一种带直流组网的船舶气电混合动力系统

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，尤其是一种带直流组网的船舶气电混合动力系统。

背景技术

目前天然气已经逐步代替柴油称为船舶发动机的燃料，尽管天然气发动机具有经济效益高、社会效益好等优点，但是天然气发动机也存在能量密度低、船舶低功率需求工况时发动机性能不能最优化等缺点。

综上，相关技术中存在的问题亟需得到解决。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种带直流组网的船舶气电混合动力系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种带直流组网的船舶气电混合动力系统，其特征在于，包括天然气存储罐、天然气发动机、齿轮箱、永磁电机、直流母线、储能变流器、磷酸铁锂电池，其中，所述天然气发动机的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第二离合器与所述永磁电机连接，所述永磁电机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。

进一步地，所述系统还包括市电电源，所述市电电源的输出端通过整流器与所述直流母线连接，所述市电电源用于对所述磷酸铁锂电池进行充电。

进一步地，所述系统还包括隔离变压器，所述整流器与所述隔离变压器连接，所述隔离变压器与所述市电电源。

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。

进一步地，所述系统还包括测功机，所述测功机通过第三离合器与所述齿轮箱的第二输出端连接。

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永磁电机连接。

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输入端连接，所述汽化器用于将液化天然气进行汽化。

进一步地，所述系统还包括下位机，所述下位机与所述天然气发动机连接，所述下位机与所述第一离合器连接，所述下位机与所述第二离合器连接，所述下位机与所述第三离合器连接，所述下位机与所述发电驱动器连接，所述下位机与所述储能变流器连接，所述下位机与所述整流器连接。

进一步地，所述系统还包括上位机，所述上位机与所述下位机连接，所述上位机与所述测功机连接。

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。

本发明的有益效果是：一种带直流组网的船舶气电混合动力系统，包括天然气存储罐、天然气发动机、齿轮箱、永磁电机、直流母线、储能变流器、磷酸铁锂电池，通过天然气发动机作为机械动力系统，与作为电力动力系统的市电电源和磷酸铁锂电池进行结合，得到混合动力系统，解决了发动机功率不足，续航里程短的问题。本发明一方面采用了包含多种模式的永磁电机，节省了电机数量，简化了动力系统，另一方面直流组网系统能够更好地对电力系统的电流进行整流，提高了电力系统的效率。

附图说明

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。

图1为本发明实施例提供的一种带直流组网的船舶气电混合动力系统的连接示意图。

具体实施方式

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。

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。

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。

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。

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。

目前天然气已经逐步代替柴油称为船舶发动机的燃料，天然气发动机具有经济效益高、社会效益好等优点。在相同当量热值时，天然气的价格仅为柴油的一半，同时天然气燃烧充分、不易积炭，降低了发动机汽缸内的零件磨损，延长了发动机的寿命，提高了船舶的经济性。船用发动机是气态天然气，主要成分是甲烷，燃烧后基本没有颗粒物的排放，HC和CO排放也大幅度降低。但是天然气发动机也存在能量密度低、船舶低功率需求工况时发动机性能不能最优化等缺点。

纯电动船舶作为目前研究的热点领域，具有零污染、效率高、噪声小和运营成本低等优点。但是由于储能系统的限制，纯电动船舶普遍存在续航能力差的缺点。目前纯电动船舶主要集中在客船和游轮等中小型船舶。

为此，本申请提出了一种带直流组网的船舶气电混合动力系统，包括天然气存储罐1、天然气发动机4、齿轮箱6、永磁电机8、直流母线10、储能变流器11、磷酸铁锂电池12，其中，所述天然气发动机4的输入端与所述天然气存储罐1连接，所述天然气发动机4的输出端通过第一离合器5a与所述齿轮箱6连接，所述齿轮箱6的第一输出端通过第二离合器5b与所述永磁电机8连接，所述永磁电机8与所述直流母线10连接，所述直流母线10与所述磷酸铁锂电池12连接。

本实施例通过天然气发动机作为机械动力系统，与作为电力动力系统的市电电源和磷酸铁锂电池进行结合，得到混合动力系统，解决了发动机功率不足，续航里程短的问题。本发明一方面采用了包含多种模式的永磁电机，节省了电机数量，简化了动力系统，另一方面直流组网系统能够更好地对电力系统的电流进行整流，提高了电力系统的效率。

参照图1，进一步作为可选的实施方式，动力系统还包括市电电源，所述市电电源的输出端通过整流器与所述直流母线连接，所述市电电源用于对所述磷酸铁锂电池进行充电。

具体地，市电电源15通过整流器13与直流母线10相连，市电电源15可对永磁电机8进行充电。

市电电源即工频交流电(AC)，用交流电的常用三个量来表征：电压、电流、频率。世界各国的常用交流电工频频率有50Hz(赫兹)与60Hz(赫兹)两种，民用交流电压分布由100V至380V不等。机房一般引入三相380V，50HZ的市电作为电源，但是设备的电源整流模块用的是单相220V的电压。

参照图1，进一步作为可选的实施方式，动力系统还包括隔离变压器，所述整流器与所述隔离变压器连接，所述隔离变压器与所述市电电源。

具体地，在市电电源15和整流器13之间设置隔离变压器14。通过设置隔离变压器14可以在市电电源15和整流器13之间建立气电隔离，从而保护动力系统，增加动力系统的安全性与稳定性。

隔离变压器是指输入绕组与输出绕组带电气隔离的变压器，隔离变压器用以避免偶然同时触及带电体，变压器的隔离是隔离原副边绕线圈各自的电流。早期为欧洲国家用在电力行业，广泛用于电子工业或工矿企业、机床和机械设备中一般电路的控制电源、安全照明及指示灯的电源。

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。

具体地，磷酸铁锂电池12通过储能变流器8与直流母线10连接，储能变流器11一方面可以将磷酸铁锂电池12中的电能传输至直流母线10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10中的电能，为磷酸铁锂电池12进行充电，实现磷酸铁锂电池12和直流母线10之间能量的双向传递。

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储能变流器、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。

参照图1，进一步作为可选的实施方式，动力系统还包括测功机7，所述测功机通过第三离合器与所述齿轮箱的第二输出端连接。

具体地，测功机7通过第三离合器5c与齿轮箱6连接，用于作为齿轮箱的加载设备以测试传递功率，从而确保动力系统的正常运行。

测功机也称测功器，主要用于测试发动机的功率，也可作为齿轮箱、减速机、变速箱的加载设备，用于测试它们的传递功率。主要分为水力测功机、电涡流测功机、电力测功机。电力测功机利用电机测量各种动力机械轴上输出的转矩，并结合转速以确定功率的设备。因为被测量的动力机械可能有不同转速，所以用作电力测功机的电机必须是可以平滑调速的电机。用得较多的是直流测功机、交流测功机和涡流测功机。

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永磁电机连接。

具体地，永磁电机8通过发电驱动器9与直流母线10连接，发电驱动器9既可以将组网中的能量输送给永磁电机8，也能将永磁电机8发电产生的能量输送到组网系统。

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，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输入端连接，所述汽化器用于将液化天然气进行汽化。

具体地，在天然气存储罐1处设置汽化器3，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输出端处的单向阀2打开，通过汽化器3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。

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。

参照图1，进一步作为可选的实施方式，动力系统还包括下位机，所述下位机与所述天然气发动机连接，所述下位机与所述第一离合器连接，所述下位机与所述第二离合器连接，所述下位机与所述第三离合器连接，所述下位机与所述发电驱动器连接，所述下位机与所述储能变流器连接，所述下位机与所述整流器连接。

具体地，天然气发动机1、第一离合器5a、第二离合器5b、第三离合器5c、发电驱动器9、储能变流器11和整流器13均与下位机16连接。下位机16可以直接获取设备信息，获取的信息包括磷酸铁锂电池组12和市电15的实际输出/吸收功率、磷酸铁锂电池组12的SOC值、永磁电机8的实际转速和实际扭矩、天然气发动机4的油门开度、实际转速和实际扭矩、离合器5a、5b和5c的离合状态，同时下位机16将这些信号传递给上位机17以进行对应控制策略的执行。

参照图1，进一步作为可选的实施方式，动力系统还包括上位机，所述上位机与所述下位机连接，所述上位机与所述测功机连接。

上位机17内置能量管理控制策略以根据需求和当前运行状态进行天然气发动机4和永磁电机8的目标功率分配，能量管理控制策略包括基于确定性规则的控制策略、基于模糊规则的控制策略、基于实时优化的控制策略和基于全局优化的控制策略等。系统的通讯协议可选择常见的DP协议，上位机17可根据实际需求分配天然气发动机4和永磁电机8的实际功率，这里不对上位机中的算法作具体限制。具体地，上位机17可根据内置的能量管理控制策略根据需求和当前运行状态进行功率分配，同时技术人员可以通过上位机17直接控制天然气发动机4和永磁电机8的实际功率。

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。

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。

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。

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。

模式一为纯电力推进模式，此推进模式下，天然气发动机4和齿轮箱6之间的第一离合器5a处于脱排状态，永磁电机8和齿轮箱6之间的第二离合器5b、测功机7和齿轮箱6之间的离合器5c处于接合状态，永磁电机8处于电动机模式，其所需的能量可由磷酸铁锂电池组12经过储能变流器11、直流母线10、发电驱动器9提供，也可由市电电源15经过隔离变压器14、整流器13、直流母线10、发电驱动器提供，亦可由两者共同提供。下位机16采集永磁电机8的实际转速、实际功率、磷酸铁锂电池组12的SOC值、第二离合器5b、5c的离合状态作为监测，同时将永磁电机8的实际转速、实际功率值和磷酸铁锂电池组12的SOC值输送到上位机，上位机17根据系统实际运行状态和当前工况功率需求确定永磁电机8的目标转速和目标扭矩输送到下位机16，下位机16将目标值传递到发电驱动器9，发电驱动器9对永磁电机8进行变频调节以达到目标值。

模式二为纯机械推进模式，此推进模式下，永磁电机8和齿轮箱6之间的第二离合器5b处于脱排状态，天然气发动机4和齿轮箱6之间的离合器5a、测功机7和齿轮箱6之间的第三离合器5c处于接合状态。单向阀2打开，天然气存储罐1中的液化天然气经汽化器3汽化后输送至天然气发动机4，天然气发动机4运行。下位机16采集天然气发动机4的油门开度、实际转速、实际扭矩和离合器5a、5c的离合状态作为监测，同时将天然气发动机4的油门开度、实际转速和实际扭矩输送到上位机17，上位机17根据系统实际运行状态和当前工况功率需求确定发动机的目标转速和目标扭矩输送到下位机16，下位机16将目标值发送到天然气发动机4的电子控制单元ECU，由电子控制单元ECU进行调节以达到目标值。

模式三为机械推进辅助充电模式，此推进模式下，天然气发动机4和齿轮箱6之间的第一离合器5a、永磁电机8和齿轮箱6之间的第二离合器5b、测功机7和齿轮箱6之间的第三离合器5c均处于接合状态，永磁电机8处于发电机模式。单向阀2打开，天然气存储罐1中的液化天然气经汽化器3汽化后输送至天然气发动机4，天然气发动机4运行。天然气发动机4作为唯一动力来源，除了满足测功机7的功率需求外，还将多余的能量输出到永磁电机8，处于发电模式的永磁电机8将发电产生的能量经过发电驱动器9输送到直流母线10，输送到直流母线的能量既可以通过储能变流器11将能量输送到磷酸铁锂电池12，也可以通过整流器13、隔离变压器14将能量输送到市电电源15。下位机16采集天然气发动机4的油门开度、实际转速、实际扭矩、永磁电机8的实际转速、实际扭矩、磷酸铁锂电池组12的SOC值和离合器5a、5b、5c的离合状态作为监测，同时将天然气发动机4的油门开度、实际转速、实际扭矩、永磁电机8的实际转速、实际扭矩、磷酸铁锂电池组12的SOC值输送到上位机17，上位机7根据系统实际运行状态和当前工况功率需求确定天然气发动机4的目标转速和目标扭矩、永磁电机8的目标转速和目标扭矩，以保证天然气发动机4的动力性、经济性和排放性最优化，上位机17将目标值发送到下位机16，下位机16将天然气发动机4的目标转速和目标扭矩发送到天然气发动机4的电子控制单元ECU，由电子控制单元ECU进行调节以达到目标值，下位机16将永磁电机8的目标转速和目标扭矩发送到发电驱动器9，发电驱动器9对永磁电机8进行变频调节以达到目标值。

模式四为混合推进模式，此推进模式下，天然气发动机4和齿轮箱6之间的第一离合器5a、永磁电机8和齿轮箱6之间的第二离合器5b、测功机7和齿轮箱6之间的第三离合器5c均处于接合状态，永磁电机8处于电动机模式。单向阀2打开，天然气存储罐1中的液化天然气经汽化器3汽化后输送至天然气发动机4，天然气发动机4运行。天然气发动机4和永磁电机8共同作为动力来源。永磁电机8所需的能量可由磷酸铁锂电池组12经过储能变流器11、直流母线10、发电驱动器9提供，也可由市电15经过隔离变压器14、整流器13、直流母线10、发电驱动器提供，亦可由两者共同提供。下位机16采集天然气发动机4的油门开度、实际转速、实际扭矩、永磁电机8的实际转速、实际扭矩、磷酸铁锂电池组12的SOC值和离合器5a、5b、5c的离合状态作为监测，同时将天然气发动机4的油门开度、实际转速、实际扭矩、永磁电机8的实际转速、实际扭矩、磷酸铁锂电池组12的SOC值输送到上位机17，上位机7根据系统实际运行状态和当前工况功率需求确定天然气发动机4的目标转速和目标扭矩、永磁电机8的目标转速和目标扭矩，以保证天然气发动机4的动力性、经济性和排放性最优化，上位机17将目标值发送到下位机16，下位机16将天然气发动机4的目标转速和目标扭矩发送到天然气发动机4的电子控制单元ECU，由电子控制单元ECU进行调节以达到目标值，下位机16将永磁电机8的目标转速和目标扭矩发送到发电驱动器9，发电驱动器9对永磁电机8进行变频调节以达到目标值。

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：

1)本发明一种带直流组网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。

2)本发明采用了包含多种模式的永磁电机，节省了电机数量，简化了动力系统。

3)通过直流组网系统能够更好地对电力系统的电流进行整流，提高了电力系统的效率。

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。

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。

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。

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。

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。

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申请权利要求所限定的范围内。