一种带复合储能的双机三浆式船舶混合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。复合储能克服了燃料电池电能质量不高，蓄电池寿命短的缺点，提高了船舶电网电能质量，改善了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带复合储能的双机三浆式船舶混合动力系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种带复合储能的双机三浆式船舶混合动力系统，其特征是：包括第一气体机、第二气体机、齿轮箱、lng储液罐，所述齿轮箱包括第一-第四齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合，第三齿轮与第四齿轮啮合，第一气体机通过第一离合器连接第一齿轮，第二气体机同构第二离合器连接第四齿轮，第二齿轮与第三齿轮通过第三离合器相连，发电机通过第四离合器连接第四齿轮，螺旋桨连接第二齿轮，lng储液罐通过气化换热装置分别连接第一气体机、第二气体机、燃料电池，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器连接船舶电网，超级电容、蓄电池、燃料电池和发电机分别通过各自的变电装置连接船舶电网，岸电装置和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：第一离合器、第二离合器、第三离合器闭合，第四离合器断开，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器电源断开，第一气体机、第二气体机并车共同驱动螺旋桨；或者，第一离合器闭合，其它离合器断开，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器电源断开，螺旋桨由第一气体机驱动；或者，第二离合器闭合，第三离合器闭合，其它离合器断开，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器电源断开，螺旋桨由第二气体机驱动；

气体机辅助发电推进模式：所有离合器闭合，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器电源断开，发电机处于工作状态，所发电能汇入船舶电网，第一气体机、第二气体机并车共同驱动螺旋桨；或者，第二离合器断开，其它离合器闭合，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器电源断开，螺旋桨由第一气体机驱动，发电机处于工作状态，发电机所发电能汇入船舶电网；或者，第一离合器断开，其它离合器断开，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器电源断开，螺旋桨由第二气体机驱动，发电机处于工作状态，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、超级电容推进模式、燃料电池推进模式、气体机发电推进模式、混合供电推进模式、岸电充电模式；

蓄电池推进模式：第一吊舱推进器、第二吊舱推进器处于工作模式，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器所需电能由蓄电池通过船舶电网提供；

超级电容推进模式：第一吊舱推进器、第二吊舱推进器处于工作模式，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器所需电能由超级电容通过船舶电网提供；

燃料电池推进模式：第一吊舱推进器、第二吊舱推进器处于工作模式，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器所需电能由燃料电池通过船舶电网提供；

气体机发电推进模式：第一吊舱推进器、第二吊舱推进器处于工作模式，第一离合器、第三离合器、第四离合器闭合，第二离合器断开，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器所需电能由第一气体机带动发电机发电通过船舶电网提供；或者，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器处于工作模式，第二离合器、第四离合器闭合，其它离合器断开，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器所需电能由第二气体机带动发电机发电通过船舶电网提供；或者，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器处于工作模式，所有离合器闭合，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器所需电能由第一气体机、第二气体机并车共同带动发电机发电通过船舶电网提供；

混合供电推进模式：第一吊舱推进器、第二吊舱推进器处于工作模式，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器所需电能由蓄电池、燃料电池、超级电容和发电机两个及以上的组合通过船舶电网提供；

岸电充电模式：船舶靠岸停泊时，岸电装置外接电源为蓄电池充电和超级电容充电。

3、采用混合推进模式，所述混合推进模式包括气体机+吊舱推进模式、气体机+吊舱辅助发电推进模式；

气体机+吊舱推进模式：第一吊舱推进器、第二吊舱推进器处于工作状态，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器所需电能由船舶电网提供，第一离合器闭合，其他离合器断开，螺旋桨由第一气体机驱动；或者，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器处于工作状态，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器所需电能由船舶电网提供，第二离合器闭合，第三离合器闭合，其他离合器断开，螺旋桨由第二气体机驱动；第一吊舱推进器、第二吊舱推进器处于工作状态，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器所需电能由船舶电网提供，第四离合器断开，其它离合器闭合，螺旋桨由第一气体机、第二气体机驱动；

气体机+吊舱辅助发电推进模式：第一吊舱推进器、第二吊舱推进器处于工作状态，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器所需电力由船舶电网提供，所有离合器闭合，发电机处于工作状态，所发电能汇入船舶电网，螺旋桨由第一气体机、第二气体机并车共同驱动；或者，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器处于工作状态，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器所需电力由船舶电网提供，第二离合器断开，其它离合器闭合，发电机处于工作状态，发电机所发电能汇入船舶电网，螺旋桨由第一气体机带动；或者，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器处于工作状态，第一吊舱推进器、第二吊舱推进器所需电力由船舶电网提供，第一离合器断开，其它离合器闭合，发电机处于工作状态，发电机所发电能汇入船舶电网，螺旋桨由第二气体机驱动。

本发明的优势在于：

本发明提出一种带复合储能的气电混联式船舶混合动力系统，设置有气体机、发电机、电动机，功率覆盖范围广，可以满足船舶在各种工况下的动力需求，并能使气体机和电机更好的工作在高效率区，从而降低了发动机的燃料消耗，提高了船舶的经济性和排放性，同时有效改善了船舶航行时的动力响应，提升了船舶的加减速性能和倒船性能。

多种动力源的布置方案提高了船舶的可靠性和适用性，通过各个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，有效提高了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。

蓄电池具有调峰填谷功能，可以均衡船舶负载。电池在需要高功率的时段提供电力，并在需要较少的电力时进行充电，可以保证发动机高效运行并降低装机功率。电池可以从陆地电网充电，这样能减少燃料消耗和排放，而且蓄电池可以在柴油发电机发生故障时提供备用电源，然而系统采用单一蓄电池供电，在运行过程中会经常出现功率大幅波动的情况，此时单一蓄电池难以满足性能要求并且存在寿命缩短的问题。

超级电容具有因具有充放电快、功率大的特点，可应用于电动机启动、加速过程中的能量快速释放。在船舶电网或配电网的电力调节中，可将超级电容器作为储能装置用于动态电压补偿系统，稳定电能质量，对于船舶电网的安全、经济运行以及降低能耗等方面均有重要意义。

燃料电池具有排放低、噪声小、低振动、能量效率高等优点，然而，燃料电池动态特性差，功率的快速波动会严重影响自身的使用寿命，并且造成母线电压波动，降低电能质量。

本系统提供的带有复合储能的船舶混合动力系统，克服了燃料电池瞬态特性差、蓄电池功率密度低、超级电容能量密度低的缺点，复合储能达到了理想的配置，是燃料电池承担功率需求的平稳部分，由超级电容与磷酸铁锂电池组合成的复合储能系统承担功率需求的波动部分；船舶可以不用安装发电用的柴油辅机，船舶负载的电力供给可主要由燃料电池和轴带电机代替，紧急情况还可使用蓄电池代替，故可有效节省船舱空间以及减少一定的初期投入。

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，本发明一种带超级电容的三机双桨式船舶混合动力系统，包括船舶电网1、超级电容变电装置2、超级电容3、蓄电池变电装置4、蓄电池5、船舶负载6、岸电装置7、lng罐8、燃料电池变电装置9、发电机变电装置10、lng气化换热装置11、燃料电池12、气体机13a、13b、离合器14a、14b、14c、14d、吊舱推进器15a、15b、齿轮箱16、螺旋桨17、发电机18。气体机13a、13b通过离合器14a、14b与齿轮箱16输入端相连，螺旋桨17和发电机18与齿轮箱16输出端相连，lng储液罐8通过气化换热装置11与气体机13a、13b相连，吊舱推进器15a、15b与船舶电网1相连，超级电容3、蓄电池5、燃料电池12和发电机18分别通过变电装置2、4、9、10与船舶电网1相连，岸电装置7和船舶负载6与船舶电网1相连。

本实施例中，气体机13a、13b优选天然气发动机或双燃料发动机，发电机8和吊舱推进电机15a、15b优选具有高效率、高功率密度、寿命长等优点永磁电机，超级电容3为双电层电容器、赝电容或者混合型电容器，蓄电池5优选成本低、可靠性好的铅酸蓄电池或功率密度高、体积重量小的锂离子电池，燃料电池12为熔融碳酸盐型燃料电池或固体氧化物型燃料电池或磷酸型燃料电池。lng气化换热装置11优选具有多级冷能换热的耐超低温换热器，同时需要耐超低温冷媒。

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。

气体机推进模式：在该种工作模式下，气体机13a、13b与齿轮箱16间的离合器14a、14b闭合，齿轮箱16内部离合器14c闭合，发电机18与齿轮箱16间的离合器14d断开，吊舱推进器15a、15b电源断开，气体机13a、13b并车共同驱动螺旋桨17；或者，气体机13a与齿轮箱16间的离合器14a闭合，其它离合器断开，吊舱推进器15a、15b电源断开，螺旋桨17由气体机13a驱动；或者，气体机13b与齿轮箱16间的离合器14b闭合，齿轮箱16内部离合器14c闭合，其它离合器断开，吊舱推进器15a、15b电源断开，螺旋桨17由气体机13b驱动。

气体机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，所有离合器闭合，吊舱推进器15a、15b电源断开，发电机18处于工作状态，所发电能汇入船舶电网1，气体机13a、13b并车共同驱动螺旋桨17；或者，气体机13b与齿轮箱16间的离合器14b断开，其它离合器闭合，吊舱推进器15a、15b电源断开，螺旋桨17由气体机13a驱动，发电机18处于工作状态，发电机18所发电能汇入船舶电网1；或者，气体机13a与齿轮箱16间的离合器14a断开，其它离合器断开，吊舱推进器15a、15b电源断开，螺旋桨17由气体机13b驱动，发电机18处于工作状态，所发电能汇入船舶电网1。

2.电力推进模式

电力推进模式可分为：蓄电池推进模式、超级电容推进模式、燃料电池推进模式、气体机发电推进模式、混合供电推进模式、岸电充电模式。

(1)蓄电池推进模式：在该种工作模式下，吊舱推进器15a、15b处于工作模式，吊舱推进器15a、15b所需电能由蓄电池5通过船舶电网1提供。

(2)超级电容推进模式：在该种工作模式下，吊舱推进器15a、15b处于工作模式，吊舱推进器15a、15b所需电能由超级电容3通过船舶电网1提供。

(3)燃料电池推进模式：在该种工作模式下，吊舱推进器15a、15b处于工作模式，吊舱推进器15a、15b所需电能由燃料电池12通过船舶电网1提供。

(4)气体机发电推进模式：在该种工作模式下，吊舱推进器15a、15b处于工作模式，离合器14a、14c、14d闭合，其它离合器断开，吊舱推进器15a、15b所需电能由气体机13a带动发电机18发电通过船舶电网1提供；或者，吊舱推进器15a、15b处于工作模式，离合器14b、14d闭合，其它离合器断开，吊舱推进器15a、15b所需电能由气体机13b带动发电机18发电通过船舶电网1提供；或者，吊舱推进器15a、15b处于工作模式，离合器14a、14b、14c、14d闭合，吊舱推进器所需电能由气体机13a、13b并车共同带动发电机18发电通过船舶电网1提供。

(5)混合供电推进模式：在该种工作模式下，吊舱推进器15a、15b处于工作模式，吊舱推进器15a、15b所需电能由蓄电池5、燃料电池12、超级电容3和发电机18两个及以上的组合通过船舶电网1提供。

(6)岸电充电模式：在该种工作模式下，船舶靠岸停泊时，岸电装置7外接电源为蓄电池5充电和超级电容3充电。

3.混合推进模式

混合推进模式可分为：气体机+吊舱推进模式、气体机+吊舱辅助发电推进模式。

气体机+吊舱推进模式：在该种工作模式下，吊舱推进器15a、15b处于工作状态，吊舱推进器15a、15b所需电能由船舶电网1提供，气体机13a与齿轮箱16间的离合器14a闭合，其他离合器断开，螺旋桨17由气体机13a驱动；或者，吊舱推进器15a、15b处于工作状态，吊舱推进器15a、15b所需电能由船舶电网1提供，气体机13b与齿轮箱16间的离合器14b闭合，齿轮箱16内部的离合器14c闭合，其他离合器断开，螺旋桨17由气体机13b驱动；吊舱推进器15a、15b处于工作状态，吊舱推进器15a、15b所需电能由船舶电网1提供，发电机18与齿轮箱16间的离合器14d断开，其它离合器闭合，螺旋桨17由气体机13a、13b驱动。

气体机+吊舱辅助发电推进模式：在该种工作模式下，吊舱推进器15a、15b处于工作状态，吊舱推进器15a、15b所需电力由船舶电网1提供，所有离合器闭合，发电机18处于工作状态，所发电能汇入船舶电网1，螺旋桨17由气体机13a、13b并车共同驱动；或者，吊舱推进器15a、15b处于工作状态，吊舱推进器15a、15b所需电力由船舶电网1提供，气体机13b与齿轮箱16间的离合器14b断开，其它离合器闭合，发电机18处于工作状态，发电机18所发电能汇入船舶电网1，螺旋桨17由气体机13a带动；或者，吊舱推进器15a、15b处于工作状态，吊舱推进器15a、15b所需电力由船舶电网1提供，气体机13a与齿轮箱16间的离合器14a断开，其它离合器闭合，发电机18处于工作状态，发电机18所发电能汇入船舶电网1，螺旋桨17由气体机13b驱动。

机械推进模式适用于当船舶离开港口或码头后，进入海域稳定航行时，以及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进出港口或码头，船舶加减速、倒船、靠岸，以及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或航速有一定需求时。

燃料电池具有效率高和零排放等优点，但瞬态特性差；磷酸铁锂电池具有性能稳定安全和能量密度较高等优点，但是功率密度较低；超级电容功率密度较高，功率密度大，能量密度低。因此，理想的功率配置是燃料电池承担功率需求的平稳部分，由超级电容与磷酸铁锂电池组合成的复合储能系统承担功率需求的波动部分。

采用本发明提供的带复合储能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6所需要的电力主要由燃料电池12提供，发电机18工作在发电机模式发电时也可提供部分电力，在发电机18工作的情况下给吊舱推进器15a、15b和船舶负载6供电的优先级为：发电机18大于燃料电池12大于超级电容3大于蓄电池5。