一种基于燃料电池的船舶电力推进系统以及控制系统

本发明涉及船舶推进，具体涉及一种基于燃料电池的船舶电力推进系统以及控制系统。

背景技术：

1、近年来，能源与环境的危机逐渐成为左右世界经济发展最重要的问题。传统船舶航行主要是依靠船用柴油机提供动力，从而加剧资源枯竭以及生态环境的恶化，而新型船舶电力推进系统以其高机动性，低污染性等优点得到快速发展。

2、以动力电池作为船舶电力推进系统主动力源的内河中小型船舶，主要的船舶动力来源是需要依靠船舶停泊，由码头岸电对动力电池进行充电来存储能源，并采用燃油发动机作为备用动力来维持船舶航行。但内河船舶一般靠泊时间不长，大约3到4小时，而连接和断开连接岸电的操作却比较耗时和繁琐，经济效益和社会效益都不明显；并且以燃油发动机作为备用电源没有完全摆脱传统船舶行业的天然缺陷，未从源头上解决问题，适合于船舶行业变革下暂时性的缓冲。

3、随着船舶动力系统的能源转型，以燃料电池为主动力源的全电力推进船舶，由于其绿色、高效等特点，成为取代以柴油机发电的一种炙手可热的新型技术。当燃料电池作为船舶航行时的唯一动力源时，由于燃料电池输出特性较软，动态响应时间慢，无法满足船舶启停，加减速和进出港口等状态的瞬时大功率消耗。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于燃料电池的船舶电力推进系统以及控制系统，以解决船舶利用燃料电池作为航行时的唯一动力源，动态响应时间慢，无法满足船舶瞬时大功率消耗和低温启动的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种基于燃料电池的船舶电力推进系统，该系统包括：直流变换器、燃料电池子系统和复合储能子系统；

3、燃料电池子系统包括燃料电池电堆，复合储能子系统包括锂电池和超级电容；燃料电池电堆、锂电池和超级电容均通过直流变换器连接外部船舶负载；

4、直流变换器将燃料电池电堆、锂电池和超级电容的电能进行稳压限流后为外部船舶负载供电。

5、本发明提供的基于燃料电池的船舶电力推进系统，燃料电池电堆连接直流变换器，直流变换器具备稳压限流功能，可将燃料电池的输出电压稳定在母线电压，燃料电池电堆可作为船舶电力推进的主动力源，复合储能子系统中的锂电池和超级电容连接直流变换器，锂电池作为备用和启动电源，可通过直流变换器实现充放电控制。超级电容作为补偿电源，配备直流变换器，具备快速充放电和调峰功能。复合储能子系统中的锂电池和超级电容具备良好的瞬态响应能力，保证对外提供稳定可靠的能源，同时解决了船舶利用燃料电池作为航行时的唯一动力源，动态响应时间慢，无法满足船舶瞬时大功率消耗和低温启动的问题。

6、在一种可选的实施方式中，燃料电池子系统还包括水热管理装置、氢气供应装置和氧气供应装置，氢气供应装置连接燃料电池电堆的阳极进气口，氧气供应装置连接燃料电池电堆的阴极进气口和水热管理装置。

7、本发明提供的基于燃料电池的船舶电力推进系统，采用氢气供应装置和氧气供应装置对燃料电池电堆进行供氢和供氧，使得燃料电池电堆内部气体压力保持在一个适宜范围，提高其能量转化效率；水热管理系统实现了燃料电池电堆的水热循环，避免燃料电池内部温度过高造成质子交换膜发生脱水现象，而减少其有效活化面积，也是维持中高功率下燃料电池电堆稳定工作的必要条件之一。

8、在一种可选的实施方式中，氢气供应装置包括氢气循环罐、储氢罐、第一稳压限流阀和第一加湿器；

9、氢气循环罐和储氢罐通过氢气管路连接第一加湿器的第一端，第一加湿器的第二端通过氢气管路连接第一稳压限流阀的一端，第一稳压限流阀的另一端通过氢气管路连接燃料电池电堆的阳极进气口。

10、在一种可选的实施方式中，氢气供应装置还包括电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第一流量控制器、第一储水器、第二流量控制器、第二稳压限流阀、湿度传感器、第一气液分离器、第一散热器、氢气循环泵、过滤器、三通阀和截止阀；

11、电磁阀和第一压力传感器依次设置在储氢罐与第一加湿器之间的氢气管路上，第一流量控制器设置在第一加湿器与第一稳压限流阀之间的氢气管路上，湿度传感器设置在第一稳压限流阀与燃料电池电堆的阳极进气口之间的氢气管路上；

12、第一储水器的一端通过氢气管路连接第一加湿器的第三端，第一储水器的另一端通过水热管路连接第一气液分离器的第一端，第一气液分离器的第二端通过水热管路连接第一散热器的一端，第一散热器的另一端通过水热管路连接燃料电池电堆的阳极出气口，第一气液分离器的第三端通过氢气管路连接氢气循环泵的一端，氢气循环泵的另一端通过氢气管路连接第二稳压限流阀的一端，第二稳压限流阀的另一端通过氢气管路连接过滤器的一端，过滤器的另一端通过氢气管路连接氢气循环罐；

13、第二压力传感器设置在氢气循环泵与第二稳压限流阀之间的氢气管路上；所述截止阀和第二流量控制器依次设置在过滤器与氢气循环罐之间的氢气管路上，三通阀设置在氢气循环罐的出气口处。

14、本发明提供的基于燃料电池的船舶电力推进系统，通过氢气供应装置中的各部件的连接关系，由低温吸附储氢罐向燃料电池阳极输送氢气，经过电磁阀、第一稳压限流阀、第一加湿器、流量控制器和湿度传感器调节到所需要的压力和湿度后参与反应，实现了对储氢罐中输出的氢气的增湿，并调节压力和流速后进入燃料电池电堆的阳极，确保燃料电池系统的稳定性和高效性；反应剩余氢气经过第一散热器降温后由气液分离器除去氢气中多余水蒸汽后，经过氢气循环泵和稳压限流阀回流到储氢罐中进行回收利用，避免了氢气浪费。

15、在一种可选的实施方式中，氧气供应装置包括空气过滤器、空气压缩机、第三稳压限流阀和第二加湿器；

16、空气过滤器通过空气管路连接空气压缩机的输入端，空气压缩机的输出端通过空气管路连接第二加湿器的一端，第二加湿器的另一端通过空气管路连接第三稳压限流阀的一端，第三稳压限流阀的另一端通过空气管路连接燃料电池电堆的阴极进气口；

17、外界空气进入空气过滤器净化后进入空气压缩机进行压缩，压缩后的空气进入第二加湿器进行温湿度调节后经过第三稳压限流阀从燃料电池电堆的阴极进气口进入燃料电池电堆。

18、本发明提供的基于燃料电池的船舶电力推进系统，其空气供应装置首先通过进气口采集新鲜空气，再进入空气过滤器对采集到的新鲜空气进行净化除杂，再经由空气压缩机将纯净空气压缩到所需高压水平，以便在燃料电池内部的有限空间提供足够氧气；压缩后的空气分别进入中冷器和第二加湿器进行温湿度调节，增湿后的湿空气最终从燃料电池电堆的阴极进气口进入燃料电池电堆参与氢氧化学反应。

19、在一种可选的实施方式中，水热管理装置包括冷却循环水箱、第二散热器、第二气液分离器和冷却水泵；

20、冷却循环水箱的第一端通过水热管路连接冷却水泵的一端，冷却水泵的另一端通过水热管路连接燃料电池电堆的进水口，第二散热器一端连接燃料电池电堆的阴极排水口，第二散热器的另一端连接第二气液分离器的第一端，第二气液分离器的第二端连接冷却循环水箱的第二端；

21、当燃料电池电堆正常工作时，冷却循环水箱中的冷却水流经冷却水泵后通过燃料电池电堆的进水口进入燃料电池电堆，并与燃料电池电堆进行热量转换后形成高温水，高温水从阴极排水口排出并流入第二散热器进行降温后经过第二气液分离器后返回至冷却循环水箱。

22、本发明提供的基于燃料电池的船舶电力推进系统，其水热管理装置在燃料电池电堆的稳定运行过程中，将燃料电池膜电极的含水量和工作温度稳定控制在合理范围，降低了燃料电池内部的不可逆损失电压，最大程度提高燃料电池的电化学反应效率，并且可以有效地从燃料电池电堆产生的余热中回收能量，提高系统的热效率，减少系统的总能耗。

23、在一种可选的实施方式中，氧气供应装置还包括水过滤器和第二储水器，水过滤器的一端连接第二储水器的一端，水过滤的另一端连接第二气液分离器的第三端，水过滤器还包括排出空气的排气口。

24、本发明提供的基于燃料电池的船舶电力推进系统，反应后的剩余湿热空气经过气液分离器和空气过滤器后直接排入大气，实现了空气循环利用。

25、在一种可选的实施方式中，锂电池和超级电容并联。

26、在一种可选的实施方式中，直流变换器包括单向dc/dc变换器、第一双向dc/dc变换器和第二双向dc/dc变换器；

27、单向dc/dc变换器连接燃料电池电堆，第一双向dc/dc变换器连接锂电池，第二双向dc/dc变换器连接超级电容。

28、在一种可选的实施方式中，该系统还包括直流母线，单向dc/dc变换器、第一双向dc/dc变换器和第二双向dc/dc变换器均连接直流母线，直流母线连接外部船舶负载。

29、本发明提供的基于燃料电池的船舶电力推进系统，燃料电池电堆与直流母线之间通过单向dc/dc变换器相连接，燃料电池电堆输出的电压升高至直流母线电压，为船舶负载进行供电，通过在锂电池、超级电容与直流母线之间设置第一双向dc/dc变换器和第二双向dc/dc变换器，实现对复合储能子系统高效利用。另外，针对燃料电池电堆低温无法启动的问题可以根据锂电池和超级电容的自身特性对燃料电池进行预热，以确保其达到适宜的运行温度，并且超级电容具有较高的功率密度，可优先进行回收船舶在紧急制动和急减速状态下产生的峰值电流，提高船舶的能量利用率。

30、第二方面，本发明还提供了一种基于燃料电池的船舶电力推进系统的控制系统，控制系统包括能量管理子系统，能量管理子系统与上述第一方面或其对应的任一实施方式的所述的基于燃料电池的船舶电力推进系统连接，能量管理子系统用于根据船舶不同航行状态的功率需求数据对基于燃料电池的船舶电力推进系统的输出功率和荷电状态进行控制，以对基于燃料电池的船舶电力推进系统的能效进行管理。

31、在一种可选的实施方式中，能量管理子系统包括依次连接的采集模块、数据预处理模块和能效控制模块；

32、采集模块用于采集船舶不同航行状态下基于燃料电池的船舶电力推进系统的输出功率和荷电状态，并将船舶不同航行状态下的功率需求、输出功率和荷电状态传输至数据预处理模块；

33、数据预处理模块用于接收输出功率和荷电状态，并对输出功率和荷电状态进行滤波去噪和校准处理后传输至能效控制模块中；

34、能效控制模块用于接收处理后的输出功率和荷电状态，并基于小波变换规则的功率分配策略将对船舶不同航行状态下的功率需求、输出功率和荷电状态作为输入进行处理，基于处理结果对基于燃料电池的船舶电力推进系统的输出功率和荷电状态进行控制，以对基于燃料电池的船舶电力推进系统的能效进行管理。

35、本发明提供的基于燃料电池的船舶电力推进系统的控制系统，使用能量管理控制子系统对船舶以及基于燃料电池的船舶电力推进系统涉及的多种能量源从能效管理和功率匹配两个方面进行控制，使基于燃料电池的船舶电力推进系统的整体能效性达到最优。