电力消耗并周期性地将该电力消耗与使用量计划比较而继续到步骤312。相反，如果在步骤310中确定电源90的容量不足以满足使用量计划，则提供警告或其它指示，以向操作员传达容量不再足够、或者如果不修改电力消耗则存在容量不足的风险。在某些示例中，操作员可以提供用于修改由特定装置所消耗的电力的特定建议，例如，装置是否具有最大消耗量，和/或与使用量计划偏差最大的装置。
43.在图3所示的实施例中，在步骤310中确定电源90的容量不足以满足使用量计划，并导致在步骤314中自动修改一个或多个装置412的运行。该自动修改可以特别地针对之前被指示为允许自动控制的装置412，以使得修改不至于操作员无法接受。步骤314在船舶已经在航行中时可能是特别有利的，因为资源计划系统92必须确保电源90中剩余足够的容量以到达最终目的地，而不是仅指示使用量计划与电源90的使用量模型和/或容量不兼容。
44.在所示的示例性方法300中，步骤316进一步提供了产生用于减小装置412的电力消耗、和/或如之前所讨论的经由发电装置432产生附加电力的附加建议。在所示的示例中，除了步骤314之外还提供了步骤316，但应该认识到，该方法也可以独立地包括这些中的任一个。在所示的示例中，步骤316特别提供以下建议：1)运行除了步骤304的使用量模型中存储的装置以外的一个或多个装置412；2)运行除了步骤306的使用量模型中提供的装置以外的一个或多个装置412；和/或3)运行发电装置432以补充电源90的有限容量，从而提高系统适应步骤306中提供的使用量计划的能力。
45.现在提供例如使用图3的方法300的使用资源计划系统92的示例性情况。在一日游期间，当操作员返回岸上并重新连接到岸电时，电力系统90具有20％的剩余荷电状态(soc)。如上所述，在查看在资源计划系统92内提供的数据时，操作员看到热水器开启了1.5小时并且消耗了总soc的12.8％。另外，间接照明(例如重点照明)使用了6个小时，消耗了总soc的7.1％。随后，资源计划系统92比如在常规显示装置34(图1)上提供：如果操作员希望保持离岸更长时间段而返回时仍有20％的soc剩余(例如，经由使用量计划的输入)，则需要制定计划以消耗更少能量。资源计划系统92还显示和/或使操作员能够确定：基于按时间的使用量表420，重点照明即使在太阳升起之后仍在使用中，从而实质上只是在浪费电力，但很难在日光下检测到。基于该信息，资源计划系统92或是自动调整重点照明未来的使用量、建议该动作、和/或使操作员能够快速地做出该确定。此外，可以快速看到通过在某个时间(例如7:30am)禁用重点照明会节省多少，其可以节省5.3％的总soc。
46.发明人还已经认识到，通过结合机器学习或人工智能，可以进一步改进某些实施例。例如，资源计划系统92可以基于来自之前行程的电力使用量来进行自动调整和/或建
议。另外，资源计划系统92可以随时间获悉行程的特定部分比其它部分需要更多或更少的电力，例如在电动机的情况下顺流而行、逆流而行或穿越海流，并且相应地调整所预测的电力使用量。同样，电池91或装置412的运行性能，例如，可能会随着一年中的时间或一天中的时间而变化(例如，由于温度)，这可以随时间获悉以提高资源规划系统92的准确性。
47.附图中提供的功能框图、操作序列和流程图代表用于实现本公开各新颖方面的示例性架构、环境和方法。尽管为了说明的简单起见，本文中包括的方法可以是功能图、操作序列或流程图的形式，并且可以被描述为一系列动作，但是应当理解和认识到，这些方法不受动作顺序的限制，因为据此一些动作可能以与本文所示和所述的动作不同的顺序发生和/或与其它动作同时发生。例如，本领域技术人员将会理解和认识到，方法可以替代地表示为一系列相互关联的状态或事件，比如在状态图中。而且，新颖的实施方式也可能不需要方法中示出的所有动作。
48.该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员均能够实现和使用本发明。为简洁、清楚和便于理解，使用了某些术语。由于这样的术语仅用于描述目的并旨在被广泛地解释，因此超出现有技术的要求的不必要的限制不应被从其推断。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例的特征或结构要素与权利要求的字面语言没有不同，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效特征或结构要素，则它们应视为在权利要求的范围之内。