CN109941417B - 一种带超级电容的气电混联式船舶混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种带超级电容的气电混联式船舶混合动力系统，包括气体机、超级电容、螺旋桨、天然气存储供给装置、船舶负载。气体机输出端与齿轮箱输入端相连，发电机输入端通过皮带传动转置与气体机输出端相连，齿轮箱输出端与电动机相连，电力源为超级电容、发电机和蓄电池。本发明所采用的多种能量形式的布置可以满足船舶在各种环境和工况下的需求，利用超级电容在系统负载变化时将能量储存或释放出来，以防止能量变化过快对电网的冲击，提高了气体机、发电机及电动机的运行效率，提高了燃料的利用效率减少了排放，改善了船舶的动力响应，提高了系统的适用范围，并且燃料的利用率有了进一步的提高。

Description

一种带超级电容的气电混联式船舶混合动力系统

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。

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超级电容的气电混联式船舶混合动力系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种带超级电容的气电混联式船舶混合动力系统，其特征是：包括气体机、齿轮箱、LNG储液罐，所述齿轮箱包括第一-第三齿轮，第二齿轮分别与第一齿轮和第三齿轮啮合，第一齿轮通过第一离合器连接第一电动机，第一电动机连接第一螺旋桨，第三齿轮通过第二离合器连接第二电动机，第二电动机连接第二螺旋桨，气体机通过第三离合器连接第二齿轮，气体机连接皮带传动装置，皮带传动装置通过第四离合器连接发电机，LNG储液罐通过气化换热装置连接气体机，超级电容、蓄电池和发电机分别通过各自的变电装置连接船舶电网，岸电装置和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：第四离合器断开，其他离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源断开，第一螺旋桨和第二螺旋桨由气体机驱动；

气体机辅助发电推进模式：所有离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源断开，气体机所发出的一部分功率用来驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，另一部分带动发电机发电，所发电能汇入船舶电网。

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、超级电容推进模式、气体机发电推进模式、混合供电推进模式、岸电充电模式；

蓄电池推进模式：离合器全部断开，第一电动机、第二电动机处于工作状态，第一螺旋桨、第二螺旋桨分别由第一电动机、第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由蓄电池经过船舶电网提供；

超级电容推进模式：离合器全部断开，第一电动机、第二电动机处于工作状态，第一螺旋桨、第二螺旋桨分别由第一电动机、第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由超级电容经过船舶电网提供；

气体机发电推进模式：第四离合器闭合，其它离合器断开，第一电动机、第二电动机处于工作状态，第一螺旋桨、第二螺旋桨分别由第一电动机、第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由超级电容、蓄电池和发电机经过船舶电网提供；

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：第四离合器断开，其它离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源接通，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一电动机、第二电动机和气体机共同驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供；

或者，第四离合器、第一离合器断开、其它离合器闭合、第一电动机电源接通、第一螺旋桨由第一电动机驱动、第二螺旋桨由气体机驱动或者第四离合器、第二离合器断开、其它离合器闭合、第二电动机电源接通、第二螺旋桨由第二电动机驱动、第一螺旋桨由气体机驱动；

或者，第四离合器、第一离合器断开、其它离合器闭合、第一电动机、第二电动机电源接通，第一螺旋桨由第一电动机驱动、第二螺旋桨由气体机和第二电动机驱动或者第四离合器、第二离合器断开、其它离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源接通，第二螺旋桨由第二电动机驱动，第一螺旋桨由气体机和第一电动机驱动；

气体机+电动机辅助发电推进模式：所有离合器闭合，气体机发出的一部分功率和第一电动机、第二电动机共同驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供；

或者，第一离合器断开、其它离合器闭合，第一电动机电源接通、第一螺旋桨由第一电动机驱动、第二螺旋桨由气体机驱动、发电机由气体机带动，所发电能汇入船舶电网或者第二离合器断开、其它离合器闭合，第二电动机电源接通，第二螺旋桨由第二电动机驱动，第一螺旋桨由气体机驱动，发电机由气体机带动，所发电能汇入船舶电网；

或者，第四离合器、第一离合器断开、其它离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源接通，第一螺旋桨由第一电动机驱动、第二螺旋桨由气体机和第二电动机驱动、发电机由气体机带动、所发电能汇入船舶电网或者第四离合器、第二离合器断开、其它离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源接通，第二螺旋桨由第二电动机驱动，第一螺旋桨由气体机和第一电动机驱动、发电机由气体机带动、所发电能汇入船舶电网。

本发明的优势在于：

本发明提出一种带超级电容混联式船舶混合动力系统，设置有气体机、发电机、电动机，功率覆盖范围广，可以满足船舶在各种工况下的动力需求，并能使气体机和电机更好的工作在高效率区，从而降低了发动机的燃料消耗，提高了船舶的经济性和排放性，同时有效改善了船舶航行时的动力响应，提升了船舶的加减速性能和倒船性能。

蓄电池具有调峰填谷功能，可以均衡船舶负载。电池在需要高功率的时段提供电力，并在需要较少的电力时进行充电，可以保证发动机高效运行并降低装机功率。电池可以从陆地电网充电，这样能减少燃料消耗和排放，而且蓄电池可以在柴油发电机发生故障时提供备用电源。

超级电容具有因具有充放电快、功率大的特点，可应用于电动机启动、加速过程中的能量快速释放。在船舶电网或配电网的电力调节中，可将超级电容器作为储能装置用于动态电压补偿系统，稳定电能质量，对于船舶电网的安全、经济运行以及降低能耗等方面均有重要意义。

多种动力源的布置方案提高了船舶的可靠性和适用性，通过各个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，有效提高了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。

采用本系统提供的船舶混合动力系统，船舶可以不用安装发电用的柴油辅机，船舶负载的电力供给可主要由燃料电池和轴带电机代替，紧急情况还可使用蓄电池代替，故可有效节省船舱空间以及减少一定的初期投入。

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，本发明一种带超级电容的气电混联式船舶混合动力系统，包括超级电容1、超级电容变电装置2、船舶电网3、气化换热装置4、LNG储液罐5、齿轮箱6、离合器7a、7b、7c、7d、电动机8a、8b、螺旋桨9a、9b、船舶负载10、气体机11、岸电装置12、蓄电池13、蓄电池变电装置14、发电机变电装置15、发电机16、皮带传动装置17。气体机11通过离合器7c与齿轮箱6输入端相连，电动机8a、8b与齿轮箱6输出端相连，螺旋桨9a、9b与电动机8a、8b输出端相连，发电机16通过皮带传动装置17与气体机11相连，LNG储液罐5通过气化换热装置4与气体机11相连，超级电容1、蓄电池13和发电机16分别通过变电装置2、14、15与船舶电网3相连，岸电装置12和船舶负载10与船舶电网3相连。

本实施例中，气体机11优选天然气发动机或双燃料发动机，发电机16电动机8a、8b优选具有高效率、高功率密度、寿命长等优点永磁电机，超级电容为混合型电容器，蓄电池13优选功率密度高、体积重量小的磷酸铁锂电池。LNG气化换热装置4优选具有多级冷能换热的耐超低温换热器，同时需要耐超低温冷媒。

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。

气体机推进模式：在该种工作模式下，离合器7d断开，其他离合器闭合，电动机8a、8b电源断开，螺旋桨9a、9b由气体机11驱动。

气体机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，所有离合器闭合，电动机8a、8b电源断开，气体机11所发出的一部分功率用来驱动螺旋桨9a、9b，另一部分带动发电机16发电，所发电能汇入船舶电网3。

2.电力推进模式

电力推进模式可分为：蓄电池推进模式、超级电容推进模式、气体机发电推进模式、混合供电推进模式、岸电充电模式。

1)蓄电池推进模式：在该种工作模式下，离合器全部断开，电动机8a、8b处于工作状态，螺旋桨9a、9b由电动机8a、8b驱动，电动机8a、8b所需电能由蓄电池13经过船舶电网3提供。

2)超级电容推进模式：在该种工作模式下，离合器全部断开，电动机8a、8b处于工作状态，螺旋桨9a、9b由电动机8a、8b驱动，电动机8a、8b所需电能由超级电容1经过船舶电网3提供。

3)气体机发电推进模式：在该种工作模式下，离合器7d闭合，其它离合器断开，电动机8a、8b处于工作状态，螺旋桨9a、9b由电动机8a、8b驱动，电动机8a、8b所需电能由超级电容1、蓄电池13和发电机16经过船舶电网3提供。

4)岸电充电模式：在该种工作模式下，船舶在港口和岸边停靠时，可通过岸电充电装置12外接电源为蓄电池13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。

气体机+电动机推进模式：在该种工作模式下，离合器7d断开，其它离合器闭合，电动机8a、8b电源接通，螺旋桨9a、9b由电动机8a、8b和气体机11共同驱动，电动机8a、8b所需电能由船舶电网3提供；或者，离合器7d、7a断开(或者离合器7d、7b断开)其它离合器闭合，电动机8a电源接通(或者电动机8b电源接通)，螺旋桨9a由电动机8a驱动(或者螺旋桨9b由电动机8b驱动)，螺旋桨9b由气体机11驱动(或者螺旋桨9a由气体机11驱动)；或者，离合器7d、7a断开(或者离合器7b、7d断开)其它离合器闭合，电动机8a、8b电源接通，螺旋桨9a由电动机8a驱动(或者螺旋桨9b由电动机8b驱动)，螺旋桨9b由气体机11和电动机8b驱动(或者螺旋桨9a由气体机11和电动机8a驱动)。

气体机+电动机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，所有离合器闭合，气体机11发出的一部分功率和电动机8a、8b共同驱动螺旋桨9a、9b，电动机8a、8b所需电能由船舶电网3提供；或者，离合器7a断开(或者离合器7b断开)其它离合器闭合，电动机8a电源接通(或者电动机8b电源接通)，螺旋桨9a由电动机8a驱动(或者螺旋桨9b由电动机8b驱动)，螺旋桨9b由气体机11驱动(或者螺旋桨9a由气体机11驱动)，发电机16由气体机11带动，所发电能汇入船舶电网3；或者，离合器7d、7a断开(或者离合器7b、7d断开)其它离合器闭合，电动机8a、8b电源接通，螺旋桨9a由电动机8a驱动(或者螺旋桨9b由电动机8b驱动)，螺旋桨9b由气体机11和电动机8b驱动(或者螺旋桨9a由气体机11和电动机8a驱动)，发电机16由气体机11带动，所发电能汇入船舶电网3。

机械推进模式适用于当船舶离开港口或码头后，进入海域稳定航行时，以及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进出港口或码头，船舶加减速、倒船、靠岸，以及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。

超级电容具有功率密度大、循环寿命长、储能效率高、无需维护等优点，可解决船舶电网发电设备的输出功率不稳定和不可预测的问题。超级电容器可以对系统起到瞬时功率补偿的作用，并可以在发电中断时作为备用电源，以提高供电的稳定性和可靠性。将超级电容器(模组)串联，升高耐受电压，再经升降压直流斩波变换器连接到直流母线上。当船舶电网出现某些不稳定问题时，超级电容器储能系统会升高电压，维持母线电压并稳定在规定值附近；当发生电源功率变大或负荷变小时，超级电容器会吸收能量充电，降低并稳定母线电压。因此，超级电容器储能系统可保证直流母线电压稳定在允许的范围内，减小用电负荷突变时和发电并网时对电网的冲击。又因为其具有充放电快、功率大的特点，超级电容器可应用于电动机启动、船舶突然加速过程中的能量快速释放。

采用本发明提供的利用LNG气化冷却发动机和燃料电池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5所需要的电力主要由燃料电池1提供，轴带电机9工作在发电机模式发电时也可提供部分电力，气体机加发电机和双电动机推进模式下给电动机供电的优先级为：发电机大于燃料电池大于蓄电池。建议遇到紧急情况再使用蓄电池3提供，以此延长蓄电池3的使用寿命。

Claims (4)

1.一种带超级电容的气电混联式船舶混合动力系统，其特征是：包括气体机、齿轮箱、LNG储液罐，所述齿轮箱包括第一-第三齿轮，第二齿轮分别与第一齿轮和第三齿轮啮合，第一齿轮通过第一离合器连接第一电动机，第一电动机连接第一螺旋桨，第三齿轮通过第二离合器连接第二电动机，第二电动机连接第二螺旋桨，气体机通过第三离合器连接第二齿轮，气体机连接皮带传动装置，皮带传动装置通过第四离合器连接发电机，LNG储液罐通过气化换热装置连接气体机，超级电容、蓄电池和发电机分别通过各自的变电装置连接船舶电网，岸电装置和船舶负载连接船舶电网；推进模式包括机械推进模式、电力推进模式、混合推进模式。

2.根据权利要求1所述的一种带超级电容的气电混联式船舶混合动力系统，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：第四离合器断开，其他离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源断开，第一螺旋桨和第二螺旋桨由气体机驱动；

气体机辅助发电推进模式：所有离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源断开，气体机所发出的一部分功率用来驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，另一部分带动发电机发电，所发电能汇入船舶电网。

3.根据权利要求1所述的一种带超级电容的气电混联式船舶混合动力系统，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、超级电容推进模式、气体机发电推进模式、混合供电推进模式、岸电充电模式；

蓄电池推进模式：离合器全部断开，第一电动机、第二电动机处于工作状态，第一螺旋桨、第二螺旋桨分别由第一电动机、第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由蓄电池经过船舶电网提供；

超级电容推进模式：离合器全部断开，第一电动机、第二电动机处于工作状态，第一螺旋桨、第二螺旋桨分别由第一电动机、第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由超级电容经过船舶电网提供；

气体机发电推进模式：第四离合器闭合，其它离合器断开，第一电动机、第二电动机处于工作状态，第一螺旋桨、第二螺旋桨分别由第一电动机、第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由超级电容、蓄电池和发电机经过船舶电网提供；

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所述的一种带超级电容的气电混联式船舶混合动力系统，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：第四离合器断开，其它离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源接通，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一电动机、第二电动机和气体机共同驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供；

或者，第四离合器、第一离合器断开、其它离合器闭合、第一电动机电源接通、第一螺旋桨由第一电动机驱动、第二螺旋桨由气体机驱动或者第四离合器、第二离合器断开、其它离合器闭合、第二电动机电源接通、第二螺旋桨由第二电动机驱动、第一螺旋桨由气体机驱动；

或者，第四离合器、第一离合器断开、其它离合器闭合、第一电动机、第二电动机电源接通，第一螺旋桨由第一电动机驱动、第二螺旋桨由气体机和第二电动机驱动或者第四离合器、第二离合器断开、其它离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源接通，第二螺旋桨由第二电动机驱动，第一螺旋桨由气体机和第一电动机驱动；

气体机+电动机辅助发电推进模式：所有离合器闭合，气体机发出的一部分功率和第一电动机、第二电动机共同驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供；

或者，第一离合器断开、其它离合器闭合，第一电动机电源接通、第一螺旋桨由第一电动机驱动、第二螺旋桨由气体机驱动、发电机由气体机带动，所发电能汇入船舶电网或者第二离合器断开、其它离合器闭合，第二电动机电源接通，第二螺旋桨由第二电动机驱动，第一螺旋桨由气体机驱动，发电机由气体机带动，所发电能汇入船舶电网；

或者，第四离合器、第一离合器断开、其它离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源接通，第一螺旋桨由第一电动机驱动、第二螺旋桨由气体机和第二电动机驱动、发电机由气体机带动、所发电能汇入船舶电网或者第四离合器、第二离合器断开、其它离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源接通，第二螺旋桨由第二电动机驱动，第一螺旋桨由气体机和第一电动机驱动、发电机由气体机带动、所发电能汇入船舶电网。

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