一种氢能船舶动力系统的多元冗余系统

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1.本实用新型涉及船舶动力系统技术领域，具体为一种氢能船舶动力系统的多元冗余系统。

背景技术：

2.随着人们环保意识的不断增强，绿、无污染性、可持续性能源已经成为人们关注的焦点。氢能资源丰富、清洁环保，这使得人们将目光更多地转向了氢能。
3.氢燃料电池，唯一的排出物是水，氢燃料电池的工作温度仅仅为80度；氢燃料电池燃料获取方便，使用普通工业氢气瓶通过专门的加氢设施就可以对氢燃料电池的燃料储存罐加注；氢燃料电池不会产生任何异味，机械噪音小。
4.航运业作为经济全球化的主要载体，为世界经济贸易做出了巨大贡献。全球航运业二氧化碳排放量约占全球温室气体排放量的4％。在环境保护和能源短缺的双重压力下，清洁能源的使用已经迫在眉睫。氢能船舶在这样的环境下脱颖而出。氢能船舶使用氢燃料电池作为动力，使用过程中不会产生任何污染环境的物质，同时安全性高，是新环境下船舶的新颖方向。
5.当船舶在遇到燃料电池故障的紧急情况下，其会出现动力不足的问题，在需突然加速、减速，容易造成动力不稳定；船舶蓄电池在长时间使用情况下，使用寿命缩短严重；在船舶运行过程中，燃料电池负荷较大，且需经常补充，给工作人员带来诸多不便。

技术实现要素：

6.鉴于现有技术中所存在的问题，本实用新型公开了一种氢能船舶动力系统的多元冗余系统，采用的技术方案是，包括船舶主体，所述船舶主体上有动力装置控制系统，所述动力装置控制系统还包括电机控制器，所述电机控制器与电机连接，所述动力装置控制系统分别与太阳能发电板、蓄电池、燃料电池系统和超级电容器连接，所述船舶主体上还设有汽油挂机。
7.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述动力装置控制系统还包括太阳能发电板控制系统，所述太阳能发电板控制系统与所述太阳能发电板连接，所述太阳能发电板分别与制氢装置、所述蓄电池和所述超级电容器连接。
8.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述太阳能发电板包括甲板处太阳能发电板a、甲板处太阳能发电板b、船舶舱室太阳能发电板a和船舶舱室太阳能发电板b，所述太阳能发电板均设在所述船舶主体上。
9.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述动力装置控制系统还包括蓄电池控制系统，所述蓄电池控制系统与所述蓄电池连接，所述蓄电池与所述燃料电池系统连接。
10.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述动力装置控制系统还包括燃料电池控制系统，所述燃料电池控制系统与所述燃料电池系统连接，所述燃料电池系统与所述超级电容器连接。
11.作为本实用新型的一种优选技术方案，所述动力装置控制系统还包括超级电容器控制系统，所述超级电容器控制系统与所述超级电容器连接。
12.本实用新型的有益效果：本实用新型通过多种船舶动力的结合，使得船舶在运行时动力充足、稳定性更高、可靠性更好；同时使用超级电容器使得船舶处于启动、紧急加速等工况时，能量分配更加合理；超级电容可减轻燃料电池负担，保护蓄电池免受强电流冲击，延长了船舶蓄电池的使用寿命；太阳能发电板可以减轻燃料电池的负担，并且可以制备氢气，增加船舶航行时间。
附图说明
13.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
14.图1为本实用新型结动力系统图；
15.图2为本实用新型太阳能发电板分布图；
16.图3为本实用新型太阳能发电板系统图。
17.图中：1、蓄电池；2、电机控制器；3、太阳能发电板；4、太阳能发电板控制系统；5、动力装置控制系统；6、蓄电池控制系统；7、燃料电池控制系统；8、超级电容器控制系统；9、汽油挂机；10、超级电容器；11、电机；12、燃料电池系统；13、船舶主体；14、制氢装置；31、甲板处太阳能发电板a；32、甲板处太阳能发电板b；33、船舶舱室太阳能发电板a；34、船舶舱室太阳能发电板b。
具体实施方式
18.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。
19.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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实用新型中的具体含义。
20.实施例1
21.如图1至图3所示，本实用新型公开了一种氢能船舶动力系统的多元冗余系统，采用的技术方案是，包括船舶主体13，所述船舶主体13上有动力装置控制系统5，所述动力装置控制系统5还包括电机控制器2，所述电机控制器2与电机11连接，所述动力装置控制系统5分别与太阳能发电板3、蓄电池1、燃料电池系统12和超级电容器10连接，所述船舶主体13
上还设有汽油挂机9，所述动力装置控制系统5还包括太阳能发电板控制系统4，所述太阳能发电板控制系统4与所述太阳能发电板3连接，所述太阳能发电板3分别与制氢装置14、所述蓄电池1和所述超级电容器10连接，所述动力装置控制系统5还包括蓄电池控制系统6，所述蓄电池控制系统6与所述蓄电池1连接，所述蓄电池1与所述燃料电池系统12连接，所述动力装置控制系统5还包括燃料电池控制系统7，所述燃料电池控制系统7与所述燃料电池系统12连接，所述燃料电池系统12与所述超级电容器10连接，所述动力装置控制系统5还包括超级电容器控制系统8，所述超级电容器控制系统8与所述超级电容器10连接。
22.针对遇到燃料电池系统12故障的紧急情况下，动力不足的问题，本实用新型采用安装蓄电池1、太阳能发电板3，当动力不足时，可以使蓄电池1、太阳能发电板3参与提供电能，使电机11输出动能；另外安装有汽油挂机9，可以进行辅助、单独提供动能。
23.针对船舶在紧急情况下，如需突然加速、减速，动力系统的稳定性的问题，本实用新型采用安装蓄电池1和超级电容器10，当船舶处于启动、紧急加速等工况时，蓄电池1和超级电容器10可以配合或者单独提供峰值功率，能量分配更加合理。
24.针对船舶蓄电池1的使用寿命的问题，在急减速、紧急制动的工况下，超级电容器10可减轻燃料电池系统12负担，保护蓄电池1免受强电流冲击，延长了船舶蓄电池的使用寿命。
25.针对蓄电池1、超级电容器10需要充电，且燃料电池系统12正在运行时，燃料电池系统12负荷大的问题，本实用新型安装了太阳能发电板3，太阳能发电板3可以给蓄电池1、超级电容器10充电，减轻燃料电池系统12的负荷。
26.针对燃料电池系统12中的燃料需要补充的问题，本实用新型安装了船舶制氢装置14，太阳能发电板3在不参与动力系统供能，且不对蓄电池1和超级电容110充电时时，可将电能输送至船舶制氢装置14，为船舶燃料电池系统12提供燃料，充分利用弃光弃电，解决了光电的消纳问题。
27.本实用新型的工作原理：蓄电池1，可以辅助燃料电池系统12发电；电机控制器2，可以接受电能，并将电能传递给电机11；太阳能发电板3，可以将太阳能转换为电能；太阳能发电板控制系统4，可以控制太阳能发电板3，控制其工作及电能传递方向；动力装置控制系统5，可以控制检测下一级控制系统工作状态，例如，燃料电池控制系统7、蓄电池控制系统6、电机控制器2、太阳能发电板控制系统4；蓄电池控制系统6，控制蓄电池1；燃料电池控制系统7，可以控制燃料电池系统12；超级电容器控制系统8，可以控制超级电容器10；汽油挂机9，提供动能；超级电容器10，可以短时间储备电能和放电；电机11，将电能转换为动能；燃料电池系统12，将氢能转换为电能，并输出电能；辅助电源为蓄电池1、超级电容器10、太阳能发电板3，可以辅助燃料电池系统12提供电能；动力装置控制系统5为燃料电池控制系统7、蓄电池控制系统6、动力装置控制系统5、电机控制器2、太阳能发电板控制系统4，可以控制各个系统，协调各个设备的工作状态，可以在遭遇各种紧急工况下，保护燃料电池系统12；当船舶需要紧急加速、紧急停止时，蓄电池1和超级电容器10可以很好地减轻燃料电池系统12的负担；在安装超级电容器10后，当船舶处于启动、紧急加速等工况时，超级电容器10可以配合或者单独提供峰值功率，能量分配更加合理，减少对蓄电池1的冲击，可以将太阳能发电板3安装在甲板空旷位置，和舱室外表面；燃料电池系统12正在运行时，且负荷较高时，不能为蓄电池1、超级电容器10充电时，可由太阳能发电板3代替燃料电池系统12，为
蓄电池1、超级电容器10提供电能；蓄电池1、超级电容器10电量充足，且太阳能发电板3不需要参与动力系统运行时，立即转向为制氢装置14供能，将太阳能转换为氢能，为燃料电池系统12提供燃料。
28.太阳能发电板控制系统：主要由逆变器、充放电控制器组成构成。逆变器是船载太阳能发电系统的交流、直流转换装置，当船舶系统中需要交流电时，逆变器将太阳能产生的直流电转化为交流电。充放电控制器负责按照系统的负载需求控制太阳能发电板的电能输出量，也是整个太阳能发电板控制系统的核心控制部件，可参考文献：聂小鹏.船舶太阳能发电中自动跟踪控制系统的研究简[j].舰船科学技术,2018(2x):3。
[0029]
蓄电池控制系统、超级电容器控制系统：均主要有充、放电控制器组成，起到蓄电池、超级电容器的充、放电控制作用。
[0030]
燃料电池系统、燃料电池控制系统：燃料电池能够将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，一般由阴极、阳极、电解质(或质子传导膜)等构成。连续供应的燃料与空气(或氧气)分别在阳极和阴极，在不直接混合的条件下发生电化学反应，这个过程借助于电解质传递阴离子或阳离子。根据电解质的不同，燃料电池可分为质子交换膜燃料电池(pemfc)、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池(sofc)等。
[0031]
燃料电池控制系统需要将电堆的运行参数有效地控制在要求范围内,为保证燃料电池能够稳定可靠运行具有非常重要的作用。现有的燃料电池控制系统主要依靠启停控制策略、状态监测与控制技术、单片电压巡检技术、混合电源能量管理技术对燃料电池系统进行管理和控制，可参考文献：高俊波.基于dsp的闭式循环燃料电池控制系统设计及应用研究[d].哈尔滨工程大学,2016；褚适庚.船用燃料电池的混合动力系统研究[d].大连海事大学,2019。
[0032]
动力装置控制系统：作为船舶最核心的组成部分,动力推进装置正由单一助力向着混合助力的方向转变,为更好适应这种发展现状,设计船舶动力推进装置的暂态稳定性控制系统。在同步发电机励磁体系中,设置有源动力滤波器与pi控制设备,完成船舶动力推进装置暂态稳定性控制系统的基本应用环境建模。分别从定性指标处理、定量指标处理2个方面着手,分析动力推进装置的具体控制性能,联合相关硬件设备结构,实现船舶动力推进装置暂态稳定性控制系统的顺利应用。可参考文献：张海英,祝水琴.船舶动力推进装置暂态稳定性控制系统。
[0033]
制氢装置：传统制氢法主要有化石能源制氢、回收提纯石化工业副产品所含h2以及电解水制氢等，新能源制氢技术包括太阳能、风能、生物质和核能制氢等。目前全球商业化h2来自电解水制氢约4％，化石能源制氢约96％，其他制氢方法占比很小。太阳能制氢是近年来发展的制氢新技术，目前主要包括太阳能热分解水、太阳光催化(tio2)分解水、太阳光电解水和太阳能生物制氢等方法，均长期处于研究阶段。可参考文献：于全虎.氢能和燃料电池及其船舶应用进展[j].船舶,2020,31(5):8。
[0034]
本实用新型涉及的机械和电路连接为本领域技术人员采用的惯用手段，可通过有限次试验得到技术启示，属于公知常识。
[0035]
本文中未详细说明的部件为现有技术。
[0036]
上述虽然对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨
的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

技术特征：

1.一种氢能船舶动力系统的多元冗余系统，包括船舶主体(13)，其特征在于：所述船舶主体(13)上有动力装置控制系统(5)，所述动力装置控制系统(5)还包括电机控制器(2)，所述电机控制器(2)与电机(11)连接，所述动力装置控制系统(5)分别与太阳能发电板(3)、蓄电池(1)、燃料电池系统(12)和超级电容器(10)连接，所述船舶主体(13)上还设有汽油挂机(9)。2.根据权利要求1所述的一种氢能船舶动力系统的多元冗余系统，其特征在于：所述动力装置控制系统(5)还包括太阳能发电板控制系统(4)，所述太阳能发电板控制系统(4)与所述太阳能发电板(3)连接，所述太阳能发电板(3)分别与制氢装置(14)、所述蓄电池(1)和所述超级电容器(10)连接。3.根据权利要求1或2所述的一种氢能船舶动力系统的多元冗余系统，其特征在于：所述太阳能发电板(3)包括甲板处太阳能发电板a(31)、甲板处太阳能发电板b(32)、船舶舱室太阳能发电板a(33)和船舶舱室太阳能发电板b(34)，所述太阳能发电板(3)均设在所述船舶主体(13)上。4.根据权利要求1所述的一种氢能船舶动力系统的多元冗余系统，其特征在于：所述动力装置控制系统(5)还包括蓄电池控制系统(6)，所述蓄电池控制系统(6)与所述蓄电池(1)连接，所述蓄电池(1)与所述燃料电池系统(12)连接。5.根据权利要求1所述的一种氢能船舶动力系统的多元冗余系统，其特征在于：所述动力装置控制系统(5)还包括燃料电池控制系统(7)，所述燃料电池控制系统(7)与所述燃料电池系统(12)连接，所述燃料电池系统(12)与所述超级电容器(10)连接。6.根据权利要求1所述的一种氢能船舶动力系统的多元冗余系统，其特征在于：所述动力装置控制系统(5)还包括超级电容器控制系统(8)，所述超级电容器控制系统(8)与所述超级电容器(10)连接。

技术总结

本实用新型提供了一种氢能船舶动力系统的多元冗余系统，涉及船舶动力系统技术领域，旨在解决船舶在遇到燃料电池故障的紧急情况下，能够解决动力不足，如需突然加速、减速，动力系统稳定性差，电池使用寿命短，燃点电池需要补充燃料的问题，采用的技术方案是，所述船舶主体上有动力装置控制系统，所述动力装置控制系统还包括电机控制器，所述电机控制器与电机连接，所述动力装置控制系统分别与太阳能发电板、蓄电池、燃料电池系统和超级电容器连接，所述船舶主体上还设有汽油挂机；通过多种船舶动力的结合，使得船舶在运行时动力充足、稳定性更高、可靠性更好；同时使用超级电容器使得船舶处于启动、紧急加速等工况时，能量分配更加合理。加合理。加合理。