CN210822712U - 一种混合动力电池装置和混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种混合动力电池装置和混合动力系统，用于为船舶提供主动力，该混合动力电池装置包括：燃料电池供电模块、锂电池供电模块和汇流排，所述燃料电池供电模块和所述锂电池供电模块通过所述汇流排电气连接。本实用新型实施例提供的技术方案，通过对混合有燃料电池和锂电池的混合动力电池装置进行灵活配置，能够满足不同类型船舶对主动力源的需求。

Description

一种混合动力电池装置和混合动力系统

技术领域

本实用新型实施例涉及船舶电源技术领域，尤其涉及一种混合动力电池装置和混合动力系统。

背景技术

随着传统能源的日益消耗，氢燃料电池具有无污染、低噪声和高效率的特点，在各电源领域有着广泛的应用。

船舶作为海上主要的交通工具，现有技术通常根据船舶的吨位、用途采用柴油机、蒸汽轮机或燃气轮机作为主动力源，而柴油机、蒸汽轮机和燃气轮机都是采用燃烧的方式产生能源，这一过程伴随着大量的污染物排出，且能源转换效率不高，不能根据船舶的需求灵活的进行能源的组合。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种混合动力电池装置和混合动力系统，以实现灵活的配置能源，满足不同类型船舶对主动力系统的需求。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种混合动力电池装置，用于为船舶提供主动力，包括：燃料电池供电模块、锂电池供电模块和汇流排，所述燃料电池供电模块和所述锂电池供电模块通过所述汇流排电气连接。

可选的，所述燃料电池供电模块包括燃料电池和第一DC/DC变换器，所述燃料电池与所述第一DC/DC变换器的输入端电连接，所述第一DC/DC变换器的输出端与所述汇流排电连接；

所述锂电池供电模块包括锂电池组和第二DC/DC变换器，所述锂电池组与所述第二DC/DC变换器的输入端电连接，所述第二DC/DC变换器的输出端与所述汇流排电连接。

可选的，所述燃料电池的输出功率与所述锂电池的输出功率配比在0.8-1.6之间。

可选的，所述第一DC/DC变换器为单向DC/DC变换器，所述第二DC/DC变换器为双向DC/DC变换器。

可选的，所述混合动力电池装置还包括第一开关，所述第一DC/DC变换器通过所述第一开关与所述汇流排电连接；和/或所述混合动力电池装置还包括第二开关，所述第二DC/DC变换器通过所述第二开关与所述汇流排电连接。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种混合动力系统，所述混合动力系统包括至少一段直流母线和至少一个本实用新型实施例提供的混合动力电池装置，所述混合动力电池装置的输出端与所述直流母线电连接，每段所述直流母线上设置有至少一个所述混合动力电池装置；

当所述混合动力系统包括多段所述直流母线时，各段所述直流母线之间通过开关模块电连接。

可选的，所述开关模块包括串联的熔丝和隔离开关。

可选的，所述混合动力系统包括的所述混合动力电池装置的数量为2-8个。

可选的，所述混合动力系统包括的所述混合动力电池装置为偶数个。

可选的，当所述混合动力系统包括多段所述直流母线时，每段所述直流母线上的所述混合动力电池装置的数量相等。

本实用新型实施例通过采用锂电池和燃料电池的混合动力电池装置为船舶提供主动力源，混合动力电池装置包括燃料电池供电模块、锂电池供电模块和汇流排，燃料电池作为功率输出电源，能够提高能源的转换效率；锂电池既可以作为功率输出电源，也可以作为功率吸收电源，能够合理的配置能源的输出比。本实用新型实施例提供的技术方案，通过对混合有燃料电池和锂电池的混合动力电池装置进行灵活配置，能够满足不同类型船舶对主动力源的需求。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种混合动力电池装置的结构框图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种混合动力电池装置的结构框图；

图3为本实用新型实施例提供的一种混合动力系统的拓扑图；

图4为本实用新型实施例提供的另一种混合动力系统的拓扑图；

图5为本实用新型实施例提供的另一种混合动力系统的拓扑图；

图6为本实用新型实施例提供的另一种混合动力系统的拓扑图；

图7为本实用新型实施例提供的另一种混合动力系统的拓扑图；

图8为本实用新型实施例提供的另一种混合动力系统的拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1为本实用新型实施例提供的一种混合动力电池装置的结构框图，该混合动力电池装置100用于为船舶提供主动力，参考图1，该混合动力电池装置100包括燃料电池供电模块10、锂电池供电模块20和汇流排30，燃料电池供电模块10和锂电池供电模块20通过汇流排30电气连接。

具体的，燃料电池供电模块10用于将燃料电池产生的电能输出至汇流排30，其中，燃料电池可以为氢燃料电池；锂电池供电模块20用于将锂电池产生的电能输出至汇流排30，或将汇流排30上多余的电能进行存储。汇流排30可以设置配电板上，汇流排30用于将燃料电池供电模块10和锂电池供电模块20在电气上连接到一起，并将燃料电池供电模块10和锂电池供电模块20产生的电能输送至母线上为船舶主动力系统提供主动力源，三者共同组成混合动力电池装置100。

本实用新型实施例提供的技术方案，通过采用锂电池和燃料电池的混合动力电池装置为船舶提供主动力源，混合动力电池装置包括燃料电池供电模块、锂电池供电模块和汇流排，燃料电池作为功率输出电源，能够提高能源的转换效率；锂电池既可以作为功率输出电源，也可以作为功率吸收电源，能够合理的配置能源的输出比。本实用新型实施例提供的技术方案，通过对混合有燃料电池和锂电池的混合动力电池装置进行灵活配置，能够满足不同类型船舶对主动力源的需求。

图2为本实用新型实施例提供的另一种混合动力电池装置的结构框图，在上述实施例的基础上，参考图2，燃料电池供电模块10包括燃料电池101和第一DC/DC变换器102，燃料电池101与第一DC/DC变换器102的输入端电连接，第一DC/DC变换器102的输出端与汇流排30电连接；

锂电池供电模块20包括锂电池组201和第二DC/DC变换器202，锂电池组201与第二DC/DC变换器202的输入端电连接，第二DC/DC变换器202的输出端与汇流排30电连接。

具体的，燃料电池供电模块10可以包括燃料电池101和第一DC/DC变换器102，燃料电池101可以为氢燃料电池，氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，具有高转换效率、无污染等特点，且噪声较低，适合船舶等空间较小的场合使用。第一DC/DC变换器102将燃料电池101输出的电压转换为船舶主动力系统需要的电压，以满足主动力系统的需求。锂电池供电模块20可以包括锂电池组201和第二DC/DC变换器202，锂电池组201既可以充电也可以放电，可以灵活的调节汇流排30上的电能，并根据主动力系统的需求对多余电能进行存储。第二DC/DC变换器202可以为双向DC/DC变换器，以实现锂电池组201与汇流排30之间能量的双向流动。

可选的，在上述实施例的基础上，第一DC/DC变换器为单向DC/DC变换器，第二DC/DC变换器为双向DC/DC变换器。由于燃料电池101是一种发电装置，不能存储电能，因此其能量传输的方向不可逆，仅需要单向DC/DC变换器即可实现燃料电池101与汇流排30之间能量的转换和传输。而锂电池组201可以将存储的电能进行释放，因此，通过设置双向DC/DC变换器来实现锂电池组201与汇流排30之间能量的双向流动，以提高能源的利用率。

可选的，在上述实施例的基础上，混合动力电池装置100还包括第一开关40，第一DC/DC变换器102通过第一开关40与汇流排30电连接；和/或混合动力电池装置100还包括第二开关50，第二DC/DC变换器202通过第二开关50与汇流排30电连接。

具体的，通过在燃料电池供电模块10与汇流排30之间设置第一开关40，和/或在锂电池供电模块20与汇流排30之间设置第二开关50，可以根据船舶主动力系统的需求，灵活的设置混合动力电池装置100的供电方式，可以满足不同类型船舶对主动力源的需求，有利于节省能耗。第一开关40可以包括2个开关，分别设置在第一DC/DC变换器的正极和负极输出端，也可以包括1个开关，接在第一DC/DC变换器正极输出端与汇流排30之间。第二开关50可以进行与第一开关40同样的设置。其中，第一开关40和第二开关50可以为手动开关，也可以为自动开关。

进一步地，燃料电池的输出功率与锂电池组的输出功率配比在0.8-1.6之间。

具体的，混合动力电池装置100中的燃料电池101的输出功率与锂电池201的输出功率的配比是整个混合动力电池装置100的核心，混合动力电池装置100的输出功率，不但受到燃料电池101功率输出特性的影响，还受到锂电池组201的充放电倍率、容量的影响，而且还要受到船舶整体负载功率的影响。本申请技术人员通过大量的试验研究以及试验数据的积累发现，船用燃料电池101输出功率与锂电池组201输出功率的配比在0.8-1.6之间时，能够实现能源的最大化利用，具有最佳的输出性能。

通过设置燃料电池101输出功率与锂电池组201输出功率的配比在0.8-1.6之间，使得本实用新型实施例提供的混合动力电池装置100具有如下性能：

(1)、具有稳定起动性能，在负载分别为额定功率的0％、25％、75％、100％下，每次起动的时间间隔不超过2min，至少连续10次均能正确起动。

(2)、具有在负载平稳增加时稳定电压输出性能，负载从额定功率的0％开始，按顺序每次增加5％负载，每次增加负载时间间隔2min，直至增加到100％负载，混合动力电池装置100输出的电压满足在±5％额定电压范围内变化。

(3)、具有在负载平稳减少时稳定电压输出性能，负载从额定功率的100％开始，按顺序每次减少5％负载，每次减少负载时间间隔2min，直至减少到0％负载，混合动力电池装置100输出的电压满足在±5％额定电压范围内变化。

(4)、具有在负载突然增加时稳定电压输出性能。负载从额定功率的0％开始0.5s内增加至60％、负载从额定功率的10％开始0.5s内增加至70％、负载从额定功率的20％开始0.5s内增加至80％、负载从额定功率的30％开始0.5s内增加至90％、负载从额定功率的40％开始0.5s内增加至100％，混合动力电池装置100输出的电压满足在瞬态电压的变化率最低不超过-15％，最高不超过+20％，稳定时间不超过1.5s。

(5)、具有在负载突然减少时稳定电压输出性能。负载从额定功率的100％开始0.5s内降低至40％、负载从额定功率的90％开始0.5s内降低至30％、负载从额定功率的80％开始0.5s内降低至20％、负载从额定功率的70％开始0.5s内降低至10％、负载从额定功率的60％开始0.5s内降低至0％，混合动力电池装置100输出的电压满足在瞬态电压的变化率最低不超过-15％，最高不超过+20％，稳定时间不超过1.5s。

(6)、具有过载性能，负载为额定功率的110％时，混合动力电池装置100至少能稳定运行15min。

本实用新型实施例提供的技术方案，通过采用锂电池和燃料电池的混合动力电池装置为船舶提供主动力源，混合动力电池装置包括燃料电池供电模块、锂电池供电模块和汇流排，燃料电池作为功率输出电源，能够提高能源的转换效率；锂电池既可以作为功率输出电源，也可以作为功率吸收电源，能够合理的配置能源的输出比，能够实现在负载稳定增加或减少、负载突变以及过负载的情况下，输出稳定电压的性能。本实用新型实施例提供的技术方案，通过对混合有燃料电池和锂电池的混合动力电池装置进行灵活配置，能够满足不同类型船舶对主动力源的需求，为船舶提供稳定的主动力源。

进一步地，本实用新型实施例还提供了一种混合动力系统，混合动力系统包括至少一段直流母线和至少一个上述实施例提供的混合动力电池装置，混合动力电池装置的输出端与直流母线电连接，每段直流母线上设置有至少一个混合动力电池装置；

当混合动力系统包括多段直流母线时，各段直流母线之间通过开关模块电连接。

具体的，混合动系统用于为船舶提供主动力，可以由多个混合动力电池装置进行任意组合构成混合动力系统，通过设置多段直流母线，可以灵活的适应不同吨位的船舶，以满足不同类型船舶对动力源的需求。其中，多段直流母线可以通过开关模块电连接，例如，开关模块可以包括串联的熔丝和隔离开关。

可选的，混合动力系统包括的混合动力电池装置的数量为2-8个。

具体的，根据本申请技术人员的试验研究发现，混合动力电池装置理论上可以根据船舶功率负载的需求进行任意组合，但是在考虑动力系统的复杂度情况下，经过大量的试验数据表情，最多以8组上述实施例提供的混合动力电池装置进行组合，最少以2组混合动力电池装置进行组合。

可选的，当混合动力系统包括多段直流母线时，每段直流母线上的混合动力电池装置的数量相等。

具体的，本实用新型实施例可以设置多段直流母线，各段直流母线之间可以采用开关模块电连接，示例性的，开关模块可以包括熔丝和隔离开关，这样设置的好处是，可以根据不同类型船舶对动力源的需求，灵活的配置混合动力电池装置为船舶提供主动力。为了满足动力源的对称性需求，每段母线上的混合动力电池装置的数量相等，因此，混合动力系统包括的混合动力电池装置为偶数个，即，采用2组、4组、6组和8组的组合方式进行配置动力源。

为方便描述，可以将多段直流母线分别称为第一段直流母线、第二段直流母线……第N段直流母线。

可选的，图3为本实用新型实施例提供的一种混合动力系统的拓扑图，在上述实施例的基础上，参考图3，该混合动力系统包括二段直流母线和两组混合动力电池装置100，每段直流母线上分别连接一组混合动力电池装置100，二段直流母线之间通过开关模块70电连接。

具体的，开关模块70包括串联的熔丝71和隔离开关72，第一段直流母线1和第二段直流母线2分别与一组混合动力电池装置100电连接，这种组合方式可以适用于船舶吨位在1千吨以下的船舶的主动力源。第一段直流母线1和第二段直流母线2的输出端可以连接不同的负载，如负载可以为螺旋桨、双绕组电机或日用照明设备等，其中日用照明设备的供电电压需要通过隔离变压器进行降压。

可选的，图4为本实用新型实施例提供的另一种混合动力系统的拓扑图，在上述实施例的基础上，参考图4，该混合动力系统包括二段直流母线和四组混合动力电池装置100，每段直流母线上分别连接两组混合动力电池装置100，二段直流母线之间通过开关模块70电连接。

具体的，第一段直流母线1和第二段直流母线2的输出端可以分别接不同的负载，每段直流母线上均电连接两组混合动力电池装置100，两段直流母线之间通过开关模块70电连接，开关模块包括串联的熔71和隔离开关72，有利于提高混合动力系统的可靠性。当第一段直流母线1连接的负载需要较大动力时，可以由第二段直流母线2和第一段直流母线1共同为该负载供电，以提供足够的主动力，因此，本实用新型实施例提供的技术方案，相比于现有技术，通过适当增加或减少混合动力电池装置100，以及对各混合动力电池装置100进行输出功率配比进行设置，能够灵活的对混合动力系统进行配置，以满足不同类型的船舶对动力源的需求。

可选的，图5为本实用新型实施例提供的另一种混合动力系统的拓扑图，在上述实施例的基础上，参考图5，该混合动力系统包括二段直流母线和六组混合动力电池装置100，每段直流母线上分别连接三组混合动力电池装置100，二段直流母线之间通过开关模块70电连接。这种组合方式和上述实施例提供的混合动力系统具有相同的有益效果，在此不再赘述。

可选的，图6为本实用新型实施例提供的另一种混合动力系统的拓扑图，在上述实施例的基础上，参考图6，该混合动力系统包括二段直流母线和八组混合动力电池装置100，每段直流母线上分别连接四组混合动力电池装置100，二段直流母线之间通过开关模块70电连接。这种组合方式和上述实施例提供的混合动力系统具有相同的有益效果，在此不再赘述。

可选的，图7为本实用新型实施例提供的另一种混合动力系统的拓扑图，在上述实施例的基础上，参考图7，该混合动力系统包括三段直流母线和六组混合动力电池装置100，每段直流母线上分别连接两组混合动力电池装置100，三段直流母线之间通过开关模块70电连接。

具体的，这种组合方式可以用于船舶吨位在1千吨以上、8千吨以下的主动力系统中，第一段直流母线1、第二段直流母线2和第三段直流母线3的输出端可以分别接不同的负载，每段直流母线上均电连接两组混合动力电池装置100，当第一段直流母线1连接的负载需要较大动力时，可以由第二段直流母线2和第一段直流母线1共同为该负载供电，或三段直流母线共同为该负载供电，以提供足够的主动力，本实用新型实施例在此不进行限制，可以根据需求进行不同的配置。当然，也可以不必每一段直流母线都处于为船舶提供主动力的状态，例如，第三段直流母线3可以处于热备用状态，当船舶需求较大的主动力时，通过闭合第二段直流母线2和第三段直流母线3之间的开关模块70，即可使第三段直流母线3电连接的混合动力电池装置100处于运行状态，为混合动力系统提供足够的动力，这样的组合方式有利于提高混合动力系统的可靠性。

可选的，图8为本实用新型实施例提供的另一种混合动力系统的拓扑图，在上述实施例的基础上，参考图8，该混合动力系统包括四段直流母线和八组混合动力电池装置100，每段直流母线上分别连接两组混合动力电池装置100，四段直流母线之间通过开关模块70电连接。这样的组合方式适用于吨位为8千吨-12千吨的船舶，能够为船舶提供更大的主动力，和上述实施例提供的混合动力系统具有相同的有益效果，在此不再赘述。

本实用新型实施例通过采用锂电池和燃料电池的混合动力电池装置为船舶提供主动力源，混合动力电池装置包括燃料电池供电模块、锂电池供电模块和汇流排，燃料电池作为功率输出电源，能够提高能源的转换效率；锂电池既可以作为功率输出电源，也可以作为功率吸收电源，能够合理的配置能源的输出比，能够实现在负载稳定增加或减少、负载突变以及过负载的情况下，输出稳定电压的性能。本实用新型实施例提供的技术方案，通过对混合有燃料电池和锂电池的混合动力电池装置进行灵活配置形成不同的混合动力系统，通过适当增加或减少混合动力电池装置，以及对各混合动力电池装置进行输出功率配比进行设置，能够灵活的对混合动力系统进行配置，以满足不同类型的船舶对主动力源的需求。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种混合动力电池装置，用于为船舶提供主动力，其特征在于，包括：燃料电池供电模块、锂电池供电模块和汇流排，所述燃料电池供电模块和所述锂电池供电模块通过所述汇流排电气连接。

2.根据权利要求1所述的混合动力电池装置，其特征在于，所述燃料电池供电模块包括燃料电池和第一DC/DC变换器，所述燃料电池与所述第一DC/DC变换器的输入端电连接，所述第一DC/DC变换器的输出端与所述汇流排电连接；

所述锂电池供电模块包括锂电池组和第二DC/DC变换器，所述锂电池组与所述第二DC/DC变换器的输入端电连接，所述第二DC/DC变换器的输出端与所述汇流排电连接。

3.根据权利要求2所述的混合动力电池装置，其特征在于，所述燃料电池的输出功率与所述锂电池组的输出功率配比在0.8-1.6之间。

4.根据权利要求2所述的混合动力电池装置，其特征在于，所述第一DC/DC变换器为单向DC/DC变换器，所述第二DC/DC变换器为双向DC/DC变换器。

5.根据权利要求2所述的混合动力电池装置，其特征在于，所述混合动力电池装置还包括第一开关，所述第一DC/DC变换器通过所述第一开关与所述汇流排电连接；和/或所述混合动力电池装置还包括第二开关，所述第二DC/DC变换器通过所述第二开关与所述汇流排电连接。

6.一种混合动力系统，其特征在于，所述混合动力系统包括至少一段直流母线和至少一个如权利要求1-5任一项所述的混合动力电池装置，所述混合动力电池装置的输出端与所述直流母线电连接，每段所述直流母线上设置有至少一个所述混合动力电池装置；

当所述混合动力系统包括多段所述直流母线时，各段所述直流母线之间通过开关模块电连接。

7.根据权利要求6所述的混合动力系统，其特征在于，所述开关模块包括串联的熔丝和隔离开关。

8.根据权利要求6所述的混合动力系统，其特征在于，所述混合动力系统包括的所述混合动力电池装置的数量为2-8个。

9.根据权利要求8所述的混合动力系统，其特征在于，所述混合动力系统包括的所述混合动力电池装置为偶数个。

10.根据权利要求6所述的混合动力系统，其特征在于，当所述混合动力系统包括多段所述直流母线时，每段所述直流母线上的所述混合动力电池装置的数量相等。

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