一种带电解槽的船舶气电混合动力系统

1.本发明涉及新能源技术领域，尤其是一种带电解槽的船舶气电混合动力系统。


背景技术：

2.天然气作为船舶发动机的燃料，其优点包括资源丰富、排放污染低、价格低廉等，与其他化石类燃料相比较而言，在开采、生产、储藏、运输、使用等全生命周期内产生的污染物排放量最少，但存在能量密度低等缺点。因此，纯电动船舶动力系统成为近年来研究的热点，与传统燃油船舶相比，纯电动船舶动力系统有着零排放、船型结构简单、传动效率更高、运营成本低等方面的优势，但也存在续航里程较短等问题。
3.综上，相关技术中存在的问题亟需得到解决。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种带电解槽的船舶气电混合动力系统。
5.本发明所采用的技术方案是：
6.一种带电解槽的船舶气电混合动力系统，其特征在于，包括天然气发动机、第一离合器、第二离合器、齿轮箱、可逆电机、发电驱动器、直流母线、磷酸铁锂电池、氢燃料电池、电解槽和天然气存储罐，其中，所述天然气发动机的第一输入端与所述天然气存储罐连接，所述天然气发动机的输出端通过所述第一离合器与所述齿轮箱连接，所述齿轮箱的第一输出端通过所述第二离合器与所述可逆电机连接，所述可逆电机与所述发电驱动器连接，所述发电驱动器与所述直流母线连接，所述直流母线与所述磷酸铁锂电池连接，所述天然气发动机的第二输入端与所述氢燃料电池，所述氢燃料电池与所述电解槽连接。
7.进一步地，所述系统还包括汽化器，所述汽化器的输入端与所述天然气存储罐连接，所述汽化器的输出端与所述天然气发动机的第一输入端连接，所述汽化器用于将液化天然气进行汽化。
8.进一步地，所述系统还包括岸电电源，所述岸电电源的输出端通过整流器与所述直流母线连接，所述岸电电源用于对所述磷酸铁锂电池进行充电。
9.进一步地，所述系统还包括第一直流变压器和第二直流变压器，所述直流母线与所述第一直流变压器连接，所述第一直流变压器与所述氢燃料电池连接，所述直流母线与所述第二直流变压器连接，所述第二直流变压器与所述电解槽连接。
10.进一步地，所述系统还包括尾气吸收装置，所述尾气吸收装置设置在所述天然气发动机的废气出气口处，所述尾气吸收装置用于处理尾气。
11.进一步地，所述系统还包括螺旋桨，所述螺旋桨与所述齿轮箱的第二输出端连接。
12.进一步地，所述系统还包括储能变流器，所述直流母线与所述储能变流器连接，所述储能变流器与所述磷酸铁锂电池连接。
13.进一步地，所述系统还包括发电驱动器，所述直流母线与所述发电驱动器连接，所
述发电驱动器与所述可逆电机连接。
14.进一步地，所述系统还包括氢气存储装置，所述氢气存储装置的第一输出端与所述天然气发动机的第二输入端连接，所述氢气存储装置的第二输出端与所述氢燃料电池连接，所述氢气存储装置的输入端与所述电解槽连接。
15.进一步地，所述可逆电机包括发电机工作模式和电动机工作模式。
16.本发明的有益效果是：一种带电解槽的船舶气电混合动力系统，包括天然气发动机、第一离合器、第二离合器、齿轮箱、可逆电机、发电驱动器、直流母线、磷酸铁锂电池、氢燃料电池、电解槽和天然气存储罐，通过天然气发动机作为机械动力系统，与电力动力系统进行结合，提高了发动机的功率，延长了发动机的续航里程。不仅如此，本发明一方面通过电解槽向天然气发动机提供氢气，改善了天然气燃烧速度慢、热值低等缺点，另一方面，采用了直流组网的方式，省去了配电板和部分变压器，使得动力系统的体积和重量大大降低。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
18.图1为本发明实施例提供的一种带电解槽的船舶气电混合动力系统的连接示意图。
具体实施方式
19.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
20.在本发明实施例的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数，“至少一个”是指一个或者多个，“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。如果有描述到“第一”、“第二”等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
21.需要说明的是，本发明实施例中设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明实施例中的具体含义。例如，术语“连接”可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。
22.在本发明实施例的描述中，参考术语“一个实施例/实施方式”、“另一实施例/实施方式”或“某些实施例/实施方式”、“在上述实施例/实施方式”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少两个实施例或实施方式中。在本公开中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的示实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式中以
合适的方式结合。
23.需要说明的是，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
24.随我国经济迅速发展，能源需求和空气污染问题日益受到关注。动力系统的经济性、排放性以及动力装置的要求不断提高。一般来说，会采用天然气作为船舶发动机的燃料，天然气有着资源丰富、排放污染低、价格低廉等优点，其燃烧后基本没有微粒排放，并且燃烧后的co生成量也很少，与其他化石类燃料相比较而言，天然气虽然在开采、生产、储藏、运输、使用等全生命周期内产生的污染物排放量最少，但存在能量密度低等缺点。因此，以天然气发动机作为船舶唯一动力源的动力系统有着能量密度低，动态响应速度较慢，低速运行时能耗和排放较高等缺点。而纯电动船舶动力系统与传统燃油船舶相比有着零排放、船型结构简单、传动效率更高、运营成本低等方面的优势，但也存在动力性较差、续航能力较弱等问题。
25.参照图1，为此，本技术提出了一种带电解槽的船舶气电混合动力系统，包括天然气发动机1、第一离合器2a、第二离合器2b、齿轮箱3、可逆电机5、发电驱动器6、直流母线7、磷酸铁锂电池9、氢燃料电池12、电解槽14和天然气存储罐17，其中，所述天然气发动机1 的第一输入端与所述天然气存储罐17连接，所述天然气发动机17的输出端通过所述第一离合器2a与所述齿轮箱3连接，所述齿轮箱3的第一输出端通过所述第二离合器2b与所述可逆电机5连接，所述可逆电机5与所述发电驱动器6连接，所述发电驱动器6与所述直流母线7连接，所述直流母线7与所述磷酸铁锂电池9连接，所述天然气发动机1的第二输入端与所述氢燃料电池12，所述氢燃料电池12与所述电解槽14连接。
26.本实施例通过天然气发动机作为机械动力系统，与电力动力系统进行结合，解决了发动机功率不足，续航里程短的问题。不仅如此，本发明一方面通过电解槽向天然气发动机提供氢气，改善了天然气燃烧速度慢、热值低等缺点，另一方面，采用了直流组网的方式，省去了配电板和部分变压器，使得动力系统的体积和重量大大降低。
27.参照图1，进一步作为可选的实施方式，动力系统还包括汽化器18，所述汽化器的输入端与所述天然气存储罐连接，所述汽化器的输出端与所述天然气发动机的第一输入端连接，所述汽化器用于将液化天然气进行汽化。
28.具体地，在天然气存储罐17处设置汽化器18，当天然气发动机1需要使用天然气的时候，则控制设置在天然气存储罐17输出端处的阀门打开，通过汽化器18将液化天然气进行汽化。如果直接使用液态天然气作为燃料，其过低的温度会导致系统无法正常进行工作。
29.汽化器是将液体加热直到汽化(变成气体)的设备。简单的说，就是冰冷的液态气体通过汽化器之后，就变成气态的气体了。加热可以是间接的(蒸气加热式汽化器，热水水浴式汽化器，自然通风空浴式汽化器，强制通风式汽化器，电加热式汽化器，固体导热式汽化器或传热流体)，也可以是直接的(热气或浸没燃烧)。一般来说，天然气为了方便保存和使用，会制备成液态天然气。液化天然气是天然气经压缩、冷却至其凝点(-161.5℃)温度后变成液体，通常液化天然气储存在-161.5摄氏度、0.1mpa左右的低温储存罐内。因此，使用时重新汽化。
30.参照图1，进一步作为可选的实施方式，动力系统还包括岸电电源10，所述岸电电源的输出端通过整流器与所述直流母线连接，所述岸电电源用于对所述磷酸铁锂电池进行
充电。
31.具体地，岸电电源10通过整流器11与直流母线7相连，在船舶靠岸时，岸电电源10可通过整流器11、直流母线7、储能变流器8的回路对磷酸铁锂电池9进行充电。
32.岸电电源，即岸用变频电源，又称为电子静止式岸电电源。它是专门针对船上、岸边码头等高温、高湿、高腐蚀性、大负荷冲击等恶劣使用环境而特别设计制造的大功率变频电源设备。所有pcb电路板采用涂层固化处理；正弦滤波器、输出变压器采用整体真空浸渍绝缘漆和喷涂高温防护漆处理，具有较高的绝缘级别和防护能力；完全符合中国船级社ccs的船用产品认证标准。广泛应用于船上、船舶制造及修理厂、远洋钻井平台、岸边码头等需要由50hz工业用电变为60hz高质量稳频稳压电源，对船舶用电设备进行供电的场合。
33.参照图1，进一步作为可选的实施方式，动力系统还包括第一直流变压器和第二直流变压器，所述直流母线与所述第一直流变压器连接，所述第一直流变压器与所述氢燃料电池连接，所述直流母线与所述第二直流变压器连接，所述第二直流变压器与所述电解槽连接。
34.具体地，在直流母线7和氢燃料电池12之间设置第一直流变压器13a，在直流母线7和电解槽14之间设置第二直流变压器13b。氢燃料电池12可以通过第一直流变压器13a获取直流母线7上的电能，电解槽14可以通过第二直流变压器13b获取直流母线7上的电能。
35.直流变压器有两种基本类型，即输出稳压的dc-dc变换器和输出电压随输入调节的“直流变压器”。直流变压器和交流变压器类似，将一种直流电压变换成另一种或多种直流电压；通过高频斩波、变压器隔离、高频整流来实现一种直流电压到与之成正比的另一种或多种直流电压的变换，可用于功率传输和电压检测等场合。
36.参照图1，进一步作为可选的实施方式，动力系统还包括尾气吸收装置，所述尾气吸收装置设置在所述天然气发动机的废气出气口处，所述尾气吸收装置用于处理尾气。
37.具体地，尾气处理装置设置在天然气发动机的废弃出气口处(图中未标出)，将天然气发动机1产生的废气进行净化处理。尾气处理装置是在催化剂的作用下使尾气得到净化，以减轻对环境的污染的装置。当高温废气流经涂有贵金属材料制成的催化剂的载体时，废气中的有害物质(包括co，hc臭味，dpm黑烟)在催化剂和温度的作用下发生化学反应，转化为无毒的h2o和co2。
38.通过在废气出气口设置尾气处理装置能够去除废气中的有毒有害物质及烟尘，使其处理后达标排放，减少大气污染。
39.参照图1，进一步作为可选的实施方式，动力所述系统还包括螺旋桨，所述螺旋桨与所述齿轮箱的第二输出端连接。
40.具体地，螺旋桨4与齿轮箱3的第二输出端连接，通过天然气发动机1带动齿轮箱3运动，进而带动螺旋桨4进行运动。
41.参照图1，进一步作为可选的实施方式，动力系统还包括储能变流器，所述直流母线与所述储能变流器连接，所述储能变流器与所述磷酸铁锂电池连接。
42.具体地，磷酸铁锂电池9通过储能变流器8与直流母线7连接，储能变流器8一方面可以将磷酸铁锂电池9中的电能传输至直流母线7中，以满足其他用电设备的供电需求，另一方面可以通过获取直流母线7中的电能，为磷酸铁锂电池9进行充电。
43.储能变流器(power conversion system)可控制蓄电池的充电和放电过程，进行
交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。pcs由dc/ac双向变流器、控制单元等构成。pcs控制器通过通讯接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。pcs控制器通过can接口与bms 通讯，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。
44.参照图1，进一步作为可选的实施方式，动力系统还包括发电驱动器，所述直流母线与所述发电驱动器连接，所述发电驱动器与所述可逆电机连接。
45.参照图1，进一步作为可选的实施方式，可逆电机包括发电机工作模式和电动机工作模式。
46.具体地，可逆电机5通过发电驱动器6与直流母线7连接,发电驱动器6既可以将电网中的电能提供给处于工作模式的可逆电机5，又可以将可逆电机5发电机模式下产生的电能输送至电网。
47.参照图1，进一步作为可选的实施方式，动力系统还包括氢气存储装置，所述氢气存储装置的第一输出端与所述天然气发动机的第二输入端连接，所述氢气存储装置的第二输出端与所述氢燃料电池连接，所述氢气存储装置的输入端与所述电解槽连接。
48.具体地，氢气存储装置16的输入端与电解槽14的输出端连接，用于缓存电解槽14产生的氢气，当电解槽14开始产生氢气时，打开阀门15a，使氢气输送至氢气存储装置16中进行缓存。氢气存储装置16的第一输出端与天然气发动机1连接，当天然气发动机1需要氢气时，打开阀门15b，将氢气存储装置16中的氢气输送至天然发动机1中。氢气存储装置16 的第二输出端与氢燃料电池12连接，氢燃料电池12需要氢气时，打开阀门15c，将氢气存储装置16中的氢气输送至氢燃料电池12中。
49.该船舶气电混合动力系统可实现4种推进模式，下面结合附图对4种推进模式的工作原理进行说明。
50.参照图1，模式一为纯机械推进模式，此模式下天然气发动机1和齿轮箱3间的离合器 2a接排，齿轮箱3和可逆电机5间的离合器2b脱排，单向阀15d打开，天然气存储罐17中的液化天然气经汽化器18汽化后输送至天然气发动机1，天然气发动机1运行，螺旋桨4由天然气发动机1单独推进。电解槽14在此模式下运行，其所需电能可由磷酸铁锂电池9经双向变流器8、直流母线7、直流变压器13b的电路回路提供，也可由氢燃料电池12经直流变压器13a、直流母线7、直流变压器13b的电路回路提供，电解槽14电解水产生的氢气经过单向阀15a储存在氢气存储及供给装置16中，氢气存储及供给装置16中的氢气经单向阀15b 后输送至天然气发动机1，天然气发动机1掺氢燃烧，也可经单向阀15c后输送至氢燃料电池12。
51.模式二为纯电力推进模式，此模式下天然气发动机1和和齿轮箱3间的离合器脱排，齿轮箱3和可逆电机5间的离合器2b接排，可逆电机5为电动机模式，其运行所需的电能由磷酸铁锂电池9经双向变流器8、直流母线7、发电驱动器6提供或由氢燃料电池12经直流变压器13a、直流母线7、发电驱动器6提供，螺旋桨4由可逆电机5单独驱动。电解槽14在此模式下运行，其所需电能可由磷酸铁锂电池9经双向变流器8、直流母线7、直流变压器 13b提供，也可由氢燃料电池12经直流变压器13a、直流母线7、直流变压器13b提供，电解槽14电解水产生的氢气经过单向阀15a储存在氢气存储及供给装置16中，氢气存储及供给装置16中的氢气经单向阀15c后输送至氢燃料电池12。
52.模式三为混合推进模式，此模式下天然气发动机1和齿轮箱3间的离合器2a接排，
齿轮箱3和可逆电机5间的离合器2b接排，单向阀15d打开，天然气存储罐17中的液化天然气经汽化器18汽化后输送至天然气发动机1使发动机运行，天然气发动机1产生的尾气由尾气分级处理装置处理。可逆电机5为电动机模式，其运行所需的电能由磷酸铁锂电池9经双向变流器8、直流母线7、发电驱动器6提供或由氢燃料电池12经直流变压器13a、直流母线7、发电驱动器6提供，螺旋桨4由天然气发动机1和可逆电机5并车驱动。电解槽14在此模式下运行，其所需电能可由磷酸铁锂电池9经双向变流器8、直流母线7、直流变压器13b提供，也可由氢燃料电池12经直流变压器13a、直流母线7、直流变压器13b提供，电解槽14电解水产生的氢气经过单向阀15a储存在氢气存储及供给装置16中，氢气存储及供给装置16中的氢气经单向阀15b后输送至天然气发动机1，天然气发动机1掺氢燃烧，也可经单向阀15c 后输送至氢燃料电池12。
53.模式四为天然气发动机1推进辅助充电模式，此模式下天然气发动机1和齿轮箱3间的离合器2a接排，齿轮箱3和可逆电机5间的离合器2b接排，单向阀15d打开，天然气存储罐17中的液化天然气经汽化器18汽化后输送至天然气发动机1使发动机运行，可逆电机5 为发电机模式，天然气发动机1同时带动螺旋桨4和可逆电机5转动，可逆电机5产生的电能经发电驱动器6、直流母线7、双向变流器8给磷酸铁锂电池9充电。电解槽14在此模式下运行，其所需电能可由磷酸铁锂电池9经双向变流器8、直流母线7、直流变压器13b提供，也可由氢燃料电池12经直流变压器13a、直流母线7、直流变压器13b提供，电解槽14电解水产生的氢气经过单向阀15a储存在氢气存储及供给装置16中，氢气存储及供给装置16中的氢气经单向阀15b后输送至天然气发动机1，天然气发动机1掺氢燃烧，也可经单向阀15c 后输送至氢燃料电池12。
54.可以理解的是，与现有技术相比，本发明实施例还具有以下优点：
55.1)本发明一种带电解槽的船舶气电混合动力系统，通过结合机械动力系统和电力动力系统，可以解决以天然气发动机为唯一动力源的纯机械船舶动力系统动态响应较差，低速运行区间油耗和排放较高的问题，也可以解决纯电力船舶动力系统续航里程较短，动力性较差的问题。
56.2)本发明中的电解槽可为天然气发动机提供氢气，改善了天然气燃烧速度慢，热值低的缺点；与交流组网方式相比，本系统中的直流组网方式省去了配电板和部分变压器，整体系统的体积和重量都会大大降低。
57.3)通过发电驱动器及直流组网系统中的储能变流器可以使可逆电机处于电动机模式或发电机模式，减少了系统中电机的数量。
58.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
59.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
60.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
61.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
62.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
63.以上对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。