一种船用内燃机与燃料电池的混合动力系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种船用内燃机与燃料电池的混合动力系统及其控制方法，包括内燃机发电组件、燃料电池组件、蓄电池组、母线、驱动电机组件、动力耦合装置、螺旋桨、直流用电设备和交流用电设备，所述内燃机发电组件和燃料电池组件产生的电能输出至母线；所述蓄电池组与母线连接；所述母线分别给驱动电机组件、直流用电设备和交流用电设备提供电能；所述驱动电机组件通过动力耦合装置驱动螺旋桨旋转。有益效果：本发明专利技术提高了整个动力系统的燃料经济性；提高了燃料电池组件的发电效率和能源回收率。实现燃料电池进气量的稳定控制；利用迭代学习控制算法对电动阀门进行控制，实现不同工况下对燃料电池准确、快速的气体供给。

【技术实现步骤摘要】
一种船用内燃机与燃料电池的混合动力系统及其控制方法
本专利技术涉及一种船用混合动力系统及其控制方法，特别涉及一种船用内燃机与燃料电池的混合动力系统及其控制方法，属于混合动力

技术介绍
自2010年初以来，主要受降低靠近当地海岸线的多处排放控制区（ECA）氮氧化、硫氧化物及微粒物质排放的要求的影响，纯电动及混合动力船舶稳步增长。为符合排放要求，船舶运营方主要转用低硫燃料，如液化天然气、安装洗涤器以及安装电动机混合动力系统。其中，船舶混合动力系统作为一个有效降低排放的途径，逐渐收到各大厂家的重视。船舶混合动力系统是将燃料和电力结合在一起，根据不同工况、不同需求实现稳定的动力输出。现有船舶混合动力系统多数为内燃机与动力电池混合，因内燃机与动力电池的低耦合程度，导致该类混合系统转换效率依然取决于内燃机转换效率。其中，在现有技术条件下内燃机的燃料转换效率一般在30%左右，且大量热量经由尾气排出而无法有效利用，造成整机热效率较低。近年来船用氢氧燃料电池应用越来越广泛，而目前主流的燃料电池供氢方案主要为氢气瓶储存以及制氢机制氢，前者在能量密度上远不能满足大功率船用需求，后者制氢机多采用储氢能源进行重整制氢，其反应温度在200-300℃左右，在现有技术中多采用电加热方式为制氢机提供反应热量，造成大量的能量损耗；同时氢氧燃料电池空压机在运行时也存在较大能量损耗，这些问题都亟待解决。因此，在重整制氢过程和燃料电池工作过程都需要消耗能源，造成整个氢氧燃料电池的能源利用率较低。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，提供一种能够适应船舶中频繁变载大功率工况的需求，提高燃料经济性，降低排放的船用内燃机与燃料电池的混合动力系统及其控制方法。技术方案：一种船用内燃机与燃料电池的混合动力系统，包括内燃机发电组件、燃料电池组件、蓄电池组、母线、驱动电机组件、动力耦合装置、螺旋桨、直流用电设备和交流用电设备，所述内燃机发电组件包括至少两组相互并联的内燃机发电单元，所述内燃机发电单元包括内燃机本体、发电机和高压整流模块，所述内燃机本体驱动发电机，发电机产生的电能通过高压整流模块整流后输出至母线；所述燃料电池组件包括至少两组相互并联的燃料电池发电单元，所述燃料电池发电单元包括燃料电池本体和燃料电池变压器，所述燃料电池本体产生的电能通过燃料电池变压器变压后输出至母线；所述蓄电池组与母线连接；所述母线分别给驱动电机组件、直流用电设备和交流用电设备提供电能；所述驱动电机组件包括至少两组并联的电机驱动单元，所述电机驱动单元包括驱动电机和电机控制器，所述驱动电机通过动力耦合装置驱动螺旋桨旋转。本专利技术采用内燃机发电组件和燃料电池组件作为动力源，将产生的电能收集并统一分配，分别给直流用电设备和交流用电设备提供电能，根据船舶不同运行工况，实现蓄电池的充放电，提高了系统的电气化程度。燃料电池组件和蓄电池作为内燃机发电组件的动力补充，内燃机能够长时间运转于高效区，提高热效率，提高了整个动力系统的燃料经济性。至少两组并联的电机驱动单元通过动力耦合装置驱动螺旋桨工作，实现船舶动力的灵活运行，从而降低燃油消耗，能够节省10-30%燃油，可提高整条船的燃油经济性。优选项，为了提高内燃机的能源利用率，所述内燃机发电组件和燃料电池组件同时连接有燃料供给系统，所述燃料供给系统包括甲醇罐、内燃机燃料泵、燃料电池燃料泵和甲醇重整器；所述内燃机燃料泵将甲醇罐中的甲醇输送至内燃机本体，所述燃料电池燃料泵将甲醇罐中的甲醇输送至甲醇重整器，所述甲醇重整器产生的氢气进入燃料电池本体的阳极；所述内燃机本体的排气管连接有第一叶轮，所述第一叶轮连接有第一增压涡轮，所述内燃机本体的尾气汇集后对甲醇重整器进行加热，并驱动第一叶轮旋转，所述第一叶轮驱动第一增压涡轮旋转，所述第一增压涡轮产生的压缩空气输送至燃料电池本体的阴极；所述燃料电池本体的排气管连接有第二叶轮，所述第二叶轮连接有第二增压涡轮，所述燃料电池本体产生的尾气驱动第二叶轮旋转，所述第二叶轮驱动第二增压涡轮工作，第二增压涡轮产生的压缩空气输送至燃料电池本体的阴极。本专利技术通过采用甲醇作为统一的基本燃料，更加方便存储管理，对内燃机本体的尾气余热和排气势能进行能量回收，同时对燃料电池本体的尾气的势能进行能量回收，将回收热能用于给甲醇重整器加热，将回收的势能用于给燃料电池本体的阴极提供压缩空气，提高了内燃机发电组件和燃料电池组件的能量利用率。优选项，为了进一步提高燃料电池组件的发电效率和能源回收率，所述第二叶轮与第二增压涡轮之间设有双轴电机和同步装置，所述第二叶轮通过同步装置与双轴电机一端连接，所述双轴电机另一端与第二增压涡轮连接，所述双轴电机转速大于第二叶轮转速时，第二叶轮通过同步装置与双轴电机分离，当双轴电机转速小于等于第二叶轮转速时，第二叶轮通过同步装置与双轴电机啮合，第二叶轮驱动双轴电机旋转进而驱动第二增压涡轮工作。由双轴电机和燃料电池本体产生的尾气同时驱动的第二增压涡轮作为由内燃机发电组件驱动的第一增压涡轮的增压补充，当第一增压涡轮产生的压缩空气无法满足燃料电池本体阴极压缩空气的需求量时，启动第二增压涡轮；首先通过回收燃料电池本体产生的尾气驱动第二增压涡轮产生压缩空气，当燃料电池本体产生的尾气驱动第二增压涡轮产生的压缩空气无法仍然法满足燃料电池本体阴极压缩空气的需求量时，启动双轴电机，双轴电机直接驱动第二增压涡轮工作，在同步装置的作用下，第二叶轮与双轴电机分离，对燃料电池本体不产生影响。优选项，为了精准地对进入燃料电池本体阴极压缩空气量的控制，所述燃料电池本体的阴极入口处设有第一空气流量计、电动阀门和第二空气流量计，第一空气流量计测得燃料电池本体的阴极进气量，所述电动阀门与外界大气连通，所述第二空气流量计位于总管道内电动阀门的前端，所述电动阀门调节燃料电池本体的阴极进气量。通过第二空气流量计测得产生的压缩空气的总量，通过电动阀门的开度的控制实现对进入燃料电池本体阴极压缩空气量的控制，第一空气流量计可以测得进入燃料电池本体阴极压缩空气量。优先项，为了实现双轴电机和燃料电池本体产生的尾气同时对第二增压涡轮的驱动，并且互不影响，所述同步装置包括内啮合棘轮、连接盘、楔块、棘爪、铰接轴、复位弹簧和配重块，所述内啮合棘轮与第二叶轮固定连接，所述连接盘与双轴电机的轴连接；所述楔块均布于内啮合棘轮的内圈，所述棘爪位于连接盘的外圈沿圆周方向均布，所述棘爪与楔块单向啮合；所述棘爪通过铰接轴与连接盘铰接，所述复位弹簧位于棘爪非啮合端与连接盘之间，所述棘爪上安装有配重块，所述配重块位于复位弹簧一侧。本专利技术通过离心力和复位弹簧拉力的作用自动实现同步装置的啮合与分离。优选项，为了提高同步装置啮合的可靠性，所述铰接轴的圆周方向上设有限位凸起部，所述棘爪与铰接轴连接的连接孔内设有限位槽，所述限位凸起部在限位槽内摆动。优选项，为了实现蓄电池组的充放电，所述蓄电池组与母线之间设有母线开关装置，所述母线开关装置包括放电二极管、放电开关、充电二极管和充电开关，所述放电二极管和放电开关串本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种船用内燃机与燃料电池的混合动力系统，其特征在于：包括内燃机发电组件（1）、燃料电池组件（2）、蓄电池组（3）、母线（4）、驱动电机组件（5）、动力耦合装置（6）、螺旋桨（7）、直流用电设备（8）和交流用电设备（9），所述内燃机发电组件（1）包括至少两组相互并联的内燃机发电单元，所述内燃机发电单元包括内燃机本体（11）、发电机（12）和高压整流模块（13），所述内燃机本体（11）驱动发电机（12），发电机（12）产生的电能通过高压整流模块（13）整流后输出至母线（4）；所述燃料电池组件（2）包括至少两组相互并联的燃料电池发电单元，所述燃料电池发电单元包括燃料电池本体（21）和燃料电池变压器（22），所述燃料电池本体（21）产生的电能通过燃料电池变压器（22）变压后输出至母线（4）；所述蓄电池组（3）与母线（4）连接；所述母线（4）分别给驱动电机组件（5）、直流用电设备（8）和交流用电设备（9）提供电能；所述驱动电机组件（5）包括至少两组并联的电机驱动单元，所述电机驱动单元包括驱动电机（51）和电机控制器（52），所述驱动电机（51）通过动力耦合装置（6）驱动螺旋桨（7）旋转。/n

【技术特征摘要】
1.一种船用内燃机与燃料电池的混合动力系统，其特征在于：包括内燃机发电组件（1）、燃料电池组件（2）、蓄电池组（3）、母线（4）、驱动电机组件（5）、动力耦合装置（6）、螺旋桨（7）、直流用电设备（8）和交流用电设备（9），所述内燃机发电组件（1）包括至少两组相互并联的内燃机发电单元，所述内燃机发电单元包括内燃机本体（11）、发电机（12）和高压整流模块（13），所述内燃机本体（11）驱动发电机（12），发电机（12）产生的电能通过高压整流模块（13）整流后输出至母线（4）；所述燃料电池组件（2）包括至少两组相互并联的燃料电池发电单元，所述燃料电池发电单元包括燃料电池本体（21）和燃料电池变压器（22），所述燃料电池本体（21）产生的电能通过燃料电池变压器（22）变压后输出至母线（4）；所述蓄电池组（3）与母线（4）连接；所述母线（4）分别给驱动电机组件（5）、直流用电设备（8）和交流用电设备（9）提供电能；所述驱动电机组件（5）包括至少两组并联的电机驱动单元，所述电机驱动单元包括驱动电机（51）和电机控制器（52），所述驱动电机（51）通过动力耦合装置（6）驱动螺旋桨（7）旋转。


2.根据权利要求1所述的船用内燃机与燃料电池的混合动力系统，其特征在于：所述内燃机发电组件（1）和燃料电池组件（2）同时连接有燃料供给系统（10），所述燃料供给系统（10）包括甲醇罐（101）、内燃机燃料泵（102）、燃料电池燃料泵（103）和甲醇重整器（104）；所述内燃机燃料泵（102）将甲醇罐（101）中的甲醇输送至内燃机本体（11），所述燃料电池燃料泵（103）将甲醇罐（101）中的甲醇输送至甲醇重整器（104），所述甲醇重整器（104）产生的氢气进入燃料电池本体（21）的阳极；所述内燃机本体（11）的排气管连接有第一叶轮（14），所述第一叶轮（14）连接有第一增压涡轮（15），所述内燃机本体（11）的尾气汇集后对甲醇重整器（104）进行加热，并驱动第一叶轮（14）旋转，所述第一叶轮（14）驱动第一增压涡轮（15）旋转，所述第一增压涡轮（15）产生的压缩空气输送至燃料电池本体（21）的阴极；所述燃料电池本体（21）的排气管连接有第二叶轮（23），所述第二叶轮（23）连接有第二增压涡轮（24），所述燃料电池本体（21）产生的尾气驱动第二叶轮（23）旋转，所述第二叶轮（23）驱动第二增压涡轮（24）工作，第二增压涡轮（24）产生的压缩空气输送至燃料电池本体（21）的阴极。


3.根据权利要求2所述的船用内燃机与燃料电池的混合动力系统，其特征在于：所述第二叶轮（23）与第二增压涡轮（24）之间设有双轴电机（25）和同步装置（26），所述第二叶轮（23）通过同步装置（26）与双轴电机（25）一端连接，所述双轴电机（25）另一端与第二增压涡轮（24）连接，所述双轴电机（25）转速大于第二叶轮（23）转速时，第二叶轮（23）通过同步装置（26）与双轴电机（25）分离，当双轴电机（25）转速小于等于第二叶轮（23）转速时，第二叶轮（23）通过同步装置（26）与双轴电机（25）啮合，第二叶轮（23）驱动双轴电机（25）旋转进而驱动第二增压涡轮（24）工作。


4.根据权利要求3所述的船用内燃机与燃料电池的混合动力系统，其特征在于：所述燃料电池本体...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志凌，尹必峰，解玄，孙闫，贾和坤，唐捷旭，方谊茂，许晟，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32