CN215794392U - 一种简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种简化的船用燃料电池顶推船‑驳船混合动力系统，系统分为顶推船部分和驳船部分。顶推船部分包括燃料电池系统、DC/DC、锂电池、第一逆变器、第一生活负载、第二逆变器、电机、推进器和整船能量管理与控制系统；驳船部分包括第二生活负载；顶推船上的第一逆变器变换后的电能通过快速插头与驳船上的第二生活负载供电连接，为驳船上的第二生活负载供电；快速插头布置在顶推船或者驳船上。本系统只采用一个锂电池布置在顶推船上，通过燃料电池和锂电池共同对外部所有负载供电，能够降低对燃料电池系统的性能要求，还能提升燃料电池系统的寿命，同时采用外接充电设备和外接电源设备为整个系统供电，大幅度简化了整个系统结构。

Description

一种简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统

技术领域

本发明涉及清洁可再生能源在船舶电力推进中应用的领域，尤其涉及一种简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统。

背景技术

单独的锂电池作为船舶动力系统，存在续航里程短，质量重等问题；而单独的燃料电池系统作为船舶动力系统，存在启动较慢、功率输出不稳定、寿命低等问题，因此将锂离子电池和燃料电池组合成的混合动力电池系统可以同时满足环保、节能以及可持续发展的要求，广泛用于新能源船舶领域。由于氢燃料系统的安全性备受关注，因此将氢燃料动力系统安装在顶推船，与乘客或者货物所在的驳船分开，既能提升安全性，又能提高氢燃料动力系统顶推船的利用率。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，而提供了一种简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统。

本实用新型一种简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，所述混合动力系统包括顶推船和驳船部分；

所述顶推船部分包括燃料电池系统、DC/DC、锂电池、第一逆变器、第一生活负载、第二逆变器、电机、推进器和整船能量管理与控制系统；

顶推船上的燃料电池系统产生的电能经过DC/DC电压转变后接入直流母线；

顶推船上的锂电池、第一逆变器和第二逆变器分别与直流母线连接；

第一逆变器与第一生活负载连接；

第二逆变器依次连接电机和推进器；

顶推船上的直流母线对锂电池充放电；

顶推船上的直流母线通过第一逆变器为第一生活负载供电；

顶推船上的直流母线通过第二逆变器控制电机，进而带动推进器；

所述驳船部分包括第二生活负载；

顶推船上的第一逆变器变换后的电能通过快速插头与驳船上的第二生活负载供电连接，为驳船上的第二生活负载供电；快速插头布置在顶推船或者驳船上；

所述燃料电池系统、DC/DC、锂电池、第一逆变器和第二逆变器分别与整船能量管理与控制系统连接；整船能量管理与控制系统采集信息，并控制与其连接的各系统，根据各个系统所处状态，及时调整工作模式。

所述顶推船上的锂电池和第一生活负载，以及驳船上的第一生活负载连接外接充电设备充电或者外接供电设备供电。

所述电机与推进器为一组单推进系统，或者为二组双推进器系统。

所述燃料电池系统包括质子交换膜燃料电池、空气供应系统、氢气供应系统、氮气吹扫系统、冷却水系统、氢气瓶及控制系统等。

所述锂电池是磷酸铁锂电池或者其他类型的锂电池，包括电池管理系统。

所述的简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，其工作模式主要包括：纯电锂电池模式、纯燃料电池模式、增程式模式、混合动力模式、驳船外接电源模式、顶推船外接能源模式和应急模式。

所述纯电锂电池模式：燃料电池系统关闭，锂电池为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电。

所述纯燃料电池模式：燃料电池系统开启，燃料电池系统为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电，燃料电池系统不为锂电池充电。

所述增程式模式：燃料电池系统开启，燃料电池系统为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电，燃料电池系统为锂电池充电。

所述混合动力模式：燃料电池系统开启，燃料电池系统和锂电池共同为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电。

所述驳船外接电源模式：当驳船没有与顶推船通过快速插头连接时，驳船通过岸边的外接电源进行供电。

所述顶推船外接能源模式：顶推船靠岸时，燃料电池关闭，通过外接充电设备为锂电池充电，顶推船上的第一生活负载通过外接电源设备供电；

若锂电池出现故障，则燃料电池系统分别通过第一逆变器和第二逆变器，对推进器和第一生活负载和第二生活负载供电，在功率分配的时候优先考虑推进器功率需求，其次是驳船第二生活负载功率需求，最后是顶推船第一生活负载功率需求。

所述应急模式：若燃料电池系统发生故障，则采用纯电锂电池模式；若锂电池系统发生故障，则采用纯燃料电池系统模式；在功率分配时优先考虑推进器功率需求，其次是驳船第二生活负载功率需求，最后是顶推船第一生活负载功率需求。

所述燃料电池除了应急模式外始终工作在最佳功率区间。

本实用新型一种简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统的控制方法为：

快速插头处于连接状态，当锂电池SOC大于下限，且推进器、第一生活负载和第二生活负载功率之和小于锂电池最大功率时，采用纯电锂电池模式。

快速插头处于连接状态，当SOC大于下限，且推进器、第一生活负载和第二生活负载功率之和大于锂电池最大功率，且处于燃料电池系统最佳功率区间时，采用纯燃料电池模式。

快速插头处于连接状态，当锂电池SOC大于下限，且推进器、第一生活负载和第二生活负载功率之和大于锂电池最大功率，且大于燃料电池系统最佳功率区间，则采用混合动力模式。

快速插头处于连接状态，当锂电池SOC小于下限，则采用增程式模式，在功率分配方面，优先考虑顺序为推进器、第二生活负载、第一生活负载、锂电池充电。

驳船和顶推船分离时，需要将驳船模式停留在有外接电源设备的地方，则驳船第二生活负载采用外接电源设备进行供电。

驳船和顶推船分离，当没有外接电源和充电设备时，顶推船采用与连接状态时同样的控制方法；

驳船和顶推船分离，当有外接电源和充电设备时，顶推船第二生活负载采用外接电源设备进行供电，通过外接充电设备为锂电池充电直到SOC达到顶限为止。

若燃料电池系统或者锂电池发生故障，才用应急模式。

控制方法中，所述SOC的下限为40%，SOC的底线为20%，SOC的上限为80%，SOC的顶限为95%。

本实用新型的有益效果：

（1）将燃料电池系统安装在顶推船，与乘客或者货物所在的驳船分开，既能提升安全性，又能提高燃料电池系统顶推船的利用率；

（2）采用一个锂电池，将锂电池布置在顶推船上，能够与燃料电池系统配合，在不同模式下工作，实现节能减排，降低对燃料电池性能的需求，提升燃料电池的寿命；

（3）驳船上只有生活负载，顶推船的第一生活负载和驳船的第二生活负载共用一个第二逆变器，减少了设备数量，能够降低驳船的成本，提升载人和载物空间；

（4）通过外接充电设备对顶推船的锂电池充电，通过外接电源设备对顶推船第一生活负载、驳船的第二生活负载供电，通过外部能量补充，减少燃料电池系统的消耗，降低了成本；

（5）本系统中整船能量管理与控制系统，考虑了动力系统和生活负载的能量需求，能够对整个能量系统进行管理，实现节能减排，降低了成本；

（6）本动力系统设计中存在纯燃料电池模式和应急模式，能够保证燃料电池系统或者锂电池系统任何一个能量源出现故障的时候，继续为顶推船和驳船提供一定的能量，同时考虑了不同类型负载的功率分配优先策略，提升应急处理能力。

附图说明

图1为本实用新型简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型内容作进一步的详细说明，但不是对本实用新型的限定。

参照图1，一种简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，包括顶推船和驳船部分；

顶推船部分包括燃料电池系统、DC/DC、锂电池、第一逆变器、第一生活负载、第二逆变器、电机、推进器和整船能量管理与控制系统；

顶推船上的燃料电池系统产生的电能经过DC/DC电压转变后接入直流母线；

顶推船上的锂电池、第一逆变器和第二逆变器分别与直流母线连接；

第一逆变器与第一生活负载连接；

第二逆变器依次连接电机和推进器；

顶推船上的直流母线对锂电池充放电；

顶推船上的直流母线通过第一逆变器为第一生活负载供电；

顶推船上的直流母线通过第二逆变器控制电机，进而带动推进器；

驳船部分包括第二生活负载；

顶推船上的第一逆变器变换后的电能通过快速插头与驳船上的第二生活负载供电连接，为驳船上的第二生活负载供电；快速插头布置在顶推船或者驳船上；

燃料电池系统、DC/DC、锂电池、第一逆变器和第二逆变器分别与整船能量管理与控制系统连接；整船能量管理与控制系统采集信息，并控制与其连接的各系统，根据各个系统所处状态，及时调整工作模式。

顶推船上的锂电池和第一生活负载，以及驳船上的第一生活负载连接外接充电设备充电或者外接供电设备供电。

电机与推进器为一组单推进系统，或者为二组双推进器系统。

燃料电池系统包括质子交换膜燃料电池、空气供应系统、氢气供应系统、氮气吹扫系统、冷却水系统、氢气瓶及控制系统等。

锂电池是磷酸铁锂电池或者其他类型的锂电池，包括电池管理系统。

锂电池SOC的下限为40%，SOC的底线为20%，SOC的上限为80%，SOC的顶限为95%。

本实用新型混合动力系统的控制方法，发明内容部分已详细说明，实施例不再赘述。本实用新型系统，只采用一个锂电池布置在顶推船上，通过燃料电池和锂电池共同对外部所有负载供电，能够降低对燃料电池系统的性能要求，还能提升燃料电池系统的寿命，同时采用外接充电设备和外接电源设备为整个系统供电，大幅度简化了整个系统结构。

Claims (6)

1.一种简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，其特征在于：

所述混合动力系统包括顶推船和驳船部分；

所述顶推船部分包括燃料电池系统、DC/DC、锂电池、第一逆变器、第一生活负载、第二逆变器、电机、推进器和整船能量管理与控制系统；

顶推船上的燃料电池系统产生的电能经过DC/DC电压转变后接入直流母线；

顶推船上的锂电池、第一逆变器和第二逆变器分别与直流母线连接；

第一逆变器与第一生活负载连接；

第二逆变器依次连接电机和推进器；

顶推船上的直流母线对锂电池充放电；

顶推船上的直流母线通过第一逆变器为第一生活负载供电；

顶推船上的直流母线通过第二逆变器控制电机，进而带动推进器；

所述驳船部分包括第二生活负载；

顶推船上的第一逆变器变换后的电能通过快速插头与驳船上的第二生活负载供电连接，为驳船上的第二生活负载供电；快速插头布置在顶推船或者驳船上；

所述燃料电池系统、DC/DC、锂电池、第一逆变器和第二逆变器分别与整船能量管理与控制系统连接；整船能量管理与控制系统采集信息，并控制与其连接的各系统，根据各个系统所处状态，及时调整工作模式。

2.根据权利要求1所述的简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，其特征在于：

所述顶推船上的锂电池和第一生活负载，以及驳船上的第一生活负载连接外接充电设备充电或者外接供电设备供电。

3.根据权利要求1所述的简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，其特征在于：

所述电机与推进器为一组单推进系统，或者为二组双推进器系统。

4.根据权利要求1所述的简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，其特征在于：所述燃料电池系统包括质子交换膜燃料电池、空气供应系统、氢气供应系统、氮气吹扫系统、冷却水系统、氢气瓶及控制系统。

5.根据权利要求1所述的简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，其特征在于：所述锂电池是磷酸铁锂电池或者其他类型的锂电池，包括电池管理系统。

6.根据权利要求1-5任一项所述的简化的船用燃料电池顶推船-驳船混合动力系统，其特征在于：

所述混合动力系统的工作模式主要包括：纯电锂电池模式、纯燃料电池模式、增程式模式、混合动力模式、驳船外接电源模式、顶推船外接能源模式和应急模式；

所述纯电锂电池模式：燃料电池系统关闭，锂电池为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电；

所述纯燃料电池模式：燃料电池系统开启，燃料电池系统为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电，燃料电池系统不为锂电池充电；

所述增程式模式：燃料电池系统开启，燃料电池系统为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电，燃料电池系统为锂电池充电；

所述混合动力模式：燃料电池系统开启，燃料电池系统和锂电池共同为推进器、第一生活负载和第二生活负载供电；

所述驳船外接电源模式：当驳船没有与顶推船通过快速插头连接时，驳船通过岸边的外接电源进行供电；

所述顶推船外接能源模式：顶推船靠岸时，燃料电池关闭，通过外接充电设备为锂电池充电，顶推船上的第一生活负载通过外接电源设备供电；

若锂电池出现故障，则燃料电池系统分别通过第一逆变器和第二逆变器，对推进器和第一生活负载和第二生活负载供电，在功率分配的时候优先考虑推进器功率需求，其次是驳船第二生活负载功率需求，最后是顶推船第一生活负载功率需求；

所述应急模式：若燃料电池系统发生故障，则采用纯电锂电池模式；若锂电池系统发生故障，则采用纯燃料电池系统模式；在功率分配时优先考虑推进器功率需求，其次是驳船第二生活负载功率需求，最后是顶推船第一生活负载功率需求；

所述燃料电池除了应急模式外始终工作在最佳功率区间。

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