CN104786862A - 一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统 - Google Patents

Abstract

一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统，涉及燃料电池/锂电池/超级电容的混合动力车辆的研发领域，包括动力系统能量管理单元：根据车辆不同工况和各子系统的反馈信息确定各能量源的功率分配策略，并通过动力系统网络将控制信号发送给各子系统，各子系统根据请求功率完成相关控制；燃料电池子系统：根据能量管理单元发送来请求功率完成控制，使其输出功率满足要求，并向能量管理单元发送反馈信息；超级电容和蓄电池子系统：根据控制信号分为启动/加速、匀速、制动/停车三种工况和SOC值判断超级电容和蓄电池的充放电状态。

Description

一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统

技术领域

本发明涉及一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统设计方案，该设计方案适用于基于燃料电池/锂电池/超级电容的混合动力车辆的研发领域，尤其适用于混合动力机车的研发领域。

背景技术：

基于大功率PEMFC的混合动力机车是国内外正在研究的热点。 PEMFC利用氢气和空气通过电化学反应发电，产物只有水，做到了真正意义的零排放。同时，PEMFC是通过温和的电化学反应发电，不经过燃烧过程，系统电效率高达45~50%，比内燃机高出10个百分点以上，因而PEMFC发电系统在轨道交通领域有着巨大的应用前景。

城市有轨电车启动加速时牵引功率需求较大，为300~600kW，而匀速行驶时需求功率较小，仅需100~200kW，全路段平均功率需求更小，只有几十kW。这种功率需求模式非常适合构建PEMFC混合动力系统，由PEMFC发电系统提供电车全线运行所需能量，靠蓄电池或超级电容提供启动加速所需峰值功率需求，提高混合动力有轨电车的运行稳定性，增加续航里程。

对于混合动力有轨电车来说，其动力系统的设计是确保有轨电车稳定运行的关键。一般来讲，混合动力有轨电车动力系统涉及多套燃料电池发电系统、多套锂电池和超级电容系统、多个DC/DC变换器、储氢模块、列车硬线接口以及能量管理系统等部分组成，各部分之间网络连接和控制策略对整车的正常运行将具有关键作用。

发明内容

有鉴于此，确有必要为所述燃料电池/锂电池/超级电容混合动力有轨电车动力系统提供一种能够适合有轨电车应用、满足实际需求、设计成本较低的方案。

   本发明为了实现上述目的采用以下技术方案：

一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统，其特征在于：

动力系统能量管理单元：根据车辆不同工况和各子系统的反馈信息确定各能量源的功率分配策略，并通过动力系统网络将控制信号发送给各子系统，各子系统根据请求功率完成相关控制；

燃料电池子系统：根据能量管理单元发送来请求功率完成控制，使其输出功率满足要求，并向能量管理单元发送反馈信息；

超级电容和蓄电池子系统：根据控制信号分为启动/加速、匀速、制动/停车三种工况和SOC值判断超级电容和蓄电池的充放电状态。

上述技术方案中，燃料电池子系统包括燃料电池系统总控制器、电堆（燃料电池）及电堆内部控制器（燃料电池内部控制器）、单向DC/DC斩波器、电堆辅机系统（燃料电池辅机系统）；其中燃料电池总控制器向电堆内部控制器、单向DCDC斩波器发送控制指令，并且根据反馈信息控制电堆的辅机系统达到要求。

燃料电池辅机系统分为启动、正常运行、正常停机和紧急停机四种工况，并与燃料电池内部控制器保持通讯，向其发送请求电流。

电堆内部控制器，用于电堆本身的一些控制，燃料电池内部控制器根据接收到的请求电流，完成电堆内部阴阳极的压力的调整，并计算所需的空气流量等信息，发送至总控制器，协调工作，最终使整套燃料电池系统能够输出期望输出的功率。

上述技术方案中，动力系统能量管理单元如检测到某套燃料电池、超级电容、蓄电池发生故障，则将其切出供电总线，并对剩余各子系统重新进行能量分配，保障机车正常行驶。

上述技术方案中，动力系统能量管理单元将机车运行分为燃料电池启动、机车启动、机车加速、机车正常运行、机车制动、机车紧急制动、机车停车这几种工况，并根据超级电容和蓄电池子系统的SOC范围和燃料电池子系统的工作状态来分配燃料电池子系统和超级电容、蓄电池子系统输出功率。

上述技术方案中，超级电容和蓄电池子系统中将机车工况分为加速、正常运行和制动三种。

上述技术方案中，当工况处于燃料电池启动时，动力系统能量管理单元通过双向DC/DC控制器控制蓄电池子系统向燃料电池辅机系统供电，由燃料电池子系统总控制器逐级完成燃料电池辅机系统的启动；

在燃料电池子系统启动过程中随时检测燃料电池的工作状态，若燃料电池工作不正常，则停止启动；

当工况处于机车启动/加速时，动力系统能量管理单元根据接收到的加速命令计算总的能量需求，并逐级提高燃料电池子系统的功率请求，在此过程中控制超级电容和蓄电池子系统为放电状态，完成加速；当超级电容和蓄电池SOC值低于保护保护值时，控制双向DC/DC变换器将超级电容和蓄电池切出系统；

当工况处于机车正常运行、即近似匀速运行时，计算所需的总能量，并逐级提升燃料电池子系统的输出功率至大于需求功率，根据超级电容和蓄电池子系统的SOC值决定是否对其进行充电，当超级电容和蓄电池子系统的SOC值大于期望值上限后，逐级降低燃料电池子系统输出功率；

当工况处于机车制动/停车时，逐级降低燃料电池子系统的请求功率，并控制超级电容和蓄电池子系统为充电，以回收制动过程中产生的部分能量，此时根据超级电容和蓄电池子系统的SOC值来确定燃料电池是否进入最低功率输出或者待机状态；

当工况处于机车紧急急停时，首先控制燃料电池子系统输出断路器断开，并将电堆请求电流降低为零，同时停止储能装置对外的供能，但保留燃料电池冷却系统供电和控制系统供电。

上述技术方案中，在燃料电池辅机系统启动阶段，首先完成辅机系统控制供电，然后顺序完成冷却水变频器、散热风机变频器和空压机变频器的使能，确保燃料电池发电系统的有效散热，在此期间，由于电堆无法对外输电，其辅机功耗由与之输出并联的锂电池或超级电容供给，然后启动燃料电池子系统的燃料电池内部控制器，并启动供氢电磁阀，最后向燃料电池内部控制器发送最小请求电流；

在燃料电池辅机系统正常运行阶段，燃料电池子系统总控制器接收电堆内部控制器发来的冷却液流量请求、空气流量请求信号，结合外部实际工况实时调节散热风机变频器输出、冷却液变频器输出和空压机变频器输出；

在燃料电池辅机系统正常停机阶段，先将请求电流逐级递减至零，然后停止供氢，并启动氮气吹扫，然后依次将空压机变频器输出、散热风机变频器输出和冷却水泵变频器输出置零，之后按照正常启动的逆顺序关闭空压机、散热风机和冷却水泵变频器，最后依次关闭燃料电池内部控制器和辅机系统控制供电；

在燃料电池辅机系统故障停机阶段，如检测到故障信号有效，首先将燃料电池电堆输出主断路器切断，并将请求电流强制置零，然后按照正常停机顺序依次关闭相关系统。

上述技术方案中，当机车处于加速工况时，判断负载所需电流，如果超级电容实际SOC值大于期望SOC值，由超级电容放电；如果超级电容实际SOC值小于期望SOC值，且蓄电池SOC值大于期望SOC值，由蓄电池放电；如果超级电容和蓄电池SOC值均小于期望SOC值，则将二者切出供电总线；

当机车处于正常运行工况时，若超级电容和蓄电池的SOC值小于期望SOC值，则逐级提升燃料电池请求电流，使其输出功率大于实际电机需求功率，通过双向DC/DC变换器将超级电容和蓄电池切入总线进行充电，当超级电容或者蓄电池SOC值达到预期目标后，通过双向DC/DC变换器控制超级电容或者蓄电池处于放电状态或者缓慢充电状态。

当机车处于制动工况时，电机由电动机转为发电机，控制双向DC/DC系统将超级电容和蓄电池处于充电状态，回收总线电能，首先由超级电容回收，然后由蓄电池回收，如果此时制动输出功率仍大于超级电容和蓄电池所能回收的总和，则控制制动电阻投入。

因为本发明采用上述技术方案，因此具备以下有益效果：

该动力系统必须要保障动力系统能够稳定可靠地运行，同时也要对燃料电池/动力锂电池/进行保护，延长其使用寿命，提高燃料电池的利用效率；该动力系统还需要随时通过列车网络与机车总控单元保持数据交互，并实时记录机车运行过程中的状态数据，以供后续研究分析使用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统结构图。

图2为本发明实例提供的多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统协调工作原理。

图3为本系统中燃料电池子系统辅机系统启动时序图。

图4为本系统中燃料电池子系统辅机系统正常运行时序图。

图5为本系统中燃料电池子系统辅机系统正常停机时序图。

图6为本系统中燃料电池子系统辅机系统故障停机时序图。

主要符号说明

主能量管理单元              ECU_1

从能量管理单元              ECU_2

燃料电池系统1控制器         FCCU_1   

燃料电池系统2控制器         FCCU_2

燃料电池系统N控制器         FCCU_N

硬线及储能设备控制器        HCU

锂电池                      LIB

超级电容                    SC

直流-直流变换器             DC/DC

充电状态                    SOC。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例的混合动力有轨电车设计方案。

本发明提供了一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统设计方案，其包括：一个能量管理单元，该子系统包含一主一备两个控制器，负责根据有轨电车不同的运行工况确定各燃料电池、锂电池、超级电容输出功率的分配，并通过动力系统网络发送至相关控制子系统；一个数据存储单元，该子系统负责存储有轨电车运行过程中的数据，以便后续进行相关分析使用；多个燃料电池系统，该子系统包含燃料电池系统总控制器、燃料电池内部控制器、单向DC/DC斩波器、燃料电池辅机系统等，该子系统在工作过程中根据能量管理单元发送来请求功率完成相关控制，使其输出功率满足要求，并向能量管理单元发送反馈信息，多套燃料电池系统互相独立，增加了运行过程中的稳定性；一个硬线及储能设备控制系统，该子系统完成对储氢模块的相关控制、对列车硬线输入输出的控制以及对多套锂电池/超级电容模块双向DC/DC变换器的相关控制。

见图1，本发明实施例提供一种混合动力有轨电车设计方案，该方案由能量管理单元、燃料电池系统、数据存储单元和分布式控制单元组成。

见图1，能量管理单元子系统工作过程如下：该控制系统包含一主一备两个控制器（ECU_1为主，ECU_2为备），两个控制器同时机车总控单元通过列车网络进行数据交互。能量管理控制器将档位、电机状态等数据计算之后，确定各燃料电池、超级电容和蓄电池子模块输出功率分配，并将各模块的请求功率发送至燃料电池控制器和硬线及储能设备控制器，另外ECU_2作为ECU_1的备用控制器，当ECU_1发生故障时接替ECU_1进行工作，保障机车正常行驶。

见图1，数据存储单元工作过程如下；整车运行过程中，通过数据存储设备来实时显示动力系统的状态，包括供电状态、运行状态、故障状态、通信状态等等，调试维护人员可以通过该设备查看整套动力系统工作状态。

见图1，硬线及储能设备控制系统工作过程如下：该控制单元读取和发送机车硬线控制信号，并实时采集储氢模块压力、温度、氢气泄露值等数据，完成动力系统安全性的监测；另外，该单元负责与超级电容和蓄电池子系统进行通讯，能量管理单元对超级电容和蓄电池输出功率的分配由该单元输出至超级电容和蓄电池的双向DC/DC控制器。

见图1，燃料电池系统工作过程如下：FCCU控制器接收能量管理单元发送的功率请求，完成对燃料电池辅机系统的启动，使其满足燃料电池正常运行条件，并与燃料电池内部控制器进行通讯，发送请求电流至内部控制器。在该部分的控制中，将其分为电堆启动、电堆正常运行、正常停止和故障停止四部分单独考虑。

见图2，多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统协调工作原理如图所示，以下将各个模块分来讨论。

见图2，具体的，在能量管理单元控制策略中，将机车运行过程分为燃料电池启动、机车启动、机车加速、机车正常运行、机车制动、机车紧急制动、机车停车等工况，并根据各超级电容、蓄电池子模块的SOC范围和燃料电池系统的工作状态来分分配不同子系统的输出功率。

当工况处于燃料电池启动时，能量管理单元收到燃料电池启动命令，通过蓄电池通过双向DC/DC向燃料电池辅机系统供电，由各燃料电池子系统逐级完成辅机系统的启动，具体启动过程在燃料电池电池子系统工作过程中进行详细描述。在燃料电池启动过程中随时检测燃料电池的工作状态，若燃料电池工作不正常，则停止启动。

当工况处于机车启动/加速时，动力系统能量管理单元根据接收到的加速命令计算总的能量需求，并逐级提高燃料电池子系统的功率请求，在此过程中控制超级电容和蓄电池子系统为放电状态，完成加速；当超级电容和蓄电池SOC值低于保护保护值时，控制双向DC/DC变换器将超级电容和蓄电池切出系统；

当工况处于机车正常运行、即近似匀速运行时，计算所需的总能量，并逐级提升燃料电池子系统的输出功率至大于需求功率，根据超级电容和蓄电池子系统的SOC值决定是否对其进行充电，当超级电容和蓄电池子系统的SOC值大于期望值上限后，逐级降低燃料电池子系统输出功率；

当工况处于机车制动/停车时，逐级降低燃料电池子系统的请求功率，并控制超级电容和蓄电池子系统为充电，以回收制动过程中产生的部分能量，此时根据超级电容和蓄电池子系统的SOC值来确定燃料电池是否进入最低功率输出或者待机状态；

当工况处于机车紧急急停时，首先控制燃料电池子系统输出断路器断开，并将电堆请求电流降低为零，同时停止储能装置对外的供能，但保留燃料电池冷却系统供电和控制系统供电。

特别说明，在动力系统工作过程中，如检测到某套燃料电池、超级电容、蓄电池发生故障，及时将其切出供电总线，由能量管理单元对其进行重新能量分配，保障机车正常行驶。

见图2，在燃料电池子系统的控制策略中，将电堆辅机系统的控制分为启动、正常运行、正常停机和故障停机四种。

见图3，在电堆启动阶段，首先完成辅机系统控制供电，然后分三步来启动辅机子系统，顺序完成冷却水变频器、散热风机变频器和空压机变频器的使能，优先确保燃料电池发电系统的有效散热，在此期间，由于电堆无法对外输电，其辅机功耗由与之输出并联的锂电池或超级电容供给，然后启动燃料电池电池内部控制器，并启动供氢电磁阀，最后向燃料电池内部控制器发送最小请求电流。

见图4，在电堆正常运行阶段，接收燃料电池内部控制器发来的冷却液流量请求、空气流量请求等信号，结合外部实际工况实时调节散热风机变频器输出、冷却液变频器输出和空压机变频器输出，在这三个变频器的控制中，均采用差分增量PID算法来使其满足系统要求。

见图5，在电堆正常停机阶段，先将请求电流逐级递减至零，然后停止供氢，并启动氮气吹扫，然后依次将空压机变频器输出、散热风机变频器输出和冷却水泵变频器输出置零，之后按照正常启动的逆顺序关闭空压机、散热风机和冷却水泵变频器，最后，关闭依次关闭燃料电池内部控制器和辅机系统控制供电。

见图6，在电堆故障停机阶段，如检测到故障信号有效，首先将燃料电池电堆输出主断路器切断，并将请求电流强制置零，然后按照正常停机顺序依次关闭相关系统。

见图2，在超级电容和蓄电池的控制策略中，将机车工况分为加速、正常运行和制动三种，一下分类来对实现方式进行说明。

当机车处于加速工况时，判断负载所需电流，如果超级电容实际SOC值大于期望SOC值，由超级电容放电；如果超级电容实际SOC值小于期望SOC值，且蓄电池SOC值大于期望SOC值，由蓄电池放电；如果超级电容和蓄电池SOC值均小于期望SOC值，则将二者切出供电总线；

当机车处于正常运行工况时，若超级电容和蓄电池的SOC值小于期望SOC值，则逐级提升燃料电池请求电流，使其输出功率大于实际电机需求功率，通过双向DC/DC变换器将超级电容和蓄电池切入总线进行充电，当超级电容或者蓄电池SOC值达到预期目标后，通过双向DC/DC变换器控制超级电容或者蓄电池处于放电状态或者缓慢充电状态。

当机车处于制动工况时，电机由电动机转为发电机，控制双向DC/DC系统将超级电容和蓄电池处于充电状态，回收总线电能，首先由超级电容回收，然后由蓄电池回收，如果此时制动输出功率仍大于超级电容和蓄电池所能回收的总和，则控制制动电阻投入。

Claims (9)

1.一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统，其特征在于：包括动力系统能量管理单元和子系统，

所述动力系统能量管理单元：根据车辆不同工况和各子系统的反馈信息确定各能量源的功率分配策略，并通过动力系统网络将控制信号发送给各子系统，各子系统根据请求功率完成相关控制；

所述子系统包括燃料电池子系统，超级电容和蓄电池子系统，

所述燃料电池子系统：包括燃料电池及其辅机系统，根据能量管理单元发送来请求功率完成控制，使其输出功率满足要求，并向能量管理单元发送反馈信息；

所述超级电容和蓄电池子系统：包括超级电容、蓄电池和双向DC/DC变换器，由能量管理单元根据工况和SOC值确定超级电容和蓄电池的充放电状态，并将控制指令发送至该子系统控制器执行。

2.根据权利要求1所述的一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统，其特征在于：燃料电池子系统包括燃料电池系统总控制器、电堆及电堆内部控制器、单向DC/DC斩波器、燃料电池辅机系统；

燃料电池辅机系统分为启动、正常运行、正常停机和紧急停机四种工况，由燃料电池系统总控制器对其进行控制，在工作过程中，总控制器与电堆内部控制器保持通讯，向其发送请求电流。

3.根据权利要求1所述的一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统，其特征在于：动力系统能量管理单元如检测到某套燃料电池、超级电容、蓄电池发生故障，则将其切出供电总线，并对剩余各子系统重新进行能量分配，保障机车正常行驶。

4.根据权利要求1所述的一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统，其特征在于：动力系统能量管理单元将机车运行分为燃料电池启动、机车启动、机车加速、机车正常运行、机车制动、机车紧急制动、机车停车这几种工况，并根据超级电容/蓄电池子系统的SOC范围和燃料电池子系统的工作状态来分配燃料电池子系统和超级电容、蓄电池子系统输出功率。

5.根据权利要求1所述的一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统，其特征在于：超级电容和蓄电池子系统中将机车工况分为加速、正常运行、制动和停车四种。

6.根据权利要求4所述的一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统，其特征在于：

当工况处于燃料电池启动时，动力系统能量管理单元通过双向DC/DC控制器控制蓄电池子系统向燃料电池辅机系统供电，由燃料电池子系统总控制器逐级完成燃料电池辅机系统的启动；

在燃料电池子系统启动过程中随时检测燃料电池的工作状态，若燃料电池工作不正常，则停止启动；

当工况处于机车启动/加速时，动力系统能量管理单元根据接收到的加速命令计算总的能量需求，并逐级提高燃料电池子系统的功率请求，在此过程中控制超级电容和蓄电池子系统为放电状态，完成加速；当超级电容和蓄电池SOC值低于保护保护值时，控制双向DC/DC变换器将超级电容和蓄电池切出系统；

当工况处于机车正常运行、即近似匀速运行时，计算所需的总能量，并逐级提升燃料电池子系统的输出功率至大于需求功率，根据超级电容和蓄电池子系统的SOC值决定是否对其进行充电，当超级电容和蓄电池子系统的SOC值大于期望值上限后，逐级降低燃料电池子系统输出功率； 

当工况处于机车制动/停车时，逐级降低燃料电池子系统的请求功率，并控制超级电容和蓄电池子系统为充电，以回收制动过程中产生的部分能量，此时根据超级电容和蓄电池子系统的SOC值来确定燃料电池是否进入最低功率输出或者待机状态；

当工况处于机车紧急急停时，首先控制燃料电池子系统输出断路器断开，并将电堆请求电流降低为零，同时停止储能装置对外的供能，但保留燃料电池冷却系统供电和控制系统供电。

7.根据权利要求2所述的一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统，其特征在于：

在燃料电池辅机系统启动阶段，首先完成辅机系统控制供电，然后顺序完成冷却水变频器、散热风机变频器和空压机变频器的使能，确保燃料电池发电系统的有效散热，在此期间，由于电堆无法对外输电，其辅机功耗由与之输出并联的锂电池或超级电容供给，然后启动燃料电池子系统的燃料电池内部控制器，并启动供氢电磁阀，最后向燃料电池内部控制器发送最小请求电流；

在燃料电池辅机系统正常运行阶段，燃料电池子系统总控制器接收电堆内部控制器发来的冷却液流量请求、空气流量请求信号，结合外部实际工况实时调节散热风机变频器输出、冷却液变频器输出和空压机变频器输出；

在燃料电池辅机系统正常停机阶段，先将请求电流逐级递减至零，然后停止供氢，并启动氮气吹扫，然后依次将空压机变频器输出、散热风机变频器输出和冷却水泵变频器输出置零，之后按照正常启动的逆顺序关闭空压机、散热风机和冷却水泵变频器，最后依次关闭燃料电池内部控制器和辅机系统控制供电；

在燃料电池辅机系统故障停机阶段，如检测到故障信号有效，首先将燃料电池电堆输出主断路器切断，并将请求电流强制置零，然后按照正常停机顺序依次关闭相关系统。

8. 根据权利要求5所述的一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统，其特征在于：

当机车处于加速工况时，判断负载所需电流，如果超级电容实际SOC值大于期望SOC值，由超级电容放电；如果超级电容实际SOC值小于期望SOC值，且蓄电池SOC值大于期望SOC值，由蓄电池放电；如果超级电容和蓄电池SOC值均小于期望SOC值，则将二者切出供电总线；

当机车处于正常运行工况时，若超级电容和蓄电池的SOC值小于期望SOC值，则逐级提升燃料电池请求电流，使其输出功率大于实际电机需求功率，通过双向DC/DC变换器将超级电容和蓄电池切入总线进行充电，当超级电容或者蓄电池SOC值达到预期目标后，通过双向DC/DC变换器控制超级电容或者蓄电池处于放电状态或者缓慢充电状态。

9.当机车处于制动工况时，电机由电动机转为发电机，控制双向DC/DC系统将超级电容和蓄电池处于充电状态，回收总线电能，首先由超级电容回收，然后由蓄电池回收，如果此时制动输出功率仍大于超级电容和蓄电池所能回收的总和，则控制制动电阻投入。