CN111332447B - 一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨‑电混合动力系统，包括氨燃料发动机、第一可逆电机、第二可逆电机、第三可逆电机、柴发机组、蓄电池、超级电容、燃料电池、螺旋桨、液氨存储供给装置、变电装置、船舶电网、船舶负载、整船冷却系统及废气再循环系统。本发明能够实现氨燃料发动机与电机的混合推进与柴发机组与储能单元的协调供电，同时实现储能单元与发动机冷能的多级利用，燃料电池废气对废气涡轮补气，提高了进气效率，减少了船舶能耗提高了整船效率，提高了系统的适用范围。

Description

一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统

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

随着国际海事组织制定的排放法规以及能效设计指数愈加严格，解决船舶高耗能、高污染问题已迫在眉睫，在倡导绿色高效、可持续发展的时代背景下，国家积极推进船舶领域加快绿色化船舶建设，实现能源多元化发展，对船舶发展提出了新要求。

电力推进作为未来船舶动力发展的趋势，具有高效、清洁、可靠等优点。但是电池容量的限制，导致制造成本高昂、充电时间长、续航力短、冗余度低，目前仍难于满足现实需要。而且，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，船舶电网能够为电力推进提供持续的能量输出，但是传统的电网柴发机组定速发电效率低，长期处于低负荷工况，燃料浪费严重。

石油资源的减少导致难以满足传统柴油机推进的需要，另一方面柴油机推进有着高排放、高污染的缺点，虽然加装后处理装置与优化燃油喷射等措施能够改善排放问题，但是未来难以满足更加严格的排放限制要求，纯天然气发动机或双燃料发动机推进虽然能大幅度减少硫化物与氮化物的排放，但是仍旧难以解决CO₂排放问题，且天然气发动机存在低工况特性差，扭矩加载不足等缺点，动力性方面存在明显不足，氨燃料发动机能够实现无碳化但是又增加了氮氧化物的排放。

混合动力船舶兼有传统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，可根据灵活根据负荷调整工作模式，实现了全工况下的最优推进效率，冗余性好，动力性优；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，新型式的氨-电混合动力船舶能够实现无碳化的优点，电机的引入同时能够改善氨燃料发动机的动态特性，实现多动力源的优势互补，储能装置的引入能够实现电网的削峰填谷，大大提高了柴发机组效率，采用EGR能够减少氮氧化物排放，燃料电池废气与给EGR中排气管补气，提高了动力涡轮效率与做功。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实现氨燃料发动机与电机、柴发机组与储能装置混合动力推进的一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统，其特征是：包括燃料电池、电容、蓄电池、柴发机组、氨燃料发动机、齿轮箱、变桨距螺旋桨、定桨距螺旋桨，柴发机组连接船舶直流电网，燃料电池、电容、蓄电池通过各自对应的变电装置连接船舶直流电网，氨燃料发动机输出端经过第一离合器与第一可逆电机连接，第一可逆电机经过第三离合器与齿轮箱连接，第二可逆电机通过第二离合器连接齿轮箱，齿轮箱与变桨距螺旋桨连接，第三可逆电机直接驱动定桨距螺旋桨，同时通过第三变频装置、第三变压装置与船舶直流电网连接，液氨罐依次经过截止阀、汽化换热装置、稳压阀连接氨燃料发动机，第一可逆电机一方面通过第二变压装置、第二变频装置与船舶直流电网连接，另一方面直接与船舶电网连接，第二可逆电机一方面通过第一变压装置、第一变频装置与船舶直流电网连接，另一方面直接与船舶直流电网连接。

本发明还可以包括：

1、还包括废气再循环系统，废气再循环系统包括氨燃料发动机进气管、氨燃料发动机排气管、第一控制阀、第二控制阀、第一冷却装置、第二冷却装置、第一洗涤过滤装置、第二洗涤过滤装置、废气再循环泵、压气机、废气涡轮，氨燃料发动机排气管废气通过废气再循环泵经过第一控制阀、第一冷却装置、第一洗涤装置进入氨燃料发动机进气管，压气机将空气压缩经过第二冷却装置、第二洗涤装置进入氨燃料发动机进气管，燃料电池废气经过第二控制阀进入排气管补充废气，氨燃料发动机排气管废气进入涡轮做功驱动压气机。

2、还包括整船冷却系统，整船冷却系统包括开式海水冷却系统、储能装置冷却系统，开式海水冷却系统通过第一水泵送海水与淡水循环系统换热，闭式淡水冷却系统经过第二水泵分别泵送到润滑油系统、空冷器冷却系统，同时通过第一三通换向阀送到储能装置冷却系统，从储能装置冷却系统出来的冷却水经第二三通换向阀有两种回路，第一是回路与润滑油冷却系统汇流与缸套水系统进行换热冷却，第二回路是直接汇总与海水冷却；空冷器冷却系统泵送出的冷却水流向两处，第一处直接与海水换热冷却，第二处经过第一三通换向阀对储能冷却系统进行预热，缸套水系统经由第三水泵泵送到发动机中进行冷却；

所述润滑油冷却系统为柴发机组、氨燃料发动机各润滑油分冷却系统的总和，所述空冷器冷却系统为柴发机组、氨燃料发动机各空冷器分冷却系统的总和，所述缸套水系统为柴发机组、氨燃料发动机各缸套水分系统的总和，所述发动机为柴发机组、氨燃料发动机的总和。

3、储能装置冷却系统包括电芯、左端板、右端板、U型扁平热管一、U型扁平热管二、下液冷板，电芯之间的正、负极极耳通过软连接排连接，左端板和右端板之间夹持全部电芯形成电池模组，左端板与其相邻的电芯之间设置左隔热垫，右端板与其相邻的电芯之间设置右隔热垫，电芯上方设置隔离框，隔离框包括前槽道、中槽道、后槽道，前槽道和后槽道里填充相变材料，相变材料上铺设顶均热膜，U型扁平热管一、U型扁平热管二设置在顶均热膜上方，下液冷板设置在电芯下方，U型扁平热管一左充液口、U型扁平热管二左充液口、下液冷板进液口连通第一三通阀，U型扁平热管一右充液口、U型扁平热管二右充液口、下液冷板出液口连通第二三通阀。

4、启动模式为船舶备车工况时第一可逆电机倒拖氨燃料发动机进行启动，第一可逆电机的电力来源由储能装置直接提供或由船舶直流电网经过第二变压装置、第二变电装置提供；液氨经过液氨罐、截止阀、汽化换热装置、稳压阀喷入氨燃料发动机；侧推模式为当船舶靠岸时第三可逆电机由船舶直流电网经过第三变压装置、第三变频装置提供电力驱动定桨距螺旋桨；机械模式下，第一离合器、第三离合器结合，此时第一可逆电机不工作，氨燃料发动机经过齿轮箱驱动变桨距螺旋桨。

5、电力推进模式下由三种模式组成：第一种电力推进模式：第一离合器、第二离合器断开第三离合器结合，第一可逆电机经由齿轮箱驱动变桨距螺旋桨，第一可逆电机直接通过船舶电网供电或通过船舶电网经过第二变压装置、第二变频装置提供电力；第二种电力推进模式：第三离合器断开，第二离合器闭合，第二可逆电机经由齿轮箱驱动变桨距螺旋桨，第二可逆电机直接通过船舶电网供电或通过船舶电网经过第一变压装置、第一变频装置提供电力；第三种电力推进模式：第一离合器断开、第二离合器、第三离合器结合，第一可逆电机、第二可逆电机经由齿轮箱驱动变桨距螺旋桨。

6、混合推进模式下包括单电机+发动机推进模式、双电机+发动机推进模式；单电机+发动机推进模式具有两种模式，第一种是第一离合器、第三离合器结合，第一可逆电机与氨燃料发动机经由齿轮箱联合驱动变桨距螺旋桨，第一可逆电机直接通过船舶电网供电或通过船舶电网经过第二变压装置、第二变频装置提供电力；第二种是第一-第三离合器闭合，第二可逆电机与氨燃料发动机经由齿轮箱联合驱动变桨距螺旋桨，第一可逆电机不工作；双电机+发动机推进模式为第一-第三离合器结合，第一可逆电机与第二可逆电机经由齿轮箱联合驱动变桨距螺旋桨。

7、发电模式下包括单电机+发动机发电模式、双电机+发动机发电模式；单电机+发动机发电模式有两种模式，第一种是为第一离合器、第三离合器结合，氨燃料发动机一部分功率带动第一可逆电机发电，另一部分功率经过齿轮箱驱动变桨距螺旋桨，当第一可逆电机转速为额定转速发出50HZ频率、船舶电网电压的电力时，直接向船舶电网馈电，当第一可逆电机转速小于额定转速时，通过第二变压装置、第二变频装置向船舶电网馈电；第二种是为第一-第三离合器闭合，氨燃料发动机一部分功率带动第二可逆电机发电，另一部分功率经过齿轮箱驱动变桨距螺旋桨，当第一可逆电机转速为额定转速发出50HZ频率、船舶电网电压的电力时，直接向船舶电网馈电，当第一可逆电机转速小于额定转速时，通过第一变压装置、第一变频装置向船舶电网馈电，此时第一可逆电机不工作；双电机+发动机发电模式为氨燃料发动机一部分功率带动第一可逆电机、第二可逆电机发电，另一部分功率经过齿轮箱驱动变桨距螺旋桨。

8、船舶电网的工作模式包括应急模式和电网削峰填谷模式；应急模式为当柴发机组出现故障时，燃料电池、电容、蓄电池组成的直流微网继续工作为推进系统提供电力，削峰填谷模式为柴发机组一部分电力向电容、蓄电池充电，另一部分电力提供给日用负载及推进系统或柴发机组、燃料电池、电容、蓄电池联合供电。

9、储能装置冷却系统包括预热模式和冷却模式，预热模式为当蓄电池在恶劣天气下出现极寒工作状态时，空冷器冷却系统通过出口的冷却水通过第一三通换向阀进入下液冷板进行预热；冷却模式为当蓄电池正常工作时，从开式海水冷却系统出来的冷却水通过第一三通换向阀进入蓄电池对其冷却。

本发明的优势在于：

1.本发明提出一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统，设置有氨燃料发动机、可逆电机，功率覆盖范围广，可以满足船舶在各种工况下的动力需求，减少了污染物及二氧化碳的排放，具有明显技术效果如下：首先，氨燃料发动机和电机能够相互配合，优势互补，两者更好的工作在高效率区；其次，可逆电机与氨燃料发动机高效区互补，船舶运行全周期全工况得到优化；氨燃料发动机与第一可逆电机连接，第一可逆电机可作为启动电机，不仅减少了发动机冗余配置使布置紧凑而且减少氨燃料发动机启动工况的油耗，同时有效改善氨燃料发动机低工况动态响应差，启动困难的问题；第二可逆电机功率与氨燃料发动机加第一可逆电机功率相等，第二可逆电机在恒扭矩区工作，可以弥补氨燃料发动机扭矩储备不足问题，氨燃料发动机在电动机恒功率区工作，弥补第二可逆电机恒功率区扭矩较小的问题；采用第三可逆电机直接驱动桨距螺旋桨，能够实现靠岸侧推，同时回收部分制动能量，灵活操纵。

2.船舶电网采用柴发机组配备储能装置，柴发机组通过储能装置的调峰削谷功能，可以保持在最优效率点工作，效率明显提高。所述技术效果体现如下：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；功率型超级电容与蓄电池组合的储能装置能够满足船舶电力动态需求，既能做到持续输出，又能满足功率要求。而且储能装置在柴油发电机发生故障时提供备用电源、燃料电池通过逆变装置直接与电动机连接，增加了系统的冗余，提高了安全性。

3.第一可逆电机与船舶电网的双回路连接具有两种馈能模式，一是氨燃料发动机定转速运行，船舶可以通过可变桨距进行变航速运行，氨燃料发动机带动第一可逆电机可以直接与船舶电网并网，二是当氨燃料发动机与可变桨距螺旋桨都采用变速运行，可逆电机经过变频装置与船舶电网并网，可以看到明显技术效果是双回路设置一方面增加了系统的冗余性、安全性，二是无变电装置的回路避免了电力损耗，有变电装置回路能够实现变速发电，节约了燃料消耗。两者进行不同模式下的选择能够实现氨燃料发动机的效率最佳优化。

4.本发明提出一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统，所描述整船冷却系统集成了开式海水冷却系统与闭式淡水冷却系统。闭式淡水冷却系统集成了润滑油冷却系统，空冷器冷却系统，缸套水冷却系统，储能装置冷却系统，其有效的技术效果既实现了冷能的多级利用，又将储能装置冷却系统采用三通换向阀实现冷却与预热模式的切换，实现了冷热能的多重利用，将储能装置冷却系统集成到发动机冷却系统中不必再进行单独的冷却，节省了成本，实现了能量重复利用。

5.本发明提出一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统，其中所述的废气再循环系统利用燃料电池废气补充氨燃料发动机废气再循环减少的废气以提高涡轮效率，增加进气量，解决了氨燃料发动机作为气体发动机增压不足、低工况下进气量不足的问题。

6.本发明提出一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统，所描述储能装置冷却系统为基于电芯极耳与底部联合液冷散热的动力电池热管理系统，设置有隔离框以阻隔电芯极耳连接排与其上方极耳液冷板之间的接触，可以有效地防止外短路现象的发生，提高热管理系统的安全可靠性。隔离框主要包含前部、中部和后部三个槽道。前后槽道分别为填充槽，用绝缘耐磨耐高温导热胶填平软排连接极耳成组后的不规则模块，隔离框中间槽道为空槽，从而避免了部分传统散热方式未为电芯安全阀上方留有泄压空间的弊端。隔离框与电芯顶面间通过密封胶垫圈固定。隔离框水平尺寸配合于成组后电芯的水平尺寸，液冷板水平尺寸配合于成组后极耳模块的水平尺寸。隔离框前后填充槽内填充有高温绝缘导热胶，该设计可以大大增加极耳与液冷板的换热接触面积，可强化换热效果，同时增加系统的空间利用率。在极耳液冷板和高温导热绝缘硅胶填平面之间夹有石墨烯膜以均热，石墨烯膜导热系数可达2000W(m·K)，可以把电池极耳处的产热均匀迅速地扩散到极耳液冷板水平面上，热量再由液冷板内冷媒带走，该设计可以提高电芯间温度的一致性。在模组底部和下液冷板间，改传统导热硅胶垫为石墨烯均热膜，可以强化模组间沿水平方向的热量传递速率，起到均热作用，同时弥补电芯间的尺寸公差。电芯成组后在其左右两侧和底部设有隔热模块。该系统能保证电池单体能够合理地散热，防止单体电池温度过高，且隔热模块可在电池单体发生热失控时抑制热量扩散，避免热扩散蔓延至整个电池模组，提高电池模组的安全性和稳定性，便于长期安全地使用。

6.采用本系统提供的船舶混合动力系统，不仅适用于大型远洋船舶动力系统，同时适用于沿海及江海直达等小型船舶，适应性好，适用于各种航行特性的船型。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为废气再循环系统示意图；

图3为整船冷却系统示意图；

图4为储能装置冷却系统示意图。

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1-4，参见图1，本发明一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统，包括燃料电池1、超级电容2、蓄电池3、柴发机组4a、4b、4c、变电装置5a、5b、5c、变压装置6a、6b、6c、变频装置7a、7b、8c、船舶日用负载8、液氨罐9、截止阀10、汽化换热装置11、稳压阀12、氨燃料发动机13、离合器14a、14b、14c、第二可逆电机15a、第一可逆电机15b、第三可逆电机15c、齿轮箱16、变桨距螺旋桨17、定桨距螺旋桨18、整船冷却系统19。其连接关系为：氨燃料发动机13输出端经过离合器14a与第一可逆电机15b连接，可逆电机15b经过离合器14c与齿轮箱16连接，齿轮箱16输出轴与变桨距螺旋桨17连接。第二可逆电机15a通过齿轮箱16驱动变桨距螺旋桨17，第三可逆电机15c直接驱动定桨距螺旋桨18同时通过变频装置7c、变压装置6c与船舶电网连接。液氨罐9分别经过截止阀10、汽化换热装置11、稳压阀12与氨燃料发动机13。船舶负载8直接与船舶电网连接，柴发机组4a、4b、4c与船舶电网连接为电力需求供电，超级电容2、蓄电池3并联再与变电装置5a、5b与船舶电网连接，燃料电池1通过变电装置5a直接与船舶电网相连。第一可逆电机15b一是通过变压装置6b、变频装置7b与船舶电网连接，二是直接与船舶电网连接，第二可逆电机15a一是通过变压装置6a、变频装置7a与船舶电网连接，二是直接与船舶电网连接。柴发机组4a、4b、4c中的柴油机、氨燃料发动机13，蓄电池3与整船冷却系统19虚线连接表示热量传递。

参见图2，废气再循环系统包括：氨燃料发动机进气管20、排气管21、控制阀22a、22b、冷却装置23a、23b、洗涤过滤装置24a、24b、废气再循环泵25、压气机26、废气涡轮27。其连接关系为，排气管21废气经过废气再循环泵25经过控制阀22a、冷却装置23a、洗涤装置24a进入进气管20。压气机26将空气压缩经过冷却装置23b、洗涤装置24b进入进气管20。燃料电池1废气经过控制阀22b进入排气管21补充废气。排气管21废气进入涡轮27做功驱动压缩机26。

参见图3，整船冷却系统19包括：开式海水冷却系统28、水泵29a、29b、29c、润滑油冷却系统30、空冷器冷却系统31、储能装置冷却系统32、三通换向阀33a、33b、过滤器34、缸套水冷却系统35、发动机36。其连接关系为：整船冷却系统27中，开式海水冷却系统28通过水泵29a泵送海水与淡水循环系统换热，闭式淡水冷却系统经过水泵29b分别泵送到润滑油系统30、空冷器冷却系统31、储能装置冷却系统32，从储能装置冷却系统32出来的冷却水有两种回路，一是与润滑油冷却水系统30汇流与缸套水冷却系统35进行换热冷却，二是直接汇总与海水冷却。空冷器冷却系统31泵送出的冷却水流向两处，一部分直接与海水换热冷却，另一部分经过三通换向阀33a对储能装置冷却系统32进行预热。缸套水冷却系统35经由水泵29c泵送到发动机36中对其冷却。其中发动机28包括柴发机组4a、4b、4c中的柴油机、氨燃料发动机13，储能装置冷却系统冷却的电池组为蓄电池3。

参见图4，储能装置冷却系统32包括：右端板37、右隔热片38、正极耳39汇流排40、负极耳41、U型扁平热管一右蒸发端42、U型扁平热管一右充液口43、U型扁平热管二右充液口44、U型扁平热管二右蒸发端45、U型扁平热管一46、U型扁平热管一左充液口47、U型扁平热管一左蒸发端48、U型扁平热管二49、U型扁平热管二左充液口50、U型扁平热管二左蒸发端51、均热膜52、相变材料模块53、隔离框54、填充槽55、紧固绑带56、电芯57、安全阀58、左隔热垫59、左端板60、下液冷板进液口61、底隔热垫62、下液冷板63、冷板出液口64、底均热膜65和电池模组66，其连接关系为：软连接排连接若干个电芯57之间的正负极极耳39、41，再由螺母紧固软连接排。通过最左和最右两侧端板60、37及左隔热板59和右隔热板38夹持电芯模块，最后由四周绑带56紧固后形成电池模组。最左侧电芯和左端板60之间、最右侧电芯和右端板37之间分别夹有左侧隔热板59和右侧隔热板38。若干个电芯57顶面套有隔离框54，隔离框自身结构可分为前、中、后三个槽道，前后两个槽道55用于填充软排连接电芯极耳成组后，其余下的不规则模块，隔离框54用密封结构胶固定于电池模组顶面，可防止相变材料53溢出扁平热管46、49插于相变材料模块53亦可直接通过均热膜52直接铺于相变材料模块54上面，扁平热管的冷凝端通过两侧伸至模组外部，通过散热翅片强化换热。电芯底部自上而下依次设计由均热膜65、液冷板63和隔热垫62。

电芯成组后，其上方设置的隔离框本体主要包括前、中、后三个矩形槽道，前、后两个矩形槽道用来填充相变材料，形成相变材料模块，电芯通过软排连接成组后，上部余下的不规则空间。设计有密封胶垫圈，可密封且固定隔离框于电池组顶面。隔离框的中间槽道设计为空槽，隔离框的前后两个槽道的宽度恰好等于极耳和软排连接后所形成的模块宽度，以保证隔离框前、后两个槽道能够覆盖住极耳和软排连接成组后所形成的模块，中间槽道的水平宽度大于电芯安全阀的直径。热管主要呈扁平片状结构，扁平热管的水平段下方有顶均热膜，后紧贴两排极耳，为蒸发端；扁平热管左右两侧的竖直段伸至模组外部，为冷凝端，冷凝端上方还有充液口，其两侧设置有散热翅片。扁平热管蒸发端的宽度小于相变材料模块的宽度，同时大于极耳与软排连接后所构成的模块的宽度。相变材料模块和热管间夹有均热膜，相变材料模块和均热膜都由绝缘材料制成，电芯底部与下液冷板间亦设有石墨烯均热膜而非传统的导热垫。散热系统中的软排由T2紫铜制成，连接排采用铜排软接的方式，外层套有绝缘热缩套，在最左侧和最右侧两个电芯和最两侧的端板之间夹有的左隔热板、右隔热板，在电芯底部和底液冷板之间夹有底均热膜。

其中，从整船冷却系统中闭式淡水循环系统中冷却水经由三通换向阀33a进入电池热管理系统中U型扁平热管一左充液口47、U型扁平热管二左充液口50、下液冷板进液口61，再经过U型扁平热管一右充液口43、U型扁平热管二右充液口44、下液冷板出液口34排出，进一步通过三通换向阀33b排出。

本实施例中，氨燃料发动机21优选带有废气再循环系统的压燃发动机，第一可逆电机15b、第二可逆电机15a、第三可逆电机15c优选具有高效率、高功率密度、寿命长等优点永磁同步可逆电机，燃料电池1优选氨燃料电池，蓄电池3优选功率密度高、体积重量小的磷酸铁锂电池，超级电容2优选功率型。

本发明的工作模式主要以下几种工作模式

启动模式为船舶备车工况时第一可逆电机15b倒拖氨燃料发动机13进行启动，第一可逆电机15b的电力来源即可由储能装置直接提供又可以由船舶电网经过变压装置5b、变电装置6b提供。此设置既能防止船舶电网故障导致动力不足，又能通过船舶电网实现降压启动；液氨经过液氨罐9、截止阀10、汽化换热装置11、稳压阀12喷入氨燃料发动机。

侧推模式为当船舶靠岸时第三可逆电机15c由船舶电网经过变压装置6c、变频装置7c提供电力驱动定桨距螺旋桨15，该模式下操纵灵活，适用于船舶靠岸工况，且第三可逆电机15c可以回收部分制动能量。

机械模式下，离合器14a、14c结合，此时第一可逆电机15b不工作，氨燃料发动机13经过齿轮箱16驱动变桨距螺旋桨17。

电力推进模式下由三种模式组成，一是离合器14a、14b断开14c结合，第一可逆电机15b经由齿轮箱16驱动变桨距螺旋桨17，第一可逆电机15b可以经由两条电路提供电力，一是直接通过船舶电网供电，此时第一可逆电机15b运行在固定转速点，船舶依靠变桨距螺旋桨17调节航速，二是船舶电网经过变压装置6b、变频装置7b提供电力，第一可逆电机15b运行在最佳效率曲线上，变桨距螺旋桨17固定在最佳效率桨距；第二种模式是离合器14c断开，14b闭合，第二可逆电机15a经由齿轮箱16驱动变桨距螺旋桨17，第二可逆电机15a可以经由两条电路提供电力，一是直接通过船舶电网供电，此时第二可逆电机15a运行在固定转速点，船舶依靠变桨距螺旋桨17调节航速，二是船舶电网经过变压装置6a、变频装置7a提供电力，第一可逆电机15a运行在最佳效率曲线上，变桨距螺旋桨17固定在最佳效率桨距，值得说明的是，此时离合器14a可以闭合，氨燃料发动机14a可以带动第一可逆电机15b运行，作为发电机组以减少发电机组的布置；第三种模式是离合器14a断开、14b、14c结合，第一可逆电机15b、第一可逆电机经由齿轮箱16驱动变桨距螺旋桨17，两个可逆电机同样可以经由两条电路提供电力，具体参见上述两种电力推进模式。需要注意的是，第一可逆电机15b、第二可逆电机15a高效区互补，功率段覆盖范围不同，因此需要根据功率需求、效率要求来选择模式。

混合推进模式下具有两种推进模式分别为单电机+发动机推进模式、双电机+发动机推进模式，单电机+发动机推进模式具有两种模式，一是离合器14a、14c结合，第一可逆电机15b与氨燃料发动机13经由齿轮箱16联合驱动变桨距螺旋桨17，该模式下第一可逆电机15b可以经由两条电路提供电力，一是直接通过船舶电网供电，此时第一可逆电机15b与氨燃料发动机13运行在固定转速点，船舶依靠变桨距螺旋桨17调节航速，二是船舶电网经过变压装置6b、变频装置7b提供电力，第一可逆电机15b与氨燃料发动机13运行在最佳效率曲线上，变桨距螺旋桨17固定在最佳效率桨距；第二种模式是离合器14a、14b、14c闭合，第二可逆电机15a与氨燃料发动机13经由齿轮箱16联合驱动变桨距螺旋桨17，该模式下第一可逆电机15b不工作，第二可逆电机15a同样由两条电路供电，具体参见第一种模式，需要说明的是第一可逆电机15b、第二可逆电机15a高效区互补，功率段覆盖范围不同，因此需要根据功率需求、效率要求来选择模式。双电机+发动机推进模式为离合器14a、14b、14c结合，第一可逆电机15b与第二可逆电机15a与氨燃料发动机13经由齿轮箱16联合驱动变桨距螺旋桨17，此时电力来源参见单电机+发动机推进模式。

发电模式下存在两种模式为单电机+发动机发电模式，双电机+发动机发电模式，单电机+发动机发电模式有两种模式一是为离合器14a、14c结合，氨燃料发动机13一部分功率带动第一可逆电机15b发电，一部分功率经过齿轮箱16驱动变桨距螺旋桨17，此时第一可逆电机15b可以由两条电路向船舶电网馈能，当第一可逆电机15b转速为额定转速发出50HZ频率、船舶电网电压的电力时，直接向船舶电网馈电；当第一可逆电机15b转速小于额定转速时，通过变压装置6b、变频装置7b向船舶电网馈电，二是为离合器14a、14b、14c闭合，氨燃料发动机13一部分功率带动第二可逆电机15a发电，一部分功率经过齿轮箱16驱动变桨距螺旋桨17，此时第一可逆电机15a可以由两条电路向船舶电网馈能，当第一可逆电机15a转速为额定转速发出50HZ频率、船舶电网电压的电力时，直接向船舶电网馈电；当第一可逆电机15a转速小于额定转速时，通过变压装置6a、变频装置7a想船舶电网馈电，此时第一可逆电机15b不工作；双电机+发动机发电模式为氨燃料发动机13一部分功率带动第一可逆电机15b、第二可逆电机15a发电，一部分功率经过齿轮箱16驱动变桨距螺旋桨17，此时第一可逆电机15b、第二可逆电机15a分别可以由两条电路向船舶电网馈能，具体参见单电机+发动机发电模式。需要说明的是，采用当氨燃料发动机13无论是带动第一可逆电机15b或第二可逆电机15a发电，都可以按照额定转速或变转速运行，需要依靠可变桨距螺旋桨17来相应调节航速，模式的选择需要依据发电频率、功率需求以及效率来选择。

船舶电网作为独立的电力系统，承担整船的电力需求，同样也具有不同的工作模式，具体分为应急模式、电网削峰填谷模式。

应急模式为当柴发机组4a、4b、4c出现故障时，熔断器断开，燃料电池1、超级电容2、蓄电池3组成的直流微网继续工作为推进系统提供电力，削峰填谷模式为当日用负载11与推进系统需要电力较少时，柴发机组4a、4b、4c一部分电力向超级电容2、蓄电池3充电，一部分电力提供给日用负载8及推进系统；当日用负载8与推进系统需要电力较多时，柴发机组4a、4b、4c、燃料电池1、超级电容2、蓄电池3联合供电；燃料电池1、超级电容2、蓄电池3组成的直流微网也具有调峰作用，利用超级电容2、蓄电池3充放电来保证燃料电池工作在稳定工况、保持高效率。

储能装置冷却系统19具有两种工作模式，预热模式为当蓄电池3在恶劣天气下出现极寒工作状态时，空冷器冷却系统31通过出口的冷却水通过三通换向阀33a进入液冷板进行预热；冷却模式为当蓄电池3正常工作时，从开式海水冷却系统28出来的冷却水通过三通换向阀33a进入蓄电池对其冷却。

废气再循环系统有工作过程为排气管21废气经过废气再循环泵25经过控制阀22a、冷却装置23a、洗涤装置24a进入进气管20。压气机26将空气压缩经过冷却装置23b、洗涤装置24b进入进气管20。燃料电池1废气经过控制阀22b进入排气管21补充废气。排气管21废气进入涡轮27做功驱动压缩机26。当氨燃料发动机13处于低工况时，此时控制阀22b开度增大、增加燃料电池1的废气流量来补足排气管21废气使动力涡轮27做功增多，以增加进气管20进气量；当当氨燃料发动机13处于高工况时，此时控制阀22b开度减小，以节省燃料电池1燃料。

Claims (7)

1.一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统，其特征是：包括燃料电池、电容、蓄电池、柴发机组、氨燃料发动机、齿轮箱、变桨距螺旋桨、定桨距螺旋桨、废气再循环系统、整船冷却系统，柴发机组连接船舶直流电网，燃料电池、电容、蓄电池通过各自对应的变电装置连接船舶直流电网，氨燃料发动机输出端经过第一离合器与第一可逆电机连接，第一可逆电机经过第三离合器与齿轮箱连接，第二可逆电机通过第二离合器连接齿轮箱，齿轮箱与变桨距螺旋桨连接，第三可逆电机直接驱动定桨距螺旋桨，同时通过第三变频装置、第三变压装置与船舶直流电网连接，液氨罐依次经过截止阀、汽化换热装置、稳压阀连接氨燃料发动机，第一可逆电机一方面通过第二变压装置、第二变频装置与船舶直流电网连接，另一方面直接与船舶电网连接，第二可逆电机一方面通过第一变压装置、第一变频装置与船舶直流电网连接，另一方面直接与船舶直流电网连接；

废气再循环系统包括氨燃料发动机进气管、氨燃料发动机排气管、第一控制阀、第二控制阀、第一冷却装置、第二冷却装置、第一洗涤过滤装置、第二洗涤过滤装置、废气再循环泵、压气机、废气涡轮，氨燃料发动机排气管废气通过废气再循环泵经过第一控制阀、第一冷却装置、第一洗涤装置进入氨燃料发动机进气管，压气机将空气压缩经过第二冷却装置、第二洗涤装置进入氨燃料发动机进气管，燃料电池废气经过第二控制阀进入排气管补充废气，氨燃料发动机排气管废气进入涡轮做功驱动压气机；

整船冷却系统包括开式海水冷却系统、储能装置冷却系统，开式海水冷却系统通过第一水泵送海水与淡水循环系统换热，闭式淡水冷却系统经过第二水泵分别泵送到润滑油冷却系统、空冷器冷却系统，同时通过第一三通换向阀送到储能装置冷却系统，从储能装置冷却系统出来的冷却水经第二三通换向阀有两种回路，第一回路是与润滑油冷却系统汇流与缸套水系统进行换热冷却，第二回路是直接汇总与海水冷却；空冷器冷却系统泵送出的冷却水流向两处，第一处直接与海水换热冷却，第二处经过第一三通换向阀对储能装置冷却系统进行预热，缸套水系统经由第三水泵泵送到发动机中进行冷却；

所述润滑油冷却系统为柴发机组、氨燃料发动机各润滑油分冷却系统的总和，所述空冷器冷却系统为柴发机组、氨燃料发动机各空冷器分冷却系统的总和，所述缸套水系统为柴发机组、氨燃料发动机各缸套水分系统的总和，所述发动机为柴发机组、氨燃料发动机的总和；

储能装置冷却系统包括电芯、左端板、右端板、U型扁平热管一、U型扁平热管二、下液冷板，电芯之间的正、负极极耳通过软连接排连接，左端板和右端板之间夹持全部电芯形成电池模组，左端板与其相邻的电芯之间设置左隔热垫，右端板与其相邻的电芯之间设置右隔热垫，电芯上方设置隔离框，隔离框包括前槽道、中槽道、后槽道，前槽道和后槽道里填充相变材料，相变材料上铺设顶均热膜，U型扁平热管一、U型扁平热管二设置在顶均热膜上方，下液冷板设置在电芯下方，U型扁平热管一左充液口、U型扁平热管二左充液口、下液冷板进液口连通第一三通阀，U型扁平热管一右充液口、U型扁平热管二右充液口、下液冷板出液口连通第二三通阀。

2.根据权利要求1所述的一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统，其特征是：启动模式为船舶备车工况时第一可逆电机倒拖氨燃料发动机进行启动，第一可逆电机的电力来源由储能装置直接提供或由船舶直流电网经过第二变压装置、第二变电装置提供；液氨经过液氨罐、截止阀、汽化换热装置、稳压阀喷入氨燃料发动机；侧推模式为当船舶靠岸时第三可逆电机由船舶直流电网经过第三变压装置、第三变频装置提供电力驱动定桨距螺旋桨；机械模式下，第一离合器、第三离合器结合，此时第一可逆电机不工作，氨燃料发动机经过齿轮箱驱动变桨距螺旋桨。

3.根据权利要求1所述的一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统，其特征是：电力推进模式下由三种模式组成：第一种电力推进模式：第一离合器、第二离合器断开第三离合器结合，第一可逆电机经由齿轮箱驱动变桨距螺旋桨，第一可逆电机直接通过船舶电网供电或通过船舶电网经过第二变压装置、第二变频装置提供电力；第二种电力推进模式：第三离合器断开，第二离合器闭合，第二可逆电机经由齿轮箱驱动变桨距螺旋桨，第二可逆电机直接通过船舶电网供电或通过船舶电网经过第一变压装置、第一变频装置提供电力；第三种电力推进模式：第一离合器断开、第二离合器、第三离合器结合，第一可逆电机、第二可逆电机经由齿轮箱驱动变桨距螺旋桨。

4.根据权利要求1所述的一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统，其特征是：混合推进模式下包括单电机+发动机推进模式、双电机+发动机推进模式；单电机+发动机推进模式具有两种模式，第一种是第一离合器、第三离合器结合，第一可逆电机与氨燃料发动机经由齿轮箱联合驱动变桨距螺旋桨，第一可逆电机直接通过船舶电网供电或通过船舶电网经过第二变压装置、第二变频装置提供电力；第二种是第一-第三离合器闭合，第二可逆电机与氨燃料发动机经由齿轮箱联合驱动变桨距螺旋桨，第一可逆电机不工作；双电机+发动机推进模式为第一-第三离合器结合，第一可逆电机与第二可逆电机经由齿轮箱联合驱动变桨距螺旋桨。

5.根据权利要求1所述的一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统，其特征是：发电模式下包括单电机+发动机发电模式、双电机+发动机发电模式；单电机+发动机发电模式有两种模式，第一种是为第一离合器、第三离合器结合，氨燃料发动机一部分功率带动第一可逆电机发电，另一部分功率经过齿轮箱驱动变桨距螺旋桨，当第一可逆电机转速为额定转速发出50HZ频率、船舶电网电压的电力时，直接向船舶电网馈电，当第一可逆电机转速小于额定转速时，通过第二变压装置、第二变频装置向船舶电网馈电；第二种是为第一-第三离合器闭合，氨燃料发动机一部分功率带动第二可逆电机发电，另一部分功率经过齿轮箱驱动变桨距螺旋桨，当第一可逆电机转速为额定转速发出50HZ频率、船舶电网电压的电力时，直接向船舶电网馈电，当第一可逆电机转速小于额定转速时，通过第一变压装置、第一变频装置向船舶电网馈电，此时第一可逆电机不工作；双电机+发动机发电模式为氨燃料发动机一部分功率带动第一可逆电机、第二可逆电机发电，另一部分功率经过齿轮箱驱动变桨距螺旋桨。

6.根据权利要求1所述的一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统，其特征是：船舶电网的工作模式包括应急模式和电网削峰填谷模式；应急模式为当柴发机组出现故障时，燃料电池、电容、蓄电池组成的直流微网继续工作为推进系统提供电力，削峰填谷模式为柴发机组一部分电力向电容、蓄电池充电，另一部分电力提供给日用负载及推进系统或柴发机组、燃料电池、电容、蓄电池联合供电。

7.根据权利要求1所述的一种带燃料电池的双轴双电机船舶氨-电混合动力系统，其特征是：储能装置冷却系统包括预热模式和冷却模式，预热模式为当蓄电池在恶劣天气下出现极寒工作状态时，空冷器冷却系统通过出口的冷却水通过第一三通换向阀进入下液冷板进行预热；冷却模式为当蓄电池正常工作时，从开式海水冷却系统出来的冷却水通过第一三通换向阀进入蓄电池对其冷却。

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