一种燃料电池和锂电池组组合的船舶动力系统的制作方法

1.本发明涉及船舶及游艇的动力总成领域，尤其涉及一种燃料电池和锂电池组组合的船舶动力系统。


背景技术：

2.近年来，随着全球范围内环境保护和能源可持续发展的要求，开发利用新型的能源动力已迫在眉睫。开发环保、节能及可持续发展的新能源动力技术已提上日程。而锂离子电池和燃料电池组合形成的混合动力电池系统可以同时满足环保、节能以及可持续发展的要求，已广泛应用于新能源船舶领域。
3.这其中，船舶占全球二氧化碳总排放量的3％，氮氧化物总排放量的31％，因此，船舶行业有着巨大的减排的动力来推动产业的升级，特别是随着新能源技术尤其是氢能源燃料电池技术的发展，船舶由传统燃油动力向新能源特别是氢能源燃料电池动力转型势在必行。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种燃料电池和锂电池组组合的船舶动力系统。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种燃料电池和锂电池组组合的船舶动力系统，包括第一储氢系统和第二储氢系统，所述第一储氢系统的输出端与第一氢能燃料电池系统的输入端相连，所述第一氢能燃料电池系统的输出端与第一dcdc转换器的输入端相连，所述第一dcdc转换器的输出端与电源分配单元的第一路输入端相连，所述第二储氢系统的输出端与第二氢能燃料电池系统的输入端相连，所述第二氢能燃料电池系统的输出端与第二dcdc转换器的输入端相连，所述第二dcdc转换器的输出端与电源分配单元的第二路输入端相连；
7.还包括第一锂电池系统和第二锂电池系统，所述第一锂电池系统的输出端与第一双向dcdc转换器的输入端相连，所述第一双向dcdc转换器的输出端与电源分配单元的第三路输入端相连，所述第二锂电池系统的输出端与第二双向dcdc转换器的输入端相连，所述第二双向dcdc转换器的输出端与电源分配单元的第四路输入端相连；
8.所述电源分配单元的第一路输出端与第一dcac转换器的输入端相连，所述第一dcac转换器的输出端与船用负载单元的输入端相连；所述电源分配单元的第二路输出端与第一主推进电机控制器的输入端相连，所述第一主推进电机控制器的输出端与第一电机的输入端相连；所述电源分配单元的第三路输出端与第二主推进电机控制器的输入端相连，所述第二主推进电机控制器的输出端与第二电机的输入端相连；
9.还包括控制管理系统，所述控制管理系统与第一氢能燃料电池系统和第二氢能燃料电池系统相通信连接，所述控制管理系统与第一锂电池系统、第二锂电池系统、第一主推进电机控制和第二主推进电机控制器相通信连接。
10.优选地，所述的一种燃料电池和锂电池组组合的船舶动力系统，所述第一储氢系统和第二储氢系统均包括氢气瓶组、防爆保护装置及辅助系统，所述氢气瓶组上设置有防爆保护装置，所述述氢气瓶组通过氢气管路与辅助系统相连。
11.优选地，所述的一种燃料电池和锂电池组组合的船舶动力系统，所述辅助系统包括空气压缩机、加湿器、压力调节装置、气体流量控制器、温控器和功率调节器，所述空气压缩机、压力调节装置、气体流量控制器和功率调节器通过氢气管路与氢气瓶组相连，所述加湿器通过温控器设置在氢气瓶组的周边。
12.优选地，所述的一种燃料电池和锂电池组组合的船舶动力系统，所述第一氢能燃料电池系统和第二氢能燃料电池系统均包括若干独立的燃料电池单元和与其对应匹配的燃料电池单元的燃料电池控制器，所述燃料电池单元与燃料电池控制器相连，所述燃料电池控制器与控制管理系统相通信连接。
13.优选地，所述的一种燃料电池和锂电池组组合的船舶动力系统，所述第一锂电池系统和第二锂电池系统均包括聚合物锂离子电池组和与其对应匹配的锂电池组控制器，所述聚合物锂离子电池组与锂电池组控制器相连，所述锂电池组控制器与控制管理系统相通信连接。
14.优选地，所述的一种燃料电池和锂电池组组合的船舶动力系统，所述控制管理系统包括控制器和监控器，所述控制器与监控器相通信连接，所述监控器与检测系统相通信连接。
15.优选地，所述的一种燃料电池和锂电池组组合的船舶动力系统，所述检测系统包括火警探测传感器、氢气含量探测传感器和温度监测传感器，第一氢能燃料电池系统和第二氢能燃料电池系统内均设置有火警探测传感器、氢气含量探测传感器和温度监测传感器，第一锂电池系统、第二锂电池系统、第一主推进电机控制器和第二主推进电机控制器内均设置有所述火警探测传感器和温度监测传感器。
16.优选地，所述的一种燃料电池和锂电池组组合的船舶动力系统，包括有紧急切断装置，所述紧急切断装置与控制管理系统相连，所述紧急切断装置安装于第一氢能燃料电池系统、第二氢能燃料电池系统第一锂电池系统和第二锂电池系统内。
17.优选地，所述的一种燃料电池和锂电池组组合的船舶动力系统，所述控制器包括设置少2台，其中一台为主控的控制器，另一台为备用的控制器，它们相交互通信连接。
18.借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
19.1、本发明通过燃料电池系统配合锂电池系统对船舶能克服锂离子电池续航里程短、充电较慢以及寿命较短的问题，能为新能源船舶提供充足的动力。
20.2、本发明采用新型的燃料电池单元与锂电池组作为动力系统替代原有的柴油机动力系统或者纯电池动力系统，与柴油机动力系统相比，本系统具有0排放，噪音低的优点；与纯电池动力系统相比，可以实现续航里程高的优点。
21.3、本发明的控制器是结合燃料电池单元与锂电池组的特性，采用基于eea 架构的具有高性能，超高集成度的快速响应控制器。
22.4、本发明采用单元化，模块化控制，然后通过控制器和can通讯协议有机地，系统的将所有子系统结合在一起，系统的可扩展性极强。既满足现有船舶的动力系统需求，又具有批量化可复制的特性，因此也适合批量船，系列船应用。
23.5、本发明成功地将燃料电池单元系统应用到了船舶上，并且用锂电池组作为辅助能源，二者相互配合，通过将其二者有效的集成控制，实现并满足了船舶的动力需求和续航里程。
24.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
26.图1是本发明的结构示意图；
27.图2是本发明的动力系统网络架构图；
28.图3是本发明的燃料电池和锂电池组连接示意图。
具体实施方式
29.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
32.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或竖直，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
34.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
35.实施例
36.如图1、图2和图3所示，一种燃料电池和锂电池组组合的船舶动力系统，包括第一储氢系统1和第二储氢系统2，所述第一储氢系统1的输出端与第一氢能燃料电池系统3的输入端相连，所述第一氢能燃料电池系统3的输出端与第一dcdc转换器4的输入端相连，所述第一dcdc转换器4的输出端与电源分配单元5的第一路输入端相连，所述第二储氢系统2的输出端与第二氢能燃料电池系统6的输入端相连，所述第二氢能燃料电池系统6的输出端与第二dcdc 转换器7的输入端相连，所述第二dcdc转换器7的输出端与电源分配单元5 的第二路输入端相连；
37.还包括第一锂电池系统8和第二锂电池系统9，所述第一锂电池系统8的输出端与第一双向dcdc转换器10的输入端相连，所述第一双向dcdc转换器 10的输出端与电源分配单元5的第三路输入端相连，所述第二锂电池系统9的输出端与第二双向dcdc转换器11的输入端相连，所述第二双向dcdc转换器11的输出端与电源分配单元5的第四路输入端相连；
38.所述电源分配单元5的第一路输出端与第一dcac转换器12的输入端相连，所述第一dcac转换器12的输出端与船用负载单元13的输入端相连；所述电源分配单元5的第二路输出端与第一主推进电机控制器14的输入端相连，所述第一主推进电机控制器14的输出端与第一电机15的输入端相连；所述电源分配单元5的第三路输出端与第二主推进电机控制器16的输入端相连，所述第二主推进电机控制器16的输出端与第二电机17的输入端相连；
39.还包括控制管理系统18，所述控制管理系统18与第一氢能燃料电池系统3 和第二氢能燃料电池系统6相通信连接，所述控制管理系统18与第一锂电池系统8、第二锂电池系统9、第一主推进电机控制器14和第二主推进电机控制器 16相通信连接。
40.本发明中所述第一储氢系统1和第二储氢系统2均包括氢气瓶组、防爆保护装置及辅助系统，所述氢气瓶组上设置有防爆保护装置，所述述氢气瓶组通过氢气管路与辅助系统相连。其中，所述辅助系统包括空气压缩机、加湿器、压力调节装置、气体流量控制器、温控器和功率调节器，所述空气压缩机、压力调节装置、气体流量控制器和功率调节器通过氢气管路与氢气瓶组相连，所述加湿器通过温控器设置在氢气瓶组的周边。
41.本发明中所述第一氢能燃料电池系统3和第二氢能燃料电池系统6均包括若干独立的燃料电池单元和与其对应匹配的燃料电池单元的燃料电池控制器，所述燃料电池单元与燃料电池控制器相连，所述燃料电池控制器与控制管理系统18相通信连接。
42.本发明中所述第一锂电池系统8和第二锂电池系统9均包括聚合物锂离子电池组和与其对应匹配的锂电池组控制器，所述聚合物锂离子电池组与锂电池组控制器相连，所述锂电池组控制器与控制管理系统18相通信连接。
43.本发明中所述控制管理系统18包括控制器和监控器，所述控制器与监控器相通信连接，所述监控器与检测系统相通信连接。
44.本发明中所述检测系统包括火警探测传感器、氢气含量探测传感器和温度监测传感器，第一氢能燃料电池系统3和第二氢能燃料电池系统6内均设置有火警探测传感器、氢气含量探测传感器和温度监测传感器，第一锂电池系统8、第二锂电池系统9、第一主推进电机控制器和第二主推进电机控制器内均设置有所述火警探测传感器和温度监测传感器。
45.本发明中还包括有紧急切断装置，所述紧急切断装置与控制管理系统18相连，所述紧急切断装置安装于第一氢能燃料电池系统3、第二氢能燃料电池系统 6第一锂电池系
统8和第二锂电池系统9内。
46.本发明中所述控制器包括设置少2台，其中一台为主控的控制器，另一台为备用的控制器，它们相交互通信连接。
47.燃料电池系统(fcs fuel-cell control system)：该系统主要负责单个燃料电池单元系统的安全与稳定运行。船舶的动力需求通常比较大，因此，一般情况下会选择使用多个燃料电池单元来满足船舶的动力需求；每个燃料电池单元都是由单独的燃料电池控制器控制。燃料电池控制器和控制器通过can2.0通讯协议通讯，燃料电池控制器会依据预设的报警级别将重要报警和紧急事件发送给控制器，控制器会根据发送来的信息，作出相应的决定，紧急情况下会通知电机控制器降速，用于保持船舶的安全与稳定运行。
48.锂电池系统：包括聚合物锂离子电池(li-po)组和锂电池组控制器(bmsbattery management system)，锂电池组控制器主要是管理锂电池组的正常运行，防止锂电池组出现过充和过放现象，同时，当电池组中任何一块电池发生故障时，电池组控制器通过can2.0通讯协议及时发送故障信息给主控制器，控制器会断开该电池组的开关用以从电网中切除该电池组。
49.控制管理系统(yacht management system)：包括控制器和监控器，当负载动力需求大时，控制器会控制燃料电池与锂电池组同时为负载供电；当负载动力需求小时，控制器会控制燃料电池单独向负载供电，同时，还会为锂电池组充电，直至锂电池组的电量达到额定电量的80％；当船舶紧急刹车时，控制器在控制燃料电池输出功率快速降低的同时，命令电机控制器和燃料电池同时向锂电池组充电，用以接收燃料电池从大负载降至小负载直至0负载过程产生的电能和电机从高速旋转快速降至低转速直至0转速过程做功产生的电能。监控器负责监控整个船舶的电力系统，当系统运行参数超过预设的报警值时，系统会激活相应的报警，通知船上值班人员及时去检查并处理。
50.紧急切断系统(esd emergency shutdown device)：该系统作为独立的控制系统，在紧急情况下，通过关断或者切除相应的设备了来保证整个船舶的安全与稳定运行。当系统发生紧急情况时，用以采取的紧急切断措施。例如：当船员巡检时发现某区域氢气泄漏，并当即按下该区域的紧急停止按钮，紧急切断系统会按照预先设计好的程序去切断相应的设备，并保证其他区域船舶设备的正常运行。安保系统主要负责船舶整个动力系统以及船舶航行的稳定与安全，例如：当船舶某位置发生火灾时，主控制器会发送命令去关掉相对应区域氢气的供给，停掉相应的燃料电池，用以保证船舶的正常航行。
51.电机控制器(dcac)：该控制器主要是保证主推进电机的安全正常运行，接收到操作手柄发送的转速信号后，作为执行器件控制推进电机进行相应的加减速，以满足船舶相应的操纵性能。
52.检测系统(ms：monitoring system)：包括火警探测系统(fds fire detectionsystem)、氢气含量探测系统(gds gas detection system)、温度监测系统(tmstemperature monitoring system)。火警探测系统(fds)主要是对船舶各个区域进行火警的探测，并通过can2.0通讯协议发送相应的报警至主控制器，控制器会分析判断并作出相应的决定。
53.氢气含量探测系统(gds)：主要是对船舶每个可能发生氢气泄漏的区域进行监测，当气体浓度达到一定程度时，会激活报警，并将相应的报警发送给主控制器，控制器会分析
判断并作出相应的决定。
54.温度控制系统(tms)：主要是监测锂电池组、电机、燃料电池系统等温度，当温度达到一定程度时，会激活报警，并将相应的报警发送给控制器，控制器会分析判断并作出相应的决定。
55.燃料电池与锂电池组同时并联在直流配电系统母线上，同时，直流配电系统输出电能至主电力推进系统的电机控制器输入侧(dcac)。船舶驾驶室的操作手柄通过硬线和can2.0通讯方式与电机控制器通讯，并发送速度指令给电机控制器，电机控制器收到实时速度指令后，通过改变输出电压和频率来控制船舶主推进电机的旋转速度，而电机后端直接连接螺旋桨，进而控制船舶前进和后退的速度。当船舶有大功率动力需求时，燃料电池和锂电池组会同时向负载侧释放电能，用以满足负载侧动力需求；当船舶功率需求小，航速低或者紧急刹车时，燃料电池除满足负载侧的功率需求外，还会向锂电池组充电。
56.本发明的工作原理如下：
57.本发明中燃料电池单元作为船舶主动力来源为船舶提供能量，锂电池组作为辅助能量源通过双向dcdc转换器辅助，在船舶动力需求大时，向直流电网释放储存的电能，为船舶提供动力；当船舶紧急减速或者刹车时，存储燃料电池降负荷过程和螺旋桨降速过程当中产生的电能，保证设备和设施的安全与稳定。控制器通过与燃料电池控制器，储氢单元控制器，锂电池组电池管理系统控制器，推进电机马达控制器，火警系统，氢气探测系统以及紧急切断系统之间的双网通讯来实现整船的能量管理系统，以保证船舶的安全与稳定运行。
58.在本发明中的动力系统的控制器采用先进的eea(electrical/electricarchitecture)架构，用以实现数据的快速处理，并通过其强有力的运算速度，为整船电力系统的安全与稳定奠定了坚实的基础。
59.本发明中的主监控面板，通过人机界面的方式将整个船舶动力系统的主要参数呈现给操作和值班人员，例如：船舶的gps位置，实时的航速，主推进电机的转速，推进电机的绕组温度，主推进电机控制器的输出电流，扭力，储氢系统的剩余氢气量，燃料电池的实时发电功率，锂电池组是在充电还是在放电，剩余电量以及各个系统之间的通讯状态等等。同时，该监控系统还会收集各个子系统以及主控制系统的主要报警信息，用以提示值班工作人员及时快速地去发现并处理解决问题。
60.远程监控系统，即控制管理系统，控制器通过can通讯协议将需要发送的内容通过数据采集终端模块发送至岸上，用以记录，分析和判断；如果采用vsat 通讯，船上只需为系统配备一个ip地址即可，控制器会将数据通过can，ethernet 通讯转换模块把数据送至以太网拓扑中，进而送至岸上。这些数据除了整个动力系统的主要数据外，同时还包括船上gps信息，航速信息等等。
61.本发明中控制器与各个子系统控制器之间都是通过双can通讯网络实现冗余的，当一路can网络通讯中断时，另外一路还是可以正常工作的，以保证整个系统的稳定性。同时，控制器采用冗余设计，有两套，一用一备，而且是热备，这样当在运行的控制器故障时，另外一台控制器会无扰动的接管之前的控制器，进而进一步加强了系统的稳定性。
62.dcdc转换器，燃料电池dcdc只是单向升压的作用，将燃料电池原本 100-200vdc的电压升至580vdc左右，然后送至直流母线，该dcdc受燃料电池单元控制器控制。锂电池组
dcdc则是双向dcdc转换器，当母排电压低于锂电池组通过dcdc升压后的电压时向直流母排释放电能；当直流母排电压高过660vdc时向锂电池组充电。该dcdc转换器受控制器控制。
63.主推进电机控制器(dcac)，该控制器的最大驱动能力为350kva，用于驱动一台额定250kw，3000rpm的主推进电机。主操纵手柄共有两路信号送至电机控制器，一路是can2.0通讯接口送至马达控制器can2.0通讯接口1；另外一路则是通过硬线(两芯屏蔽线)将
±
10v操纵手柄电位计信号送至电机控制器信号输入侧接线端子，然后电机控制器将
±
10v的电信号转换为
±
3000rpm的电机对应转速信号，并将其作为目标，通过vvvf的方式，最终使电机的反馈转速与目标转速相一致。同时，控制器也会通过can2.0通讯的方式将通讯线截至电机控制器can2.0通讯接口2进行通讯，电机控制器会将该控制器和电机运行的一些主要参数送至控制器，进而通过控制器送至主监控界面和岸上，以便于操作人员数据进行管理。而控制器紧急情况下则会发送快速减载信号(快速降速信号)至电机控制器以保证船舶电力系统的稳定。例如：某一个燃料电池单元突发故障停机等。
64.船舶上的通讯导航设备会将gps船舶位置信号，船舶对地、对海的航速，吃水，航向以及风速等等信号通过nema-0183的通讯协议通过一个信号转换器，将其转换为can2.0通讯，进而与主控制器直接通讯。
65.本发明中的动力系统中所有燃料电池单元与锂电池组是并联在直流母线上的，正常航行状态下，船舶动力系统的电力需求是由燃料电池单元发电所产生的电能提供的；当船舶需要在最高航速运行时，燃料电池所产生的电能无法完全覆盖动力系统所需的动力需求，这时，锂电池组会自动投入，向电网释放电能，以满足动力系统的需求；当船舶航速低时，燃料电池会在主控制器的控制下按需向锂电池组充电；当船舶停航时，锂电池组会向电网释放电能用于船上空调、照明，厨房设备等等设施设备的供电，而当锂电池组电压接近522vdc 的释放电能电压下限时，燃料电池单元会在主控制器的控制下自动投入运行，接管锂电池组的负荷并继续增加功率输出继而反向向锂电池组充电。
66.主操纵手柄的命令信号同样会以can2.0通讯的方式与控制器通讯，控制器在收到操纵手柄的指令信号后，会根据电力系统的现状作出判断，是否需要增加或者减少燃料电池单元的运行，当然也包括锂电池组的投入与切除等等。同时，为保证系统的稳定运行，控制器会实时地向电机控制器发送负荷限制值，意在保证燃料电池单元在安全稳定运行的前提下，电机负荷会按照一定的曲线按照一定的速率进行正常加减速。
67.本发明中系统启动后，控制器会首先检查母排上的锂电池组开关是否合闸，如果没有合闸，会发出报警，通知值班人员去检查、确认并将锂电池组开关合闸，以保证辅助控制设备、系统的dc24v供电。同时，控制器会检查操纵手柄的位置是否在零位，以及动力系统启动按钮是否被按下。
68.动力系统的启动条件是：
69.1、锂电池组已合闸，锂电池组保险丝正常工作并且bms正常；
70.2、操纵手柄在零位；
71.3、动力系统停止按钮未被激活。
72.如果条件不具备，但是启动按钮的触点却一直处于闭锁状态，系统会报故障通知值班人员去检查启动按钮。如果启动条件已具备，然后操作员需要按下启动按钮超过5s，动力系统的启动命令才会被激活。
73.以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。