CN109878679A - 一种带燃料电池的双机单桨式船舶混合动力动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种带燃料电池的双机单桨式船舶混合动力动力系统，包括气体机、发电机、电动机、蓄电池、燃料电池、离合器、齿轮箱、螺旋桨、天然气存储供给装置、变电设备、岸电设备、船舶电网、船舶负载。气体机通过离合器与齿轮箱相连，电动机和发电机分别通过离合器与齿轮箱相连，电力源为蓄电池、发电机和燃料电池。本发明采用多样化的能量布置形式，具有多种工作模式，可以满足船舶在各种环境和工况下的需求，可以使气体机、电动机始终维持在高效率区，降低了气体机的燃料消耗和排放，同时改善了船舶的动力响应，并扩大了船舶的适航区域。

Description

一种带燃料电池的双机单桨式船舶混合动力动力系统

技术领域

本发明涉及的是一种船舶动力系统，具体地说是船舶混合动力系统。

背景技术

随着国际油价快速上涨，以及越来越严格的排放法规的实施，这就对船舶的经济性和排放性提出了更高的要求，节能减排已经成为国民经济发展中的重要任务。船舶是高能耗的运输工具，其节能减排技术成为大家关注和研究的热点之一。

作为未来的环境战略，我们以减少能源消耗和减少CO2、SOx、NOx及PM排放为目标。有许多方法可以减少船舶的污染和排放，其中最好的方法是利用替代能源。天然气作为发动机的燃料是未来船舶发动机发展的必然趋势，天然气有着绿色环保、经济实惠、安全可靠的优点。但受现阶段天然气发动机技术水平不高的限制，天然气发动机存在动力响应性差、功率不足等缺点。

纯电动船舶电力推进系统是未来船舶技术研究的前沿，具有良好的经济性、操纵性、安全性、低噪声以及低污染等优点。然而，受发电方式、功率密度以及储能技术的影响，现阶段的纯电动船舶并不能达到高性能的速度、加速度和自控性，其续航能力也受其电池容量制约。

混合动力船舶兼有内燃机推进船舶和纯电力推进船舶的优点：相比于内燃机推进船舶，可根据负荷大小选择工作模式，保证所有工况下的燃油经济性，冗余性好；相比于纯电力推进船舶，初期投入成本低，且续航能力强。船舶的混合动力技术，解决能源问题与技术不成熟之间矛盾，实现了燃料的高效利用，为船舶从传统的机械式推进过渡到纯电力推进提供了可行性方案，因此，发展混合动力船舶具有非常重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供改善船舶的动力性、经济性和排放性的一种带燃料电池的双机单桨式船舶混合动力动力系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种带燃料电池的双机单桨式船舶混合动力动力系统，其特征是：包括第一气体机、第二气体机、齿轮箱、电动机、发电机、LNG储液罐，所述齿轮箱包括第一-第五齿轮，第二齿轮分别于第一齿轮和第三齿轮啮合，第四齿轮与第五齿轮啮合，第三齿轮与第四齿轮同轴，第一气体机通过第一离合器连接第二齿轮，发电机通过第二离合器连接第一齿轮，第二气体机通过第三离合器连接第三齿轮，电动机通过第四离合器连接第五齿轮，螺旋桨连接电动机，LNG储液罐通过气化换热器、分流器分别连接第一气体机、第二气体机、燃料电池，燃料电池、蓄电池分别通过各自的变电装置连接船舶电网，岸电装置、船舶负载连接船舶电网。

本发明还可以包括：

1、采用机械推进模式，所述机械推进模式包括气体机推进模式、气体机辅助发电推进模式；

气体机推进模式：第二气体机处于运行状态，第一离合器、第四离合器闭合，第二离合器、第三离合器断开，电动机电源断开，由第一气体机带动螺旋桨运转；或者第二气体机处于运行状态，第三离合器、第四离合器闭合，第一离合器、第二离合器断开，电动机电源断开，由第二气体机带动螺旋桨运转；或者，第二离合器断开，其它离合器闭合，电动机电源断开，螺旋桨由第一气体机、第二气体机并车共同驱动；

气体机辅助发电推进模式：第一气体机和发电机处于运行状态，第一离合器、第二离合器、第四离合器闭合，第三离合器断开，电动机电源断开，由第一气体机带动螺旋桨运转的同时带动发电机发电，所发出的电经发电机变电装置进入船舶电网；或者第二气体机和发电机处于运行状态，第二离合器、第三离合器、第四离合器闭合，第一离合器断开，电动机电源断开，由第二气体机带动螺旋桨运转的同时带动发电机发电，所发出的电经发电机变电装置进入船舶电网。

2、采用电力推进模式，所述电力推进模式包括蓄电池推进模式、燃料电池推进模式、发电机发电推进模式、混合电推进模式、岸电充电模式；

蓄电池推进模式：电动机处于运行状态，其所需电力由蓄电池提供，经蓄电池变电装置汇入船舶电网，第四离合器闭合，其余离合器断开，由电动机带动螺旋桨运转；

燃料电池推进模式：电动机处于运行状态，其所需电力由燃料电池提供，经燃料电池变电装置汇入船舶电网，第四离合器闭合，其余离合器断开，由电动机带动螺旋桨运转；

发电机发电推进模式：第四离合器断开，其它离合器闭合，第一气体机、第二气体机并车共同驱动发电机，电动机处于工作模式，所需电能由发电机通过船舶电网提供，螺旋桨由电动机驱动；或者，第一离合器、第二离合器、第四离合器闭合，发电机由第一气体机带动，所发电能汇入船舶电网，螺旋桨由电动机带动，电动机所需电能由发电机经船舶电网提供；或者，第二离合器、第三离合器、第四离合器闭合，发电机由第二气体机带动，所发电能汇入船舶电网，螺旋桨由电动机带动，电动机所需电能由发电机经船舶电网提供；

混合电推进模式：电动机处于运行状态，其所需电力由蓄电池、燃料电池和发电机提供，分别经蓄电池变电装置、燃料电池变电装置和发电机变电装置汇入船舶电网，第四离合器闭合，其余离合器断开，由电动机带动螺旋桨旋转；

岸电充电模式：船舶在港口和岸边停靠时，通过岸电充电装置外接电源为蓄电池充电。

3、采用混合推进模式，所述混合推进模式包括气体机+电动机推进模式、气体机+电动机辅助发电推进模式；

气体机+电动机推进模式：第一气体机，电动机处于工作模式，第一离合器、第四离合器闭合，第二离合器、第三离合器断开，螺旋桨由第一气体机和电动机共同推进，电动机所需电能由蓄电池和燃料电池单独或共同提供；或者第二气体机，电动机处于工作模式，第三轮离合器、第四离合器离合器闭合，第一离合器、第二离合器断开，螺旋桨由第一气体机和电动机共同推进，电动机所需电能由蓄电池和燃料电池单独或共同提供；或者第一气体机、第二气体机，电动机处于工作模式，第一离合器、第三离合器、第四离合器闭合，第二离合器断开，螺旋桨由第一气体机、第二气体机和电动机共同推进，电动机所需电能由蓄电池和燃料电池单独或共同提供；

气体机+电动机辅助发电推进模式：第一气体机、电动机、发动机处于工作模式，第一离合器、第二离合器、第四离合器闭合，第三离合器断开，螺旋桨由第一气体机和电动机共同推进，发动机所发出电能经发电机变电装置汇入船舶电网，电动机所需电能由蓄电池、燃料电池和发电机单独或组合提供；或者第二气体机、电动机、发电机处于工作模式，第二离合器、第三离合器、第四离合器闭合，第一离合器断开，螺旋桨由第一气体机和电动机共同推进，发动机所发出电能经发电机变电装置汇入船舶电网，电动机所需电能由蓄电池、燃料电池和发电机单独或组合提供；或者第一气体机、第二气体机、电动机、发电机处于工作模式，所有离合器闭合，螺旋桨由第一气体机、第二气体机和电动机共同推进，发动机所发出电能经发电机变电装置汇入船舶电网，电动机所需电能由蓄电池，燃料电池和发电机单独或组合提供。

本发明的优势在于：

1.本发明提出了一种带燃料电池的双机单桨式船舶混合动力动力系统，设置有气体机、电动机，功率覆盖范围广，可以满足船舶在更多工况下的动力需求，并能使气体机和电动机更好的工作在高效率区，从而降低了气体机的燃料消耗，提高了船舶的经济性和排放性。

2.采用大小功率不同的气体机，高效工作区范围大，功率范围广，满足船舶在不同工况、不同速度下的长时间巡航，避免船舶低速续航时排放性能差，电力推进时易发生船舶电网电力紧张的情况。

3.多种动力源的布置方案提高了船舶的可靠性和适用性，通过离合器的闭合及断开，本发明所提供的混合动力系统可以实现多种工作模式，最大限度地提高船舶混合动力系统的效率，可根据实际动力需求和船舶航行环境，选择适合的工作模式。该方案不仅能够满足不同港口和海域的排放标准，还能有效缓解技术不成熟与愈加严格的排放标准之间的矛盾，提高了船舶的经济性和排放性。

4.电动机具有优秀的动力响应，可以随时的关闭和开启，在船舶变工况时可以迅速的调整动力输出，提高船舶的动力响应，减少了系统维护。

5.在电力推进时可以实现大幅度的降噪，增大了船舶的适航区域，提高了船员的生活舒适性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

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，本发明一种带燃料电池的双机单桨式船舶混合动力动力系统，包括气体机1a、1b、离合器2a、2b、2c、2d、齿轮箱3发电机4发电机变电装置5、船舶电网6、岸电装置7、蓄电池8、蓄电池变电装置9、船舶负载10、燃料电池变电装置11、燃料电池12、气化换热器13、分流器14、LNG罐15、电动机16、螺旋桨17。气体机1a、1b输出端分别通过离合器2a、2c与齿轮箱3的输入端相连，发电机4、电动机16分别通过离合器2b、2d与齿轮箱输出端相连，螺旋桨17与电动机16的输出端相连。LNG罐15通过气化换热器13与分流器14与气体机1a、1b、燃料电池12相连。燃料电池12、蓄电池8分别通过变电装置11、9与船舶电网相连，岸电装置7、船舶负载10与船舶电网6相连。

本实施例中，气体机1a、1b优选纯天然气发动机或双燃料发动机，发电机4、电动机16优选具有高效率、高功率密度、寿命长等优点永磁电机，蓄电池8优选功率密度高、体积重量小的锂离子电池。燃料电池12优选可直接使用天然气作为燃料的固体氧化物型燃料电池，气化换热器13优选具有多级冷能换热的耐超低温换热器。

本发明的工作模式主要包括机械推进模式，电力推进模式，混合推进模式。

1.机械推进模式

机械推进模式可分为：气体机推进模式、气体机辅助发电推进模式。

1)气体机推进模式：在该种工作模式下，第二气体机1a处于运行状态，离合器2a、2d闭合，离合器2b、2c断开，电动机16电源断开，由气体机1a带动螺旋桨17运转；或者第二气体机1b处于运行状态，离合器2c、2d闭合，离合器2a、2b断开，电动机16电源断开，由气体机1b带动螺旋桨17运转；或者，离合器2b断开，其它离合器闭合，电动机16电源断开，螺旋桨17由气体机1a、1b并车共同驱动。

2)气体机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，气体机1a和发电机4处于运行状态，离合器2a、2b、2d闭合，离合器2c断开，电动机16电源断开，由气体机1a带动螺旋桨17运转的同时带动发电机4发电，所发出的电经发电机变电装置5进入船舶电网；或者气体机1b和发电机4处于运行状态，离合器2b、2c、2d闭合，离合器2a断开，电动机16电源断开，由气体机1b带动螺旋桨17运转的同时带动发电机4发电，所发出的电经发电机变电装置5进入船舶电网6。

2.电力推进模式

电力推进模式可分为：蓄电池推进模式、燃料电池推进模式、发电机发电推进模式、混合电推进模式、岸电充电模式。

1)蓄电池推进模式：在该种工作模式下，电动机16处于运行状态，其所需电力由蓄电池8提供，经蓄电池变电装置9汇入船舶电网6，离合器2d闭合，其余离合器断开，由电动机16带动螺旋桨6运转。

2)燃料电池推进模式：在该种工作模式下，电动机16处于运行状态，其所需电力由燃料电池12提供，经燃料电池变电装置11汇入船舶电网6，离合器2d闭合，其余离合器断开，由电动机16带动螺旋桨6运转。

3)发电机发电推进模式：在该种工作模式下，离合器2d断开，其它离合器闭合，气体机1a、1b并车共同驱动发电机4，电动机16处于工作模式，所需电能由发电机4通过船舶电网6提供，螺旋桨17由电动机16驱动；或者，离合器2a、2b、2d闭合，发电机4由气体机1a带动，所发电能汇入船舶电网6，螺旋桨17由电动机16带动，电动机16所需电能由发电机4经船舶电网6提供；或者，离合器2b、2c、2d闭合，发电机4由气体机1b带动，所发电能汇入船舶电网6，螺旋桨17由电动机16带动，电动机16所需电能由发电机4经船舶电网6提供。

4)混合电推进模式：在该种工作模式下，电动机16处于运行状态，其所需电力由蓄电池8、燃料电池12和发电机4提供，分别经蓄电池变电装置9、燃料电池变电装置11和发电机变电装置5汇入船舶电网6，离合器2d闭合，其余离合器断开，由电动机16带动螺旋桨17旋转。

5)岸电充电模式：在该种工作模式下，当船舶在港口和岸边停靠时，可通过岸电充电装置7外接电源为蓄电池8充电。

3.混合推进模式

混合推进模式可分为：气体机+电动机推进模式、气体机+电动机辅助发电推进模式。

1)气体机+电动机推进模式：在该种工作模式下，气体机1a，电动机16处于工作模式，离合器2a、2d闭合，离合器2b、2c断开，螺旋桨17由气体机1a和电动机16共同推进，电动机16所需电能由蓄电池8和燃料电池12单独或共同提供；或者气体机1b，电动机16处于工作模式，离合器2c、2d闭合，离合器2a、2b断开，螺旋桨17由气体机1a和电动机16共同推进，电动机16所需电能由蓄电池8和燃料电池12单独或共同提供；或者气体机1a、1b，电动机16处于工作模式，离合器2a、2c、2d闭合，离合器2b断开，螺旋桨17由气体机1a、1b和电动机16共同推进，电动机16所需电能由蓄电池8和燃料电池12单独或共同提供。

2)气体机+电动机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，气体机1a、电动机16、发动机4处于工作模式，离合器2a、2b、2d闭合，离合器2c断开，螺旋桨17由气体机1a和电动机16共同推进，发动机4所发出电能经发电机变电装置5汇入船舶电网6，电动机16所需电能由蓄电池8,、燃料电池12和发电机4单独或组合提供；或者气体机1b、电动机16、发电机4处于工作模式，离合器2b、2c、2d闭合，离合器2a断开，螺旋桨17由气体机1a和电动机16共同推进，发动机4所发出电能经发电机变电装置5汇入船舶电网6，电动机16所需电能由蓄电池8、燃料电池12和发电机4单独或组合提供；或者气体机1a、1b，电动机16，发电机4处于工作模式，所有离合器闭合，螺旋桨17由气体机1a、1b和电动机16共同推进，发动机4所发出电能经发电机变电装置5汇入船舶电网6，电动机16所需电能由蓄电池8，燃料电池12和发电机4单独或组合提供。

上述模式中：机械推进模式适用于船舶运行工况稳定的长时间巡航，或者对船舶排放和噪声要求不高的区域；电力推进模式适用于船舶靠岸或者离港时的低功率需求的情况，或者是航行在对船舶排放和噪声有较高要求的区域；混合推进模式适用于船舶对推进功率或航速有一定需求时。

采用本发明提供的船舶混合动力系统可以不用布置发电用的船舶柴油辅机，船舶负载10所需要的电力由蓄电池8或燃料电池12提供，若发电机4运行时则优先使用其发出的电能，船舶负载10用电的优先级是：发电机4大于燃料电池12大于蓄电池8。

Claims (5)

1.一种带燃料电池的双机单桨式船舶混合动力动力系统，其特征是：包括第一气体机、第二气体机、齿轮箱、电动机、发电机、LNG储液罐，所述齿轮箱包括第一-第五齿轮，第二齿轮分别于第一齿轮和第三齿轮啮合，第四齿轮与第五齿轮啮合，第三齿轮与第四齿轮同轴，第一气体机通过第一离合器连接第二齿轮，发电机通过第二离合器连接第一齿轮，第二气体机通过第三离合器连接第三齿轮，电动机通过第四离合器连接第五齿轮，螺旋桨连接电动机，LNG储液罐通过气化换热器、分流器分别连接第一气体机、第二气体机、燃料电池，燃料电池、蓄电池分别通过各自的变电装置连接船舶电网，岸电装置、船舶负载连接船舶电网。

2.根据权利要求1所述的一种带燃料电池的双机单桨式船舶混合动力动力系统，其特征是：采用机械推进模式，所述机械推进模式包括气体机推进模式、气体机辅助发电推进模式；

气体机推进模式：第二气体机处于运行状态，第一离合器、第四离合器闭合，第二离合器、第三离合器断开，电动机电源断开，由第一气体机带动螺旋桨运转；或者第二气体机处于运行状态，第三离合器、第四离合器闭合，第一离合器、第二离合器断开，电动机电源断开，由第二气体机带动螺旋桨运转；或者，第二离合器断开，其它离合器闭合，电动机电源断开，螺旋桨由第一气体机、第二气体机并车共同驱动；

气体机辅助发电推进模式：第一气体机和发电机处于运行状态，第一离合器、第二离合器、第四离合器闭合，第三离合器断开，电动机电源断开，由第一气体机带动螺旋桨运转的同时带动发电机发电，所发出的电经发电机变电装置进入船舶电网；或者第二气体机和发电机处于运行状态，第二离合器、第三离合器、第四离合器闭合，第一离合器断开，电动机电源断开，由第二气体机带动螺旋桨运转的同时带动发电机发电，所发出的电经发电机变电装置进入船舶电网。

3.根据权利要求1或2所述的一种带燃料电池的双机单桨式船舶混合动力动力系统，其特征是：采用电力推进模式，所述电力推进模式包括蓄电池推进模式、燃料电池推进模式、发电机发电推进模式、混合电推进模式、岸电充电模式；

蓄电池推进模式：电动机处于运行状态，其所需电力由蓄电池提供，经蓄电池变电装置汇入船舶电网，第四离合器闭合，其余离合器断开，由电动机带动螺旋桨运转；

燃料电池推进模式：电动机处于运行状态，其所需电力由燃料电池提供，经燃料电池变电装置汇入船舶电网，第四离合器闭合，其余离合器断开，由电动机带动螺旋桨运转；

发电机发电推进模式：第四离合器断开，其它离合器闭合，第一气体机、第二气体机并车共同驱动发电机，电动机处于工作模式，所需电能由发电机通过船舶电网提供，螺旋桨由电动机驱动；或者，第一离合器、第二离合器、第四离合器闭合，发电机由第一气体机带动，所发电能汇入船舶电网，螺旋桨由电动机带动，电动机所需电能由发电机经船舶电网提供；或者，第二离合器、第三离合器、第四离合器闭合，发电机由第二气体机带动，所发电能汇入船舶电网，螺旋桨由电动机带动，电动机所需电能由发电机经船舶电网提供；

混合电推进模式：电动机处于运行状态，其所需电力由蓄电池、燃料电池和发电机提供，分别经蓄电池变电装置、燃料电池变电装置和发电机变电装置汇入船舶电网，第四离合器闭合，其余离合器断开，由电动机带动螺旋桨旋转；

岸电充电模式：船舶在港口和岸边停靠时，通过岸电充电装置外接电源为蓄电池充电。

4.根据权利要求1或2所述的一种带燃料电池的双机单桨式船舶混合动力动力系统，其特征是：采用混合推进模式，所述混合推进模式包括气体机+电动机推进模式、气体机+电动机辅助发电推进模式；

气体机+电动机推进模式：第一气体机，电动机处于工作模式，第一离合器、第四离合器闭合，第二离合器、第三离合器断开，螺旋桨由第一气体机和电动机共同推进，电动机所需电能由蓄电池和燃料电池单独或共同提供；或者第二气体机，电动机处于工作模式，第三轮离合器、第四离合器离合器闭合，第一离合器、第二离合器断开，螺旋桨由第一气体机和电动机共同推进，电动机所需电能由蓄电池和燃料电池单独或共同提供；或者第一气体机、第二气体机，电动机处于工作模式，第一离合器、第三离合器、第四离合器闭合，第二离合器断开，螺旋桨由第一气体机、第二气体机和电动机共同推进，电动机所需电能由蓄电池和燃料电池单独或共同提供；

气体机+电动机辅助发电推进模式：第一气体机、电动机、发动机处于工作模式，第一离合器、第二离合器、第四离合器闭合，第三离合器断开，螺旋桨由第一气体机和电动机共同推进，发动机所发出电能经发电机变电装置汇入船舶电网，电动机所需电能由蓄电池、燃料电池和发电机单独或组合提供；或者第二气体机、电动机、发电机处于工作模式，第二离合器、第三离合器、第四离合器闭合，第一离合器断开，螺旋桨由第一气体机和电动机共同推进，发动机所发出电能经发电机变电装置汇入船舶电网，电动机所需电能由蓄电池、燃料电池和发电机单独或组合提供；或者第一气体机、第二气体机、电动机、发电机处于工作模式，所有离合器闭合，螺旋桨由第一气体机、第二气体机和电动机共同推进，发动机所发出电能经发电机变电装置汇入船舶电网，电动机所需电能由蓄电池，燃料电池和发电机单独或组合提供。

5.根据权利要求3所述的一种带燃料电池的双机单桨式船舶混合动力动力系统，其特征是：采用混合推进模式，所述混合推进模式包括气体机+电动机推进模式、气体机+电动机辅助发电推进模式；

气体机+电动机推进模式：第一气体机，电动机处于工作模式，第一离合器、第四离合器闭合，第二离合器、第三离合器断开，螺旋桨由第一气体机和电动机共同推进，电动机所需电能由蓄电池和燃料电池单独或共同提供；或者第二气体机，电动机处于工作模式，第三轮离合器、第四离合器离合器闭合，第一离合器、第二离合器断开，螺旋桨由第一气体机和电动机共同推进，电动机所需电能由蓄电池和燃料电池单独或共同提供；或者第一气体机、第二气体机，电动机处于工作模式，第一离合器、第三离合器、第四离合器闭合，第二离合器断开，螺旋桨由第一气体机、第二气体机和电动机共同推进，电动机所需电能由蓄电池和燃料电池单独或共同提供；

气体机+电动机辅助发电推进模式：第一气体机、电动机、发动机处于工作模式，第一离合器、第二离合器、第四离合器闭合，第三离合器断开，螺旋桨由第一气体机和电动机共同推进，发动机所发出电能经发电机变电装置汇入船舶电网，电动机所需电能由蓄电池、燃料电池和发电机单独或组合提供；或者第二气体机、电动机、发电机处于工作模式，第二离合器、第三离合器、第四离合器闭合，第一离合器断开，螺旋桨由第一气体机和电动机共同推进，发动机所发出电能经发电机变电装置汇入船舶电网，电动机所需电能由蓄电池、燃料电池和发电机单独或组合提供；或者第一气体机、第二气体机、电动机、发电机处于工作模式，所有离合器闭合，螺旋桨由第一气体机、第二气体机和电动机共同推进，发动机所发出电能经发电机变电装置汇入船舶电网，电动机所需电能由蓄电池，燃料电池和发电机单独或组合提供。