CN115503924A - 一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统 - Google Patents

一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统 Download PDF

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胡伟佳
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Abstract

本发明公开了一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，包括储能部、氢燃料电池部、配电部和驱动部，其中，储能部、氢燃料电池部、配电部和驱动部均连接至直流母排；储能部，包括储能装置以及与储能装置相连接的第三整流模块，其中，储能部通过第三整流模块连接直流母排。本发明解决了目前的新能源船舶续航力不足的问题；采用氢燃料电池，解决了船舶的二氧化碳排放的问题；实现了对船舶周期性负载波动的匹配，保证了航行的安全，使得船舶在恶劣海况下能够长期运行；保证了船舶供电的连续性；EMS能量管理模块能根据螺旋桨的负载变化调节电池反应堆、储能装置的输出电量，稳定直流母排的电压，保证推进系统的平稳。

Description

一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统
技术领域
本发明涉及一种，特别涉及一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，属于船舶驱动系统技术领域。
背景技术
船舶作为水运及远距离或跨国的运输工具，在现代物流运输体系中的地位十分重要，随着节能减排的趋势发展，新能源船舶也随之出现。
目前新能源船舶一般采用锂电池、光伏、风能、LNG等新能源技术。锂电池技术由于能力密度和充电的限制，导致船舶无法配置足够的锂电池，其续航力受到极大的制约，只适合短距离航行；光伏系统、目前的技术是每平方米发电量为0.5kW,无法作为推进动力使用，只能作为辅助电源进行船舶电力来源的优化，而且风能和光伏系统还极大受到环境条件的限制，无法提供持续稳定的电源，导致其无法作为船舶的主要电源；LNG天然气可为船舶提供持续稳定的电源，但其不是清洁能源，会排放二氧化碳，无法满足碳排放要求；氢燃料电池作为驱动力不会产生二氧化碳排放。
但是，氢燃料电池无法满足船级社规范要求(如柴油机在空负荷状态下突然加上50％额定负荷，稳定后再加上余下的50％负荷时，其瞬时调速率不大于额定转速的10％；稳定调速率不大于额定转速的5％；稳定时间(即转速恢复到波动率为±1％范围的时间)不超过5s)；而且，单一的氢燃料电池驱动无法匹配船舶的周期性负载波动，无法使船舶在恶劣海况下长期稳定运行，无法保证航行安全，也会影响到船舶供电的连续性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：提供一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，解决了船舶氢燃料电池推进系统无法匹配周期性负载波动等问题。
本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：
本发明提供一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，包括储能部、氢燃料电池部、配电部和驱动部，其中，
所述储能部、所述氢燃料电池部、所述配电部和所述驱动部均连接至直流母排；
所述储能部，包括储能装置以及与所述储能装置相连接的第三整流模块，其中，
所述储能部通过所述第三整流模块连接所述直流母排；
所述氢燃料电池部，包括电池反应堆以及与所述电池反应堆相连接的第一整流模块，其中，
所述氢燃料电池部通过所述第一整流模块连接所述直流母排；
所述配电部，包括永磁发电机以及与所述永磁发电机相连接的第二整流模块，其中，
所述配电部通过所述第二整流模块连接所述直流母排；
所述驱动部，包括永磁电机以及与所述永磁电机相连接的第一逆变模块，其中，
所述驱动部通过所述第一逆变模块连接所述直流母排。
作为本发明的一种优选技术方案，所述直流母排通过第五熔断器连接有第二逆变模块，其中，
所述第二逆变模块通过隔离变压器连接至交流母排。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电池反应堆连接至所述氢燃料电池部的氢燃料控制器，其中，
所述氢燃料控制器和所述第一整流模块均连接至EMS能量管理模块；
所述EMS能量管理模块还连接有所述储能部的所述第三整流模块、所述配电部的所述第二整流模块、所述驱动部的所述第一逆变模块和所述第二逆变模块。
作为本发明的一种优选技术方案，所述储能模块的所述储能装置还连接有BMS电池管理模块，其中，
所述BMS电池管理模块连接至所述EMS能量管理模块。
作为本发明的一种优选技术方案，所述氢燃料电池部还包括设置于防爆正压柜内的高压气瓶，其中，
所述高压气瓶通过减压阀和/或管路连接至缓冲瓶，所述缓冲瓶通过管路连接至所述电池反应堆。
作为本发明的一种优选技术方案，所述储能装置包括锂电池组。
作为本发明的一种优选技术方案，所述第三整流模块与所述直流母排之间设置有第三熔断器；
所述第一整流模块与所述直流母排之间设置有第一熔断器；
所述第二整流模块与所述直流母排之间设置有第二熔断器；
所述第一逆变模块与所述直流母排之间设置有第四熔断器。
作为本发明的一种优选技术方案，所述永磁发电机连接有发电驱动装置，其中，
所述发电驱动装置包括柴油机。
优选地，
所述第一整流模块包括DC/DC整流模块，
所述第二整流模块包括AC/DC整流模块，
所述第三整流模块包括双向DC/DC整流模块，
所述第一逆变模块和所述第二逆变模块均包括DC/AC逆变模块。
本发明还提供了一种水上载具，具有前述的一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统。
本发明的有益效果是：本发明解决了目前的新能源船舶续航力不足的问题；采用氢燃料电池，解决了船舶的二氧化碳排放的问题；实现了对船舶周期性负载波动的匹配，保证了航行的安全，使得船舶在恶劣海况下能够长期运行；保证了船舶供电的连续性；EMS能量管理模块能根据螺旋桨的负载变化调节电池反应堆、储能装置的输出电量，稳定直流母排的电压，保证推进系统的平稳。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中：1、防爆正压柜；2、高压气瓶；3、减压阀；4、缓冲瓶；5、电池反应堆；6、氢燃料控制器；7、第一整流模块；8、第一熔断器；9、直流母排；10、第二整流模块；11、第二熔断器；12、第三熔断器；13、发电驱动装置；14、永磁发电机；15、第三整流模块；16、储能装置；17、第一逆变模块；18、永磁电机；19、第二逆变模块；20、隔离变压器；21、交流母排；22、EMS能量管理模块；23、第四熔断器；24、第五熔断器；25、BMS电池管理模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，包括储能部、氢燃料电池部、配电部和驱动部，其中，
储能部、氢燃料电池部、配电部和驱动部均连接至直流母排9；
具体的，储能部包括储能装置16以及与储能装置16相连接的第三整流模块15，其中，储能部通过第三整流模块15连接直流母排9，第三整流模块15(本实施例中、第三整流模块15包括双向DC/DC整流模块)与直流母排9之间设置有第三熔断器12，双向DC/DC整流模块(即第三整流模块15)连接锂电池组(即储能装置16)，放电时，锂电池组通过双向DC/DC整流模块向直流母排9输出电压稳定的直流电源。充电时，双向DC/DC整流模块向锂电池组输出满足要求的充电电压及电流；本实施例中，储能装置16包括锂电池组，也可以选择其他的储能设备。
氢燃料电池部还包括设置于防爆正压柜1内的高压气瓶2，其中，高压气瓶2通过减压阀3和/或管路连接至缓冲瓶4，缓冲瓶4通过管路连接至电池反应堆5，以上组件通过通讯传输、将压力和氢气检测、电压、电流信号等传送至氢燃料控制器6，氢燃料控制器6根据负载需求调节进气量控制电池反应堆5工作产生直流电源；更具体的，氢燃料电池部、包括电池反应堆5以及与电池反应堆5相连接的第一整流模块7，其中，氢燃料电池部通过第一整流模块7连接直流母排9，第一整流模块7与直流母排9之间设置有第一熔断器8；本实施例中，第一整流模块7包括DC/DC整流模块，采用IGBT器件组成桥式整流回路，将电池反应堆5输出的低压直流电源转换成高压直流电源并通过第一熔断器8保护短路，向直流母排9提供电压稳定的直流电源；
配电部、包括永磁发电机14以及与永磁发电机14相连接的第二整流模块10(本实施例中、第二整流模块10包括AC/DC整流模块)，其中，配电部通过第二整流模块10连接直流母排9，第二整流模块10与直流母排9之间设置有第二熔断器11，第二整流模块10把交流电源转换成电压稳定的直流电源，通过第二熔断器11连接至直流母排9；永磁发电机14连接有发电驱动装置13，本实施例中，发电驱动装置13包括柴油机，也可以选择其他的发电驱动装置。
驱动部、包括永磁电机18以及与永磁电机18相连接的第一逆变模块17，其中，驱动部通过第一逆变模块17连接直流母排9，第一逆变模块17(本实施例中、第一逆变模块17包括DC/AC逆变模块)与直流母排9之间设置有第四熔断器23，DC/AC逆变模块(即第一逆变模块17)采用IGBT三相整流桥回路通过交流开关连接永磁同步电机(即永磁电机18)，并控制电机转速驱动螺旋桨。
直流母排9通过第五熔断器24连接有第二逆变模块19、本实施例中第二逆变模块19均包括DC/AC逆变模块，之后，第二逆变模块19通过隔离变压器20连接至交流母排21，DC/AC逆变模块把直流电源转换成三相交流电源，通过20隔离变压器连接至21交流母排，为船舶其他负载提供交流电源。
电池反应堆5连接至氢燃料电池部的氢燃料控制器6，其中，氢燃料控制器6和第一整流模块7均连接至EMS能量管理模块22，EMS能量管理模块22还连接有储能部的第三整流模块15、配电部的第二整流模块10、驱动部的第一逆变模块17和第二逆变模块19。储能模块的储能装置16还连接有BMS电池管理模块25，其中，BMS电池管理模块25连接至EMS能量管理模块22。EMS能量管理模块22作为整船的控制核心，通过CAN、以太网通讯网络等连接氢燃料控制器6、BMS电池管理系统25、第一整流模块7、第二整流模块10、第三整流模块15、第一逆变模块17、第二逆变模块19，通过对螺旋桨负载的变化来主动调节电池反应堆5和储能装置16的输出电量，稳定直流母排9的电压，实现对于船舶动力波动特性匹配，保证了航行安全。
具体的，储能部、氢燃料电池部均向直流母排9供电，配电部也向直流母排9供电，以使得驱动部的永磁电机18可以驱动螺旋桨，EMS能量管理模块22通过对螺旋桨负载的变化来主动调节电池反应堆5和储能装置16的输出电量，稳定直流母排9的电压，实现对于船舶动力波动特性匹配，保证了航行安全，相应的，EMS能量管理模块22也能实现对于永磁发电机14的调节。
实施例1
本实施例提供了一种水上载具，具有实施例1中的一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，能够解决船舶的二氧化碳排放等问题，其具有的基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统、包括EMS能量管理模块22，通过对螺旋桨负载的变化来主动调节电池反应堆5和储能装置16的输出电量，稳定直流母排9的电压，实现对于船舶动力波动特性匹配，保证了航行安全，相应的，EMS能量管理模块22也能实现对于永磁发电机14的调节，在船舶负载突加突卸时，使3种不同能源持续供电，保证船舶的供电连续性。
本发明解决了目前的新能源船舶续航力不足的问题；采用氢燃料电池，解决了船舶的二氧化碳排放的问题；实现了对船舶周期性负载波动的匹配，保证了航行的安全，使得船舶在恶劣海况下能够长期运行；保证了船舶供电的连续性；EMS能量管理模块能根据螺旋桨的负载变化调节电池反应堆、储能装置的输出电量，稳定直流母排的电压，保证推进系统的平稳；在船舶负载突加突卸时，使3种不同能源持续供电，保证船舶的供电连续性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，其特征在于，包括储能部、氢燃料电池部、配电部和驱动部，其中，
所述储能部、所述氢燃料电池部、所述配电部和所述驱动部均连接至直流母排(9)；
所述储能部，包括储能装置(16)以及与所述储能装置(16)相连接的第三整流模块(15)，其中，
所述储能部通过所述第三整流模块(15)连接所述直流母排(9)；
所述氢燃料电池部，包括电池反应堆(5)以及与所述电池反应堆(5)相连接的第一整流模块(7)，其中，
所述氢燃料电池部通过所述第一整流模块(7)连接所述直流母排(9)；
所述配电部，包括永磁发电机(14)以及与所述永磁发电机(14)相连接的第二整流模块(10)，其中，
所述配电部通过所述第二整流模块(10)连接所述直流母排(9)；
所述驱动部，包括永磁电机(18)以及与所述永磁电机(18)相连接的第一逆变模块(17)，其中，
所述驱动部通过所述第一逆变模块(17)连接所述直流母排(9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，其特征在于，所述直流母排(9)通过第五熔断器(24)连接有第二逆变模块(19)，其中，
所述第二逆变模块(19)通过隔离变压器(20)连接至交流母排(21)。
3.根据权利要求2所述的一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，其特征在于，所述电池反应堆(5)连接至所述氢燃料电池部的氢燃料控制器(6)，其中，
所述氢燃料控制器(6)和所述第一整流模块(7)均连接至EMS能量管理模块(22)；
所述EMS能量管理模块(22)还连接有所述储能部的所述第三整流模块(15)、所述配电部的所述第二整流模块(10)、所述驱动部的所述第一逆变模块(17)和所述第二逆变模块(19)。
4.根据权利要求3所述的一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，其特征在于，所述储能模块的所述储能装置(16)还连接有BMS电池管理模块(25)，其中，
所述BMS电池管理模块(25)连接至所述EMS能量管理模块(22)。
5.根据权利要求1所述的一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，其特征在于，所述氢燃料电池部还包括设置于防爆正压柜(1)内的高压气瓶(2)，其中，
所述高压气瓶(2)通过减压阀(3)和/或管路连接至缓冲瓶(4)，所述缓冲瓶(4)通过管路连接至所述电池反应堆(5)。
6.根据权利要求1所述的一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，其特征在于，所述储能装置(16)包括锂电池组。
7.根据权利要求1所述的一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，其特征在于，所述第三整流模块(15)与所述直流母排(9)之间设置有第三熔断器(12)；
所述第一整流模块(7)与所述直流母排(9)之间设置有第一熔断器(8)；
所述第二整流模块(10)与所述直流母排(9)之间设置有第二熔断器(11)；
所述第一逆变模块(17)与所述直流母排(9)之间设置有第四熔断器(23)。
8.根据权利要求1所述的一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，其特征在于，所述永磁发电机(14)连接有发电驱动装置(13)，其中，
所述发电驱动装置(13)包括柴油机。
9.根据权利要求7所述的一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统，其特征在于，
所述第一整流模块(7)包括DC/DC整流模块，
所述第二整流模块(10)包括AC/DC整流模块，
所述第三整流模块(15)包括双向DC/DC整流模块，
所述第一逆变模块(17)和所述第二逆变模块(19)均包括DC/AC逆变模块。
10.一种水上载具，其特征在于，具有如权利要求1至9中任一所述一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统。
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