一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力系统技术方案

本发明专利技术的目的在于提供一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力系统，整个系统由柴油机、气体机、发电机、电动机、燃料电池、蓄电池、永磁耦合器、离合器、齿轮箱、螺旋桨、天然气存储供给装置、逆变器、变频器、整流器、配电板组成。柴油机和气体机通过永磁耦合器与齿轮箱相连，两台电动机和发电机通过离合器与齿轮箱相连，齿轮箱中带有两个离合器，电力源包括燃料电池和蓄电池。本发明专利技术所采用的多种能量形式的布置可以满足船舶在各种环境和工况下的需求，进一步提高了柴油机、气体机、电动机的运行效率，有效降低了发动机的燃料消耗和排放，同时改善了船舶的动力响应，而且系统的适用范围广泛。

Diesel and gas electric hybrid marine hybrid power system with fuel cell

The object of the present invention is to provide a diesel-gas-electricity hybrid marine power system with fuel cell. The whole system consists of diesel engine, gas engine, generator, motor, fuel cell, battery, permanent magnet coupler, clutch, gearbox, propeller, natural gas storage and supply device, inverter, frequency converter, etc. Rectifier and switchboard. The diesel engine and the gas engine are connected to the gearbox through a permanent magnet coupler. Two motors and generators are connected to the gearbox through a clutch. The gearbox contains two clutches. The power source includes fuel cells and batteries. The arrangement of various energy forms adopted by the invention can meet the requirements of the ship in various environments and working conditions, further improve the operation efficiency of the diesel engine, the gas engine and the motor, effectively reduce the fuel consumption and emissions of the engine, and improve the dynamic response of the ship, and the system has a wide range of applications.

【技术实现步骤摘要】
一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力系统
本专利技术涉及的是一种动力系统，具体地说是船舶动力系统。
技术介绍
随着我国能源问题和环境问题日益严峻，以及国际油价的快速上涨，这就对船舶的经济性和排放性提出了更高的要求，也使船舶的节能减排技术成为大家关注和研究的热点之一。柴油机作为目前世界上船舶用主要发动机，有着技术成熟、热效率高、经济性好、动力响应好等优点。但随着人们对能源问题和环境问题的重视，石油的储量问题以及柴油机的排放问题不容忽视，尤其是船用柴油机常燃用劣质柴油导致排放问题更为严重，此外柴油价格的持续上涨也使运行成本的不断提高。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差、功率不足等缺点。燃料电池作为一种发电效率高、环境污染小、比能量高、噪音低、可靠性高、又易于建设的发电装置，是未来船舶电力推进的新方向。不过由于现阶段技术不成熟，燃料电池还存在着启动较慢、燃料的存储和供应难、功率密度低等缺点。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。船舶混合动力技术有助于解决能源问题与技术不成熟之间的矛盾，为船舶从传统的内燃机推进方式过渡到纯电力推进方式提供可行性方案。同时，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。因此，发展混合动力船舶具有非常重大的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供改善船舶动力性、经济性和排放性的一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力系统。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力系统，其特征是：包括柴油机、气体机、燃料电池、齿轮箱，所述齿轮箱包括第一-第四输入端、第一-第四输出端，柴油机的输出端通过第一永磁耦合器与齿轮箱的第一输入端相连，气体机的输出端通过第二永磁耦合器与齿轮箱的第二输入端相连，第一电动机的输出端通过第一离合器与齿轮箱的第三输入端相连，第二电动机的输出端通过第二离合器与齿轮箱的第四输入端相连，第一发电机的输入端通过第三离合器与齿轮箱的第一输出端相连，第二发电机的输入端通过第四离合器与齿轮箱的第二输出端相连，齿轮箱的第三输出端连接第一螺旋桨，齿轮箱的第四输出端连接第二螺旋桨，齿轮箱的第一输入端与齿轮箱的第三输出端之间设置第五离合器，齿轮箱的第二输入端与齿轮箱的第四输出端之间设置第六离合器，液化天然气罐与气体供给装置相连，气体供给装置连通气体机和燃料电池，燃料电池、蓄电池、船舶负载、逆变器、整流器分别连接配电板，逆变器通过变频器分别连接第一电动机和第二电动机，第一发电机和第二发电机与整流器相连。本专利技术一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力系统，其特征是：包括柴油机、气体机、燃料电池、第一齿轮箱、第二齿轮箱，所述第一齿轮箱包括第一-第四输入端、第一-第二输出端，柴油机的输出端通过第一永磁耦合器与齿轮箱的第一输入端相连，气体机的输出端通过第二永磁耦合器与齿轮箱的第二输入端相连，第一电动机的输出端通过第一离合器与齿轮箱的第三输入端相连，第二电动机的输出端通过第二离合器与齿轮箱的第四输入端相连，发电机的输入端通过第三离合器与齿轮箱的第一输出端相连，齿轮箱的第二输出端连接第二齿轮箱，第二齿轮箱分别连接第一螺旋桨和第二螺旋桨，齿轮箱的第一输入端与齿轮箱的第三输出端之间设置第四离合器，齿轮箱的第二输入端与齿轮箱的第四输出端之间设置第五离合器，液化天然气罐与气体供给装置相连，气体供给装置连通气体机和燃料电池，燃料电池、蓄电池、船舶负载、逆变器、整流器分别连接配电板，逆变器通过变频器分别连接第一电动机和第二电动机，发电机与整流器相连。本专利技术还可以包括：1、所述的柴油机和气体机的工作模式包括机械推进模式：所述机械推进模式包括：柴油机推进模式、气体机推进模式、柴气混合推进模式、柴油机推进辅助发电模式、气体机推进辅助发电模式、柴气混合推进辅助发电模式；(1)柴油机推进模式：柴油机处于运行状态，第一永磁耦合器闭合，第二永磁耦合器断开，第五离合器和第六离合器闭合，第一-第四离合器断开，由柴油机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；(2)气体机推进模式：气体机处于运行状态，第二永磁耦合器闭合，第一永磁耦合器断开，第五离合器和第六离合器闭合，第一-第四离合器断开，由气体机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；(3)柴气混合推进模式：柴油机和气体机同时处于运行状态，第一永磁耦合器和第二永磁耦合器闭合，第五离合器和第六离合器闭合，第一-第四离合器断开，由柴油机和气体机同时带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；(4)柴油机推进辅助发电模式：柴油机、第一发电机和第二发电机处于运行状态，第一永磁耦合器闭合，第二永磁耦合器断开，第三-第六离合器闭合，第一-第二离合器断开，由柴油机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转的同时带动第一发电机和第二发电机发电，经整流器汇入配电板；(5)气体机推进辅助发电模式：气体机、第一发电机和第二发电机处于运行状态，第二永磁耦合器闭合，第一永磁耦合器断开，第三-第六离合器闭合，第一-第二离合器断开，由气体机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转的同时带动第一发电机和第二发电机发电发电，经整流器汇入配电板；(6)柴气混合推进辅助发电模式：柴油机、气体机、第一发电机和第二发电机处于运行状态，第一永磁耦合器和第二永磁耦合器闭合，第三-第六离合器闭合，第一-第二离合器断开，由柴油机和气体机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转的同时带动第一发电机和第二发电机发电，经整流器汇入配电板。2、所述的柴油机和气体机的工作模式包括电力推进模式：所述电力推进模式包括：燃料电池推进模式、蓄电池推进模式、柴油机串联推进模式、气体机串联推进模式、柴气混合串联推进模式、混合供电推进模式、岸电充电模式；(1)燃料电池推进模式：第一电动机和第二电动机处于运行状态，其所需电力由燃料电池提供，汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，第一永磁耦合器和第二永磁耦合器断开，第一-第二离合器闭合，第三-第六离合器断开，由第一电动机和第二电动机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；(2)蓄电池推进模式：第一电动机和第二电动机处于运行状态，其所需电力由蓄电池提供，汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，第一永磁耦合器和第二永磁耦合器断开，第一-第二离合器闭合，第三-第六离合器断开，由第一电动机和第二电动机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；(3)混合供电推进模式：第一电动机和第二电动机处于运行状态，其所需电力由燃料电池和蓄电池提供，汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，第一永磁耦合器和第二永磁耦合器断开，第一-第二离合器闭合，第三-第六离合器断开，由第一电动机和第二电动机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；(4)柴油机串联推进模式：柴油机、第一发电机、第二发电机、第一电动机和第二电动机处于运本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力系统，其特征是：包括柴油机、气体机、燃料电池、齿轮箱，所述齿轮箱包括第一‑第四输入端、第一‑第四输出端，柴油机的输出端通过第一永磁耦合器与齿轮箱的第一输入端相连，气体机的输出端通过第二永磁耦合器与齿轮箱的第二输入端相连，第一电动机的输出端通过第一离合器与齿轮箱的第三输入端相连，第二电动机的输出端通过第二离合器与齿轮箱的第四输入端相连，第一发电机的输入端通过第三离合器与齿轮箱的第一输出端相连，第二发电机的输入端通过第四离合器与齿轮箱的第二输出端相连，齿轮箱的第三输出端连接第一螺旋桨，齿轮箱的第四输出端连接第二螺旋桨，齿轮箱的第一输入端与齿轮箱的第三输出端之间设置第五离合器，齿轮箱的第二输入端与齿轮箱的第四输出端之间设置第六离合器，液化天然气罐与气体供给装置相连，气体供给装置连通气体机和燃料电池，燃料电池、蓄电池、船舶负载、逆变器、整流器分别连接配电板，逆变器通过变频器分别连接第一电动机和第二电动机，第一发电机和第二发电机与整流器相连。

【技术特征摘要】
1.一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力系统，其特征是：包括柴油机、气体机、燃料电池、齿轮箱，所述齿轮箱包括第一-第四输入端、第一-第四输出端，柴油机的输出端通过第一永磁耦合器与齿轮箱的第一输入端相连，气体机的输出端通过第二永磁耦合器与齿轮箱的第二输入端相连，第一电动机的输出端通过第一离合器与齿轮箱的第三输入端相连，第二电动机的输出端通过第二离合器与齿轮箱的第四输入端相连，第一发电机的输入端通过第三离合器与齿轮箱的第一输出端相连，第二发电机的输入端通过第四离合器与齿轮箱的第二输出端相连，齿轮箱的第三输出端连接第一螺旋桨，齿轮箱的第四输出端连接第二螺旋桨，齿轮箱的第一输入端与齿轮箱的第三输出端之间设置第五离合器，齿轮箱的第二输入端与齿轮箱的第四输出端之间设置第六离合器，液化天然气罐与气体供给装置相连，气体供给装置连通气体机和燃料电池，燃料电池、蓄电池、船舶负载、逆变器、整流器分别连接配电板，逆变器通过变频器分别连接第一电动机和第二电动机，第一发电机和第二发电机与整流器相连。2.根据权利要求1所述的一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力系统，其特征是：所述的柴油机和气体机的工作模式包括机械推进模式：所述机械推进模式包括：柴油机推进模式、气体机推进模式、柴气混合推进模式、柴油机推进辅助发电模式、气体机推进辅助发电模式、柴气混合推进辅助发电模式；(1)柴油机推进模式：柴油机处于运行状态，第一永磁耦合器闭合，第二永磁耦合器断开，第五离合器和第六离合器闭合，第一-第四离合器断开，由柴油机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；(2)气体机推进模式：气体机处于运行状态，第二永磁耦合器闭合，第一永磁耦合器断开，第五离合器和第六离合器闭合，第一-第四离合器断开，由气体机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；(3)柴气混合推进模式：柴油机和气体机同时处于运行状态，第一永磁耦合器和第二永磁耦合器闭合，第五离合器和第六离合器闭合，第一-第四离合器断开，由柴油机和气体机同时带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；(4)柴油机推进辅助发电模式：柴油机、第一发电机和第二发电机处于运行状态，第一永磁耦合器闭合，第二永磁耦合器断开，第三-第六离合器闭合，第一-第二离合器断开，由柴油机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转的同时带动第一发电机和第二发电机发电，经整流器汇入配电板；(5)气体机推进辅助发电模式：气体机、第一发电机和第二发电机处于运行状态，第二永磁耦合器闭合，第一永磁耦合器断开，第三-第六离合器闭合，第一-第二离合器断开，由气体机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转的同时带动第一发电机和第二发电机发电发电，经整流器汇入配电板；(6)柴气混合推进辅助发电模式：柴油机、气体机、第一发电机和第二发电机处于运行状态，第一永磁耦合器和第二永磁耦合器闭合，第三-第六离合器闭合，第一-第二离合器断开，由柴油机和气体机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转的同时带动第一发电机和第二发电机发电，经整流器汇入配电板。3.根据权利要求1所述的一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力系统，其特征是：所述的柴油机和气体机的工作模式包括电力推进模式：所述电力推进模式包括：燃料电池推进模式、蓄电池推进模式、柴油机串联推进模式、气体机串联推进模式、柴气混合串联推进模式、混合供电推进模式、岸电充电模式；(1)燃料电池推进模式：第一电动机和第二电动机处于运行状态，其所需电力由燃料电池提供，汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，第一永磁耦合器和第二永磁耦合器断开，第一-第二离合器闭合，第三-第六离合器断开，由第一电动机和第二电动机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；(2)蓄电池推进模式：第一电动机和第二电动机处于运行状态，其所需电力由蓄电池提供，汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，第一永磁耦合器和第二永磁耦合器断开，第一-第二离合器闭合，第三-第六离合器断开，由第一电动机和第二电动机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；(3)混合供电推进模式：第一电动机和第二电动机处于运行状态，其所需电力由燃料电池和蓄电池提供，汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，第一永磁耦合器和第二永磁耦合器断开，第一-第二离合器闭合，第三-第六离合器断开，由第一电动机和第二电动机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；(4)柴油机串联推进模式：柴油机、第一发电机、第二发电机、第一电动机和第二电动机处于运行状态，其所需电力由柴油机带动第一发电机和第二发电机来提供，经整流器汇入配电板后再经逆变器、变频器输入，第一永磁耦合器闭合，第二永磁耦合器断开，第一-第四离合器闭合，第五-第六离合器断开，由第一电动机和第二电动机带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；(5)气体机串联推进模式：气体机、第一发电机、第二发电机、第一电动机和第二电动机处于运行状态，其所需电力由气体机带动第一发电机和第二发...

【专利技术属性】
技术研发人员：范立云，卢耀文，王鑫，费红姿，董全，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23