一种功率分流式气电混合船舶动力系统的制作方法

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：

随着国际油价快速上涨，以及越来越严格的排放法规的实施，这就对船舶的经济性和排放性提出了更高的要求，节能减排已经成为国民经济发展中的重要任务。船舶是高能耗的运输工具，其节能减排技术成为大家关注和研究的热点之一。

作为未来的环境战略，我们以减少能源消耗和减少co2、sox、nox及pm排放为目标。有许多方法可以减少船舶的污染和排放，其中最好的方法是利用替代能源。天然气作为发动机的燃料是未来船舶发动机发展的必然趋势，天然气有着绿色环保、经济实惠、安全可靠的优点。但受现阶段天然气发动机技术水平不高的限制，天然气发动机存在动力响应性差、功率不足等缺点。

纯电动船舶电力推进系统是未来船舶技术研究的前沿，具有良好的经济性、操纵性、安全性、低噪声以及低污染等优点。然而，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。

混合动力船舶兼有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，可根据负荷大小选择工作模式，保证所有工况下的燃油经济性，冗余性好；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，因此，发展混合动力船舶具有非常重大的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供改善船舶的动力性、经济性和排放性的一种功率分流式气电混合船舶动力系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种功率分流式气电混合船舶动力系统，其特征是：包括第一-第三气体机、第一-第三齿轮箱、第一电动机、第二电动机、发电机、lng储液罐，第一齿轮箱包括第一-第三齿轮，第二齿轮分别与第一齿轮和第三齿轮啮合，第二齿轮箱包括第四-第六齿轮箱，第五齿轮分别与第四齿轮和第六齿轮啮合，第三齿轮箱包括第七-第九齿轮箱，第八齿轮分别于第七齿轮和第九齿轮啮合，第二气体机通过第一离合器连接第四齿轮，第一电动机通过第二离合器连接第四齿轮，第一齿轮通过第三离合器连接第六齿轮，第一气体机通过第四离合器连接第二齿轮，发电机通过第五离合器连接第二齿轮，第三齿轮通过第六离合器连接第七齿轮，第三气体机通过第七离合器连接第九齿轮，第二电动机通过第八离合器连接第九齿轮，第一螺旋桨连接第一电动机，第二螺旋桨连接第二电动机，lng储液罐通过气化换热器分别连接第一气体机、第二气体机、第三气体机和燃料电池，蓄电池和发电机分别通过各自的变电装置与船舶电网相连，岸电装置、船舶负载连接船舶电网。

本发明还可以包括：

1、采用机械推进模式，所述机械推进模式包括气体机推进模式、气体机辅助发电推进模式；

气体机推进模式：第五离合器断开，其他离合器全部闭合，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一气体机、第二气体机、第三气体机共同驱动；或者，第一离合器、第二离合器、第七离合器、第八离合器闭合，其他离合器断开，第一电动机、第二电动机电源断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨分别由第二气体机、第三气体机驱动；或者，第二离合器、第三离合器、第四离合器、第六离合器、第八离合器闭合，其他离合器断开，第一电动机、第二电动机电源断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一气体机驱动；

气体机辅助发电推进模式：离合器全部闭合，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一气体机、第二气体机、第三气体机发出的一部分功率共同驱动，另一部分功率用来带动发电机发电，所发电能汇入船舶电网；或者，第四离合器断开，其它离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨分别由第二气体机、第三气体机发出的一部分功率驱动，另一部分功率用来带动发电机发电，所发电能汇入船舶电网；或者，第一离合器、第七离合器断开，其它离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一气体机发出的一部分功率驱动，另一部分功率用来带动发电机发电，所发电能汇入船舶电网；或者，第三离合器、第六离合器断开，其他离合器闭合，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第二气体机、第三气体机驱动，发电机由第一气体机单独带动，所发电能汇入船舶电网。

2、采用电力推进模式，所述电力推进模式包括蓄电池推进模式、燃料电池推进模式、岸电充电模式；

蓄电池推进模式：第二离合器、第八离合器断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一电动机、第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由蓄电池通过船舶电网提供；

燃料电池推进模式：第二离合器、第八离合器断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一电动机、第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由燃料电池通过船舶电网提供；

岸电充电模式：船舶在港口和岸边停靠时，通过岸电充电装置外接电源为蓄电池充电。

3、采用混合推进模式，所述混合推进模式包括气体机+电动机推进模式、气体机+电动机辅助发电推进模式；

气体机+电动机推进模式：第五离合器断开，其它离合器全部闭合，第一电动机、第二电动机电源接通，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一气体机、第二气体机、第三气体机和第一电动机、第二电动机共同驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供；

或者，第五离合器断开，气体离合器全部闭合，第一电动机电源接通，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一气体机、第二气体机、第三气体机和第一电动机共同驱动，第一电动机所需电能由船舶电网提供，或，第二电动机电源接通，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一气体机、第二气体机、第三气体机和第二电动机共同驱动，第二电动机所需电能由船舶电网提供；

或者，第一离合器、第二离合器、第七离合器、第八离合器闭合，其它离合器断开，第一电动机、第二电动机电源接通，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第二气体机、第三气体机和第一电动机、第二电动机共同驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供；

或者，第一离合器、第二离合器、第七离合器、第八离合器闭合，其它离合器断开，第一电动机电源接通，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一气体机、第二气体机、第三气体机和第一电动机共同驱动第一电动机所需电能由船舶电网提供，或，第二电动机电源接通，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一气体机、第二气体机、第三气体机和第二电动机共同驱动第二电动机所需电能由船舶电网提供；

或者，第二离合器、第三离合器、第四离合器、第六离合器、第八离合器接通，其它离合器断开，第一电动机、第二电动机电源接通，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一气体机和第一电动机、第二电动机共同驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供；

或者，第二离合器、第三离合器、第四离合器、第六离合器、第八离合器接通，其它离合器断开，第一电动机电源接通，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一气体机和第一电动机共同驱动，第一电动机所需电能由船舶电网提供，或，第二电动机电源接通，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一气体机和第二电动机共同驱动，第二电动机所需电能由船舶电网提供；

气体机+电动机辅助发电推进模式：所有离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源接通，第一气体机所发出的一部分功率带动发电机发电，所发电能汇入船舶电网，另一部分功率和第二气体机、第三气体机、第一电动机、第二电动机共同驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供；或者，第四离合器断开，其它离合器闭合，第二气体机、第三气体机所发出的一部分功率和第一电动机、第二电动机共同驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，第二气体机、第三气体机所发出的另一部分功率带动发电机发电，所发电能汇入船舶电网，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供；或者，第二离合器、第三离合器、第四离合器、第五离合器、第六离合器、第八离合器闭合，其它离合器断开，第一气体机所发出的一部分功率带动发电机发电，所发电能汇入船电网，第一气体机所发出的另一部分功率和第一电动机、第二电动机共同带动第一螺旋桨、第二螺旋桨,第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供。

本发明的优势在于：

1.本发明提出了一种功率分流式气电混合船舶动力系统，设置有气体机、发电机和电动机，功率覆盖范围广，可以满足船舶在更多工况下的动力需求，并能使气体机和电动机更好的工作在高效率区，从而降低了气体发动机的燃料消耗，提高了船舶的经济性和排放性。

2.采用大小功率不同的气体机，高效工作区范围大，功率范围广且输出稳定，满足船舶在不同工况、不同速度下的长时间巡航，避免船舶低速续航时排放性能差，还能缓解电力推进时易发生船舶电网电力紧张的情况。

3.多种动力源的布置方案提高了船舶的可靠性和适用性，通过离合器的闭合及断开，本发明所提供的混合动力系统可以实现多种工作模式，最大限度地提高船舶混合动力系统的效率，可根据实际动力需求和船舶航行环境，选择适合的工作模式。该方案不仅能够满足不同港口和海域的排放标准，还能有效缓解技术不成熟与愈加严格的排放标准之间的矛盾，提高了船舶的经济性和排放性。

4.电动机具有优秀的动力响应，可以随时的关闭和开启，在船舶变工况时可以迅速的调整动力输出，提高船舶的动力响应，减少了系统维护。

5.气体机和可发电机可以通过离合器闭合与断开实现单独工作，可以实现发电机组的功能。在电力推进时可以实现大幅度的降噪，增大了船舶的适航区域，提高了船员的生活舒适性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

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，本发明一种功率分流式气电混合船舶动力系统，包括气体机1a、1b、1c、离合器2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h、齿轮箱3a、3b、3c、电动机4a、4b、螺旋桨5a、5b、气化换热器6、lng罐7、发电机8、燃料电池9、燃料电池变电装置10、发电机变电装置11、船舶电网12、岸电装置13、船舶负载14、蓄电池15、蓄电池变电装置16。气体机1a、1b、1c输出端分别通过离合器2a、2d、2g与齿轮箱3b、3a、3c的输入端相连，发电机8与齿轮箱3a通过离合器2e相连，电动机4a、4b的输出端与螺旋桨5a、5b相连，齿轮箱3a输出端分别通过离合器2c、2f与齿轮箱3b、3c相连。lng罐7通过气化换热器6与气体机1a、1b、1c和燃料电池9相连。蓄电池15和发电机8分别通过变电装置16、11与船舶电网12相连，岸电装置13、船舶负载14与船舶电网12相连。

本实施例中，气体机1a、1b优选纯天然气发动机或双燃料发动机，发电机8、电动机4a、4b优选具有高效率、高功率密度、寿命长等优点永磁电机，蓄电池8优选功率密度高、体积重量小的锂离子电池，燃料电池为固体氧化物燃料电池，气化换热器6优选具有多级冷能换热的耐超低温换热器。

本发明的工作模式主要包括机械推进模式，电力推进模式，混合推进模式。

1.机械推进模式

机械推进模式可分为：气体机推进模式、气体机辅助发电推进模式。

1)气体机推进模式：在该种工作模式下，离合器2e断开，其他离合器全部闭合，螺旋桨5a、5b由气体机1a、1b、1c共同驱动；或者，离合器2a、2b、2g、2h闭合，其他离合器断开，电动机4a、4b电源断开，螺旋桨5a、5b分别由气体机1b、1c驱动；或者，离合器2b、2c、2d、2f、2h闭合，其他离合器断开，电动机4a、4b电源断开，螺旋桨5a、5b由气体机1a驱动。

2)气体机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，离合器全部闭合，螺旋桨5a、5b由气体机1a、1b、1c发出的一部分功率共同驱动，另一部分功率用来带动发电机8发电，所发电能汇入船舶电网12；或者，离合器2a、2b、2c、2e、2f、2g、2h闭合，离合器2d断开，电动机4a、4b电源断开，螺旋桨5a、5b分别由气体机1b、1c发出的一部分功率驱动，另一部分功率用来带动发电机8发电，所发电能汇入船舶电网12；或者，离合器2b、2c、2d、2e、2f、2h闭合，其他离合器断开，电动机4a、4b电源断开，螺旋桨5a、5b由气体机1a发出的一部分功率驱动，另一部分功率用来带动发电机8发电，所发电能汇入船舶电网12；或者，离合器2c、2f断开，其他离合器闭合，螺旋桨5a、5b由气体机1b、1c驱动，发电机8由气体机1a单独带动，所发电能汇入船舶电网12。

2.电力推进模式

电力推进模式可分为：蓄电池推进模式、燃料电池推进模式、岸电充电模式。

1)蓄电池推进模式：在该种工作模式下，离合器2b、2h断开，螺旋桨5a、5b由电动机4a、4b驱动，电动机4a、4b所需电能由蓄电池15通过船舶电网12提供。

3)燃料电池推进模式：在该种工作模式下，离合器2b、2h断开，螺旋桨5a、5b由电动机4a、4b驱动，电动机4a、4b所需电能由燃料电池9通过船舶电网12提供。

2)岸电充电模式：在该种工作末下，船舶在港口和岸边停靠时，可通过岸电充电装置13外接电源为蓄电池15充电。

3.混合推进模式

混合推进模式可分为：气体机+电动机推进模式、气体机+电动机辅助发电推进模式。

1)气体机+电动机推进模式：在该种工作模式下，离合器2e断开，气体离合器全部闭合，电动机4a、4b电源接通，螺旋桨5a、5b由气体机1a、1b、1c和电动机4a、4b共同驱动，电动机4a、4b所需电能由船舶电网12提供；或者，离合器2e断开，气体离合器全部闭合，电动机4a(或者4b)电源接通，螺旋桨5a、5b由气体机1a、1b、1c和电动机4a(或者4b)共同驱动，电动机4a(或者4b)所需电能由船舶电网12提供；或者，离合器2a、2b、2g、2h闭合，其它离合器断开，电动机4a、4b电源接通，螺旋桨5a、5b由气体机1b、1c和电动机4a、4b共同驱动，电动机4a、4b所需电能由船舶电网12提供；或者，离合器2a、2b、2g、2h闭合，其它离合器断开，电动机4a(或者4b)电源接通，螺旋桨5a、5b由气体机1a、1b、1c和电动机4a(或者4b)共同驱动电动机4a(或者4b)所需电能由船舶电网12提供；或者，离合器2b、2c、2d、2f、2h接通，其它离合器断开，电动机4a、4b电源接通，螺旋桨5a、5b由气体机1a和电动机4a、4b共同驱动，电动机4a、4b所需电能由船舶电网12提供；或者，离合器2b、2c、2d、2f、2h接通，其它离合器断开，电动机4a(或者4b)电源接通，螺旋桨5a、5b由气体机1a和电动机4a(4b)共同驱动电动机4a(或者4b)所需电能由船舶电网12提供。

2)气体机+电动机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，所有离合器闭合，电动机4a、4b电源接通，气体机1a所发出的一部分功率带动发电机8发电，所发电能汇入船舶电网12，另一部分功率通过齿轮传递和气体机1b、1c电动机4a、4b共同驱动螺旋桨5a、5b，电动机4a、4b所需电能由船舶电网12提供；或者，离合器2d断开，其它离合器闭合，气体机1b、1c所发出的一部分功率和电动机4a、4b共同驱动螺旋桨5a、5b,气体机1b、1c所发出的另一部分功率带动发电机发电，所发电能汇入船舶电网12，电动机4a、4b所需电能由船舶电网12提供；或者，离合器2b、2c、2d、2e、2f、2h闭合，其它离合器断开，气体机1a所发出的一部分功率带动发电机8发电，所发电能汇入船电网12，气体机1a所发出的另一部分功率和电动机4a、4b共同带动螺旋桨5a、5b,电动机4a、4b所需电能由船舶电网12提供。

上述模式中：机械推进模式适用于船舶运行工况稳定的长时间巡航，或者对船舶排放和噪声要求不高的区域；电力推进模式适用于船舶靠岸或者离港时的低功率需求的情况，或者是航行在对船舶排放和噪声有较高要求的区域；混合推进模式适用于船舶对推进功率有一定需求时。

采用本发明提供的船舶混合动力系统可以不用布置发电用的船舶柴油辅机，船舶负载14所需要的电力由蓄电池15和燃料电池9提供，若发电机8运行时则优先使用其发出的电能，船舶负载14用电的优先级是：发电机8发电大于燃料电池9大于蓄电池15。