CN218559151U - 一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统及水上载具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于氢燃料电池混合动力船舶电力推进系统及水上载具，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。本实用新型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及水上载具

技术领域

本实用新型涉及一种船舶电力推进系统，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及水上载具，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。

实用新型内容

本实用新型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及水上载具，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。

本实用新型所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：

本实用新型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。

作为本实用新型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。

作为本实用新型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。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述储能部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。

作为本实用新型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。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述储能装置包括锂电池组。

作为本实用新型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。

作为本实用新型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。

本实用新型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。

本实用新型的有益效果是：本实用新型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为本实用新型的结构示意图；

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

以下结合附图对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

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。储能部的储能装置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2

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。

本实用新型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实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本实用新型要求保护的范围内。本实用新型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，储能部的所述储能装置(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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