CN108657406A - 一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力*** - Google Patents

Abstract

本发明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***，整个***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***的适用范围广泛。

Description

一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力***

技术领域

本发明涉及的是一种动力***，具体地说是船舶动力***。

背景技术

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***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。

发明内容

本发明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***。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力***，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。

本发明一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力***，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。

本发明还可以包括：

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，第二永磁耦合器闭合，第一永磁耦合器断开，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；

(6)柴气混合串联推进模式：柴油机、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，其所需电力由柴油机和气体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，第一永磁耦合器和第二永磁耦合器闭合，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；

(7)岸电充电模式：当船舶在港口和岸边停靠时，通过外接电源为蓄电池充电。

3、所述的柴油机和气体机的工作模式包括混合推进模式：

所述混合推进模式包括：柴电混合推进模式、气电混合推进模式、柴气电混合推进模式、柴电混合推进辅助发电模式、气电混合推进辅助发电模式、柴气电混合推进辅助发电模式。

(1)柴电混合推进模式：柴油机、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，第一永磁耦合器闭合，第二永磁耦合器断开，第一-第二、第五-第六离合器闭合，第三-第四离合器断开，由柴油机、第一电动机和第二电动机共同带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；

(2)气电混合推进模式：气体机、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，第二永磁耦合器闭合，第一永磁耦合器断开，第一-第二、第五-第六离合器闭合，第三-第四离合器断开，由气体机、第一电动机和第二电动机共同带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；

(3)柴气电混合推进模式：柴油机、气体机、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闭合，第一-第二、第五-第六离合器闭合，第三-第四离合器断开，由柴油机、气体机、第一电动机和第二电动机共同带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；

(4)柴电混合推进辅助发电模式：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，并可为蓄电池充电，第一永磁耦合器闭合，第二永磁耦合器断开，第一-第六离合器均闭合，由柴油机、第一电动机和第二电动机共同带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；

(5)气电混合推进辅助发电模式：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，并可为蓄电池充电，第二永磁耦合器闭合，第一永磁耦合器断开，第一-第六离合器均闭合，由气体机、第一电动机和第二电动机共同带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；

(6)柴气电混合推进辅助发电模式：柴油机、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，其所需电力由柴油机和气体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，并可为蓄电池充电，第一永磁耦合器和第二永磁耦合器闭合，第一-第六离合器均闭合，由柴油机、气体机、第一电动机和第二电动机共同带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转。

4、所述气体机为天然气发动机或双燃料发动机，气体机的功率大于柴油机的功率，燃料电池为可直接使用天然气作为燃料的熔融碳酸盐型燃料电池或固体氧化物型燃料电池或磷酸型燃料电池，蓄电池为铅酸蓄电池或锂离子电池。

本发明的优势在于：

1.本发明提出了一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力***，设置有柴油机、气体机、两台电动机以及两台发电机，功率覆盖范围广，可以满足船舶在各种工况下的动力需求，并能使柴油机、气体机、电动机和发电机更好的工作在高效率区，从而降低了发动机的燃料消耗，提高了船舶的经济性和排放性，同时有效改善了船舶航行时的动力响应，提升了船舶的加减速性能和倒船性能。

2.气体机搭配燃料电池的供气需求与仅布置有气体机或燃料电池时的成本更加优化。同时燃料电池与蓄电池相结合作为电力供给装置，蓄电池弥补了燃料电池动力响应差、无法充电的缺点，燃料电池弥补了蓄电池容量低、效率低的缺点，并且可以有效延长蓄电池的使用寿命。

3.发动机和齿轮箱之间采用永磁耦合器代替传统的离合器连接，实现了发动机的柔性并车，有效改善了发动机在并车时受到的冲击和震动，延长了发动机的使用寿命，虽然相比离合器，永磁耦合器的动力响应较慢，但用在混合动力***中可以很好的避免该缺点。

4.多种动力源的布置方案提高了船舶的可靠性和适用性，通过永磁耦合器和离合器的闭合及断开，本发明所提供的混合动力***可以实现多种工作模式，有效提高了船舶混合动力***的效率，可根据实际动力需求和船舶航行环境，选择适合的工作模式。该方案不仅能够满足不同港口和海域的排放标准，还能有效缓解技术不成熟与愈加严格的排放标准之间的矛盾，而且还可根据柴油价格和液化天然气的价格合理分配发动机的运行时间，进一步提高船舶的经济性和排放性。

5.采用本***提供的船舶混合动力***，船舶可以不用安装发电用的柴油辅机，船舶负载的电力供给可主要由燃料电池和发电机代替，紧急情况还可使用蓄电池代替，故可有效节省船舱空间以及减少一定的初期投入。

6.通过齿轮箱内部的离合器闭合和断开实现双螺旋桨工作和单螺旋桨工作的切换，单螺旋桨工作时可以有效减小船舶的回转半径。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明另一种实施方式的结构示意图；

图3为图1齿轮箱的结构简图；

图4为图2齿轮箱的结构简图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-4，在图1中，一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力***，由柴油机1、发电机3a和3b、气体机5、电动机8a和8b、永磁耦合器2和6、离合器4a、4b、7a、7b、9a和9b、齿轮箱7、螺旋桨10a和10b、气阀11、气体供给装置12、液化天然气罐13、燃料电池14、充电插头15、蓄电池16、船舶负载17、配电板18、逆变器19、变频器20、整流器21组成。其连接关系为：柴油机1和气体机5的输出端分别通过永磁耦合器2和6与齿轮箱7的两个输入端相连，发电机3a和3b的输入端分别通过离合器4a和4b与齿轮箱7的两个输出端相连，电动机8a和8b的输出端分别通过离合器9a和9b与齿轮箱7的另外两个输入端相连，齿轮箱7的其余两个输出端分别与螺旋桨10a和10b相连，液化天然气罐13与气体供给装置12气连，并通过气阀11将天然气输送至气体机5和燃料电池14中，燃料电池14、蓄电池16、船舶负载17、逆变器19、整流器21都通过开关与配电板电连，逆变器19通过变频器20分别于与两台电动机8a和8b电连，发电机3a和3b与整流器21电连，蓄电池16带有可外接充电的插头15。

本实施例中，柴油机1和气体机5可以设置为等功率的，也可以设置为一台功率较大一台功率较小的，优选的方案是大功率的气体机5搭配小功率的柴油机1，这样既可以增加功率覆盖的范围，也可减少有害气体的排放。

本实施例中，气体机5优选纯天然气发动机或双燃料发动机，发电机3a和3b、电动机8a和8b优选具有高效率、高功率密度、寿命长等优点永磁电机，燃料电池14优选可直接使用天然气作为燃料的熔融碳酸盐型燃料电池或固体氧化物型燃料电池或磷酸型燃料电池，蓄电池16优选成本低、可靠性好的铅酸蓄电池或功率密度高、体积重量小的锂离子电池。

本发明中所示意的齿轮箱7的结构不局限于单个齿轮箱，也可以是多个齿轮箱所组成的具有类似结构和功能的动力合成机构，并带有两个离合器7a和7b，可分别实现断开和闭合。

本发明的工作模式主要包括机械推进模式，电力推进模式，混合推进模式。

1.机械推进模式

机械推进模式可分为：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：在该种工作模式下，柴油机1处于运行状态，永磁耦合器2闭合，永磁耦合器6断开，离合器7a和7b闭合，离合器4a、4b、9a和9b断开，由柴油机1带动两个螺旋桨10a和10b运转。

2)气体机推进模式：在该种工作模式下，气体机5处于运行状态，永磁耦合器6闭合，永磁耦合器2断开，离合器7a和7b闭合，离合器4a、4b、9a和9b断开，由气体机5带动两个螺旋桨10a和10b运转。

3)柴气混合推进模式：在该种工作模式下，柴油机1和气体机5同时处于运行状态，永磁耦合器2和6闭合，离合器7a和7b闭合，离合器4a、4b、9a和9b断开，由柴油机1和气体机5同时带动两个螺旋桨10a和10b运转。

4)柴油机推进辅助发电模式：在该种工作模式下，柴油机1、发电机3a和3b处于运行状态，永磁耦合器2闭合，永磁耦合器6断开，离合器4a、4b、7a和7b闭合，离合器9a和9b断开，由柴油机1带动两个螺旋桨10a和10b运转的同时带动两台发电机3a和3b发电，经整流器21汇入配电板18。

5)气体机推进辅助发电模式：在该种工作模式下，气体机5、发电机3a和3b处于运行状态，永磁耦合器6闭合，永磁耦合器2断开，离合器4a、4b、7a和7b闭合，离合器9a和9b断开，由气体机5带动两个螺旋桨10a和10b运转的同时带动两台发电机3a和3b发电，经整流器21汇入配电板18。

6)柴气混合推进辅助发电模式：在该种工作模式下，柴油机1、气体机5、发电机3a和3b处于运行状态，永磁耦合器2和6闭合，离合器4a、4b、7a和7b闭合，离合器9a和9b断开，由柴油机1和气体机5带动两个螺旋桨10a和10b运转的同时带动两台发电机3a和3b发电，经整流器21汇入配电板18。

2.电力推进模式

电力推进模式可分为：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：在该种工作模式下，电动机8a和8b处于运行状态，其所需电力完全由燃料电池14提供，汇入配电板18后再经逆变器19、变频器20输入，永磁耦合器2和6断开，离合器9a和9b闭合，离合器4a、4b、7a和7b断开，由电动机8a和8b带动两个螺旋桨10a和10b运转。

2)蓄电池推进模式：在在该种工作模式下，电动机8a和8b处于运行状态，其所需电力完全由蓄电池16提供，汇入配电板18后再经逆变器19、变频器20输入，永磁耦合器2和6断开，离合器9a和9b闭合，离合器4a、4b、7a和7b断开，由电动机8a和8b带动两个螺旋桨10a和10b运转。

3)混合供电推进模式：在在该种工作模式下，电动机8a和8b处于运行状态，其所需电力由燃料电池14和蓄电池16提供，汇入配电板18后再经逆变器19、变频器20输入，永磁耦合器2和6断开，离合器9a和9b闭合，离合器4a、4b、7a和7b断开，由电动机8a和8b带动两个螺旋桨10a和10b运转。

4)柴油机串联推进模式：在该种工作模式下，柴油机1、发电机3a和3b、电动机8a和8b处于运行状态，其所需电力完全由柴油机1带动发电机3a和3b来提供，经整流器21汇入配电板18后再经逆变器19、变频器20输入，永磁耦合器2闭合，永磁耦合器6断开，离合器4a、4b、9a和9b闭合，离合器7a和7b断开，由电动机8a和8b带动两个螺旋桨10a和10b运转。

5)气体机串联推进模式：在该种工作模式下，气体机5、发电机3a和3b、电动机8a和8b处于运行状态，其所需电力完全由气体机5带动发电机3a和3b来提供，经整流器21汇入配电板18后再经逆变器19、变频器20输入，永磁耦合器6闭合，永磁耦合器2断开，离合器4a、4b、9a和9b闭合，离合器7a和7b断开，由电动机8a和8b带动两个螺旋桨10a和10b运转。

6)柴气混合串联推进模式：在该种工作模式下，柴油机1、气体机5、发电机3a和3b、电动机8a和8b处于运行状态，其所需电力由柴油机1和气体机5带动发电机3a和3b来提供，经整流器21汇入配电板18后再经逆变器19、变频器20输入，永磁耦合器2和6闭合，离合器4a、4b、9a和9b闭合，离合器7a和7b断开，由电动机8a和8b带动两个螺旋桨10a和10b运转

7)岸电充电模式：当船舶在港口和岸边停靠时，可通过充电插头15外接电源为蓄电池16充电。

3.混合推进模式

混合推进模式可分为：柴电混合推进模式、气电混合推进模式、柴气电混合推进模式、柴电混合推进辅助发电模式、气电混合推进辅助发电模式、柴气电混合推进辅助发电模式。

1)柴电混合推进模式：在该种工作模式下，柴油机1、电动机8a和8b处于运行状态，其所需电力由燃料电池14和蓄电池16提供，汇入配电板18后再经逆变器19、变频器20输入，永磁耦合器2闭合，永磁耦合器6断开，离合器7a、7b、9a和9b闭合，离合器4a和4b断开，由柴油机1、电动机8a和8b共同带动两个螺旋桨10a和10b运转。

2)气电混合推进模式：在该种工作模式下，气体机5、电动机8a和8b处于运行状态，其所需电力由燃料电池14和蓄电池16提供，汇入配电板18后再经逆变器19、变频器20输入，永磁耦合器6闭合，永磁耦合器2断开，离合器7a、7b、9a和9b闭合，离合器4a和4b断开，由气体机5、电动机8a和8b共同带动两个螺旋桨10a和10b运转。

3)柴气电混合推进模式：在该种工作模式下，柴油机1、气体机5、电动机8a和8b处于运行状态，其所需电力由燃料电池14和蓄电池16提供，汇入配电板18后再经逆变器19、变频器20输入，永磁耦合器2和6闭合，离合器7a、7b、9a和9b闭合，离合器4a和4b断开，由柴油机1、气体机5、电动机8a和8b共同带动两个螺旋桨10a和10b运转。

4)柴电混合推进辅助发电模式：在该种工作模式下，柴油机1、发电机3a和3b、电动机8a和8b处于运行状态，其所需电力由柴油机1带动发电机3a和3b来提供，经整流器21汇入配电板18后再经逆变器19、变频器20输入，并可为蓄电池16充电，永磁耦合器2闭合，永磁耦合器6断开，离合器均闭合，由柴油机1、电动机8a和8b共同带动两个螺旋桨10a和10b运转。

5)气电混合推进辅助发电模式：在该种工作模式下，气体机5、发电机3a和3b、电动机8a和8b处于运行状态，其所需电力由气体机5带动发电机3a和3b来提供，经整流器21汇入配电板18后再经逆变器19、变频器20输入，并可为蓄电池16充电，永磁耦合器6闭合，永磁耦合器2断开，离合器均闭合，由气体机5、电动机8a和8b共同带动两个螺旋桨10a和10b运转。

6)柴气电混合推进辅助发电模式：在该种工作模式下，柴油机1、气体机5、发电机3a和3b、电动机8a和8b处于运行状态，其所需电力由柴油机1和气体机5带动发电机3a和3b来提供，经整流器21汇入配电板18后再经逆变器19、变频器20输入，并可为蓄电池16充电，永磁耦合器2和6闭合，离合器均闭合，由柴油机1、气体机5、电动机8a和8b共同带动两个螺旋桨10a和10b运转。

在上述所有模式下，若单台发电机或发动机的功率即可满足需求，可控制开关和离合器，实现单发电机或单电动机工作，使其工作在高效率区。同时可轮换使用单台发电机和电动机，可以避免单台电动机或发电机长时间工作导致自身过热，从而使运行效率降低，还可有效延长发电机和电动机的使用寿命。

上述模式中：机械推进模式适用于当船舶离开港口或码头后，进入海域稳定航行时，以及对船舶排放和噪声要求不高的区域；电力推进模式适用于船舶进出港口或码头，船舶加减速、倒船、靠岸，以及对船舶排放和噪声有较高要求的区域；混合推进模式适用于船舶对推进功率或航速有一定需求时。其中辅助发电模式适用于燃料电池不工作时。

在机械推进模式和混合推进模式下，当离合器7a和7b一个断开一个闭合时，可以实现单螺旋桨的工作状态；在电力推进模式下，离合器7a和7b都断开，可以实现单台电动机带动单螺旋桨的工作状态，或是让一台电动机工作功率较大，另一台电动机工作功率较小，实现船舶在转向时双螺旋桨内慢外快的工作状态。上述工作模式都能够有效减少船舶在转弯时的回转半径。

采用本发明提供的船舶混合动力***可以不用布置发电用的船舶柴油辅机，船舶负载17所需要的电力主要由燃料电池14提供，辅助发电时发电机3a和3b也可提供部分电力，建议遇到紧急情况再使用蓄电池16提供，以此延长蓄电池16的使用寿命。

考虑船舶实际需求功率的大小以及与发动机功率、燃料电池功率、蓄电池容量之间的匹配问题，可增加或减少发电机和电动机台数。

下表为本实施例所提供的一种船舶在定负荷时的功率配置方案，该配置方案不考虑能量流转换时的损耗，仅表示能量流分配时的方向：柴油机额定功率为900kW，气体机额定功率为1200kW，单台电动机额定功率为600kW，单台发电机额定功率为600kW，燃料电池功率为600kW，蓄电池总容量为300kW·h(按2C放电倍率放电时发出功率为600kW，按1/3C充电倍率充电时需求功率为100kW，C为库仑)，船舶负载消耗功率为300kW。如下表所示，当柴油机、气体机、电动机和发电机在不同工作模式下都工作高效率区时，***的功率分布情况。其中S(Shaft power)代表轴功率，E(Electric power)代表电功率，单位都为kW，+代表部件发出的轴功率或电功率，-代表部件消耗的轴功率或电功率，\代表部件处在关闭状态。

如表中所示的柴气电混合推进模式，在该模式下，柴油机1、气体机5、电动机8a和8b处于运行状态，发电机3a和3b处于关闭状态，燃料电池14和蓄电池16都供电，柴油机1发出900kW的轴功率，气体机5发出1200kW的轴功率，燃料电池14发出600kW的电功率，蓄电池16发出900kW的电功率，电动机8a和8b分别消耗600kW的电功率并发出600kW的轴功率，船舶负载消耗300kW的电功率，最后船舶用来推进的轴功率为3300kW。

图2为本发明的另一种优选的实施方式，其相互构造、连接关系、工作模式等与图1相似，故在此省略。图2的布置方式与图1相比，减少了发电机的台数并改变了齿轮箱的结构，采用图2的布置方式会使整个船舶混合动力***结构更加紧凑，布置更为简单，但功率覆盖范围会有所减小且单发电机负荷较大。

图3和图4分别为本发明提供的图1和图2简化结构中的齿轮箱7的一种组合形式。多个简单齿轮箱的组合形式可以让结构布置更加自由，空间分布更加合理，并可根据功率匹配更为容易增加或减少电动机和发电机台数，使船机桨的匹配更加灵活。但能量损耗会有少许增多，还会占用更多的船舱空间。

Claims (6)

1.一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力***，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***，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***，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，第二永磁耦合器闭合，第一永磁耦合器断开，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；

(6)柴气混合串联推进模式：柴油机、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，其所需电力由柴油机和气体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，第一永磁耦合器和第二永磁耦合器闭合，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；

(7)岸电充电模式：当船舶在港口和岸边停靠时，通过外接电源为蓄电池充电。

4.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***，其特征是：所述的柴油机和气体机的工作模式包括混合推进模式：

所述混合推进模式包括：柴电混合推进模式、气电混合推进模式、柴气电混合推进模式、柴电混合推进辅助发电模式、气电混合推进辅助发电模式、柴气电混合推进辅助发电模式。

(1)柴电混合推进模式：柴油机、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，第一永磁耦合器闭合，第二永磁耦合器断开，第一-第二、第五-第六离合器闭合，第三-第四离合器断开，由柴油机、第一电动机和第二电动机共同带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；

(2)气电混合推进模式：气体机、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，第二永磁耦合器闭合，第一永磁耦合器断开，第一-第二、第五-第六离合器闭合，第三-第四离合器断开，由气体机、第一电动机和第二电动机共同带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；

(3)柴气电混合推进模式：柴油机、气体机、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闭合，第一-第二、第五-第六离合器闭合，第三-第四离合器断开，由柴油机、气体机、第一电动机和第二电动机共同带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；

(4)柴电混合推进辅助发电模式：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，并可为蓄电池充电，第一永磁耦合器闭合，第二永磁耦合器断开，第一-第六离合器均闭合，由柴油机、第一电动机和第二电动机共同带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；

(5)气电混合推进辅助发电模式：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，并可为蓄电池充电，第二永磁耦合器闭合，第一永磁耦合器断开，第一-第六离合器均闭合，由气体机、第一电动机和第二电动机共同带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转；

(6)柴气电混合推进辅助发电模式：柴油机、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，其所需电力由柴油机和气体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，并可为蓄电池充电，第一永磁耦合器和第二永磁耦合器闭合，第一-第六离合器均闭合，由柴油机、气体机、第一电动机和第二电动机共同带动第一螺旋桨和第二螺旋桨运转。

5.一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力***，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。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种带燃料电池的柴气电混联式船舶混合动力***，其特征是：所述气体机为天然气发动机或双燃料发动机，气体机的功率大于柴油机的功率，燃料电池为可直接使用天然气作为燃料的熔融碳酸盐型燃料电池或固体氧化物型燃料电池或磷酸型燃料电池，蓄电池为铅酸蓄电池或锂离子电池。