CN105904976A - 一种燃料电池混合动力机车能量管理系统 - Google Patents

一种燃料电池混合动力机车能量管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，包括基于DC/DC变换模块并且与燃料电池发电系统级联的单向DC/DC变换器、基于DC/DC变换模块并且与蓄电池组级联的双向DC/DC变换器、基于DC/DC变换模块并且与超级电容组级联的双向DC/DC变换器、制动电阻单元、能量管理单元、电压采集电路、电流采集电路及负载接口。本发明根据牵引电机的需求、燃料电池输出特性、蓄电池组和超级电容组的电气特性，实现制动能量回收。本发明是基于DC/DC变换模块的燃料电池混合动力机车能量管理系统，本发明使燃料电池工作于“高氢效模式”，维持蓄电池的荷电状态在一定范围内，能够延长蓄电池的使用寿命。

Description

一种燃料电池混合动力机车能量管理系统
技术领域
本发明属于混合动力机车能量管理技术领域，具体涉及一种燃料电池混合动力机车能量管理系统。
背景技术
当今世界能源缺乏日趋严重，新能源作为一种有效的解决途径，已逐渐成为当今世界各国研究的热点。风能，太阳能以及氢能等可再生能源的开发已成为全球能源发展的必然趋势，其中以氢能作为动力的燃料电池具有高效、安全、环保和功率密度高等突出优点，已经被各国广泛研究，但是燃料电池瞬时响应能力低且动态响应慢，所以燃料电池和辅助能源结合的混合动力系统受到了各国的广泛关注。为了解决燃料电池输出无法满足快速变化的负载，主要采取的措施为在燃料电池级联的单向DC/DC输出端并联辅助能源，到达快速响应负载变化的目的。
燃料电池混合动力系统的关键技术是能量管理策略，燃料电池混合动力系统能量管理的主要目标是在满足系统动态性能要求的前提下，提高燃料的利用率，延长燃料电池使用寿命，延长辅助能源使用寿命。目前，混合动力系统的能量管理技术主要包括：等效最小耗量控制策略、效率映射控制策略、自适应控制策略、模糊逻辑控制策略、智能小波变换策略、随机动态可编程控制与近似最优控制器相结合的控制策略等，上述这些能量管理策略有助于系统的实际运行控制，都是对混合动力系统的局部进行优化，且对控制器性能要求较高。
目前国内外已经开展了有关燃料电池混合动力机车能量管理方法的研究，同时也提出很多能量管理实现方法，一些学者提出基于粒子群算法的模糊控制能量管理策略，该策略是针对由燃料电池与蓄电池组成的混合动力机车，通过基于粒子群算法的模糊控制能量管理策略可以满足机车的动态性能，而且也降低了燃料的损耗，但是机车产生制动能量时，对蓄电池的充电功率要求较高，而且对蓄电池的充放电程度较大，导致蓄电池的使用寿命缩短。有些学者在研究燃料电池混合动力系统过程中提出了一种能量管理方法，使燃料电池切换于最大输出功率、额定功率、最大效率三种模式，可满足负载需求，也可实现蓄电池的充放电，但是该种控制策略对蓄电池的容量要求较大，增加了蓄电池的成本，而且蓄电池充电过程不能直接控制蓄电池充电电流，控制相对复杂。
发明内容
为了克服现有技术方法的不足，本发明的目的在于提出一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，本发明在燃料电池混合动力机车满足系统动态性能要求的前提下，确保燃料电池混合动力机车正常、稳定、高效的运行，同时实现燃料经济性，降低系统成本且延长辅助蓄电池的使用寿命。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，包括能量管理系统、燃料电池发电系统、蓄电池组、超级电容组和机车牵引电机模块；
所述能量管理系统包括：
基于DC/DC变换模块并且与燃料电池发电系统级联的单向DC/DC变换器、用于检测直流母线电压的直流母线电压采集电路、用于检测直流母线电流的直流母线电流采集电路；
基于DC/DC变换模块并且与蓄电池组级联的双向DC/DC变换器、用于检测蓄电池组电压的蓄电池组电压采集电路、用于检测蓄电池组电流的蓄电池组电流采集电路；
基于DC/DC变换模块并且与超级电容组级联的双向DC/DC变换器、用于检测超级电容组电压的超级电容组电压采集电路、用于检测超级电容组电流的超级电容组电流采集电路；
用于消耗过多的制动能量的制动电阻电路，用于综合处理各采集电路反馈的电压、电流信息以及向各个DC/DC变换器发送动作指令的主控电路；
燃料电池发电系统输出电源接口、蓄电池组电源接口、超级电容组电源接口以及机车牵引电机模块接口。
进一步的是，所述主控电路能够处理各采集电路反馈的电压、电流信息，使燃料电池工作于“高氢效模式”，该模式主要设定了燃料电池的三个电流工作点：1)最大功率工作电流点；2)额定功率工作电流点；3)最大效率工作电流点，保证了燃料的利用率。
进一步的是，所述主控电路能够处理各采集电路反馈的电压、电流信息，在满足负载动态需求的前提下，使蓄电池组的荷电状态保持在一定范围，保持对蓄电池组的浅充浅放。
进一步的是，所述能量管理系统内部的单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器都是由DC/DC变换模块搭建而成。
另一方面，本发明还提供了一种燃料电池混合动力机车能量管理方法，所述能量管理方法是根据DC/DC变换模块特性而设计，包括步骤：
步骤1：初始化系统；
设置母线电流阀值、蓄电池组荷电状态阀值、超级电容组荷电状态阀值以及用于判定机车制动功率大小的电压值，设置单向、双向DC/DC变换器输出电压值以及极限电流值，使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率点。
步骤2：判断机车是否处于制动状态；
若机车处于制动状态则根据机车制动功率以及蓄电池组、超级电容组的荷电状态，对蓄电池组、超级电容组进行充电或者启动制动电阻消耗剩余的制动能量；若机车不处于制动状态，则转入步骤3。
步骤3：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率点且需要辅助电源供电的条件；
若是，燃料电池工作于最大功率点，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电；若否，则转入步骤4。
步骤4：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率点且可对辅助电源充电的条件；
若是，燃料电池工作于最大功率点，根据蓄电池组的荷电状态对蓄电池充电，蓄电池组充电过程中，若达到最大荷电状态则转入步骤5；若否，则转入步骤5。
步骤5：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的额定功率点且需要辅助电源供电的条件；
若是，燃料电池工作于额定功率点，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电，蓄电池组放电过程中，若荷电状态较低则转入步骤4；若否，则转入步骤6。
步骤6：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的额定功率点且可对辅助电源充电的条件；
若是，燃料电池工作于额定功率点，根据蓄电池组的荷电状态对蓄电池充电，蓄电池组充电过程中，若达到最大荷电状态则转入步骤7；若否，则转入步骤7。
步骤7：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大效率点且需要辅助电源供电的条件；
若是，燃料电池工作于最大效率点，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电，蓄电池组放电过程中，若荷电状态较低则转入步骤6；若否，则转入步骤8。
步骤8：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大效率点且可对辅助电源充电的条件；
若是，燃料电池工作于最大效率点，根据蓄电池组的荷电状态对蓄电池充电，蓄电池组充电过程中，若达到最大荷电状态则转入步骤9；若否，则转入步骤9。
步骤9：判定母线电流值是否达到可关闭燃料电池输出，仅由辅助电源供电的条件；
若是，关闭燃料电池输出，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电，蓄电池组放电过程中，若荷电状态较低则打开燃料电池输出且转入步骤8；若否，则转入步骤2。
进一步的是，在机车正常运行时，燃料电池输出功率不足情况下，优先使超级电容放电，而在机车制动时优先对超级电容充电，尽可能地减少对蓄电池组频繁充放电。
进一步的是，在机车制动时，在超级电容组、蓄电池组安全充电的范围，以最大的充电功率充电，回收制动能量，若制动功率大于超级电容组、蓄电池组的最大充电功率，则剩余的部分启动制动电阻消耗。
采用本技术方案的有益效果：
本发明使燃料电池输出电流工作于三种模式：最大功率电流，额定电流，最大效率电流，除此之外根据负载电流大小在这三个电流节点间插入两个电流节点，用于判定是否达到给蓄电池充电条件，在多个系统工作状态下对蓄电池进行恒流充电，控制简单，可减小蓄电池的容量，同时本发明专利根据机车牵引电机的性质，在混合动力系统中再加入超级电容作为辅助电源，在系统需要大功率输出时优先使用超级电容作为辅助电源，在机车制动时优先给超级电容充电，其次给蓄电池充电，最后通过制动电阻消耗剩余的制动能量，能够尽可能的回收制动能量，减少燃料的损耗。
本发明专利中所有单向DC/DC和双向DC/DC都是有DC/DC变换模块搭建而成，所以控制方法上都考虑了DC/DC变换器的输出特性，通过本发明专利，可有效利用燃料电池机车中燃料电池输出功率，尽可能地回收制动能量，实现燃料经济性的目的，而且蓄电池、超级电容的辅助作用更为明显，两种辅助电源优势互补，可使燃料电池的最大功率小于负载的峰值功率，降低系统成本，此外根据蓄电池的荷电状态对蓄电池浅充浅放，可延长蓄电池的使用寿命。
附图说明
图1是本发明专利实施例提供的燃料电池混合动力机车能量管理系统结构示图；
图2是本发明专利实施例提供的燃料电池混合动力机车能量管理系统程序流程图；
图3是本发明专利实施例所提供的基于述能量管理系统的机车驱动系统示意图；
主要元件符号说明：
燃料电池发电系统输出电源接口(正极) 001；
燃料电池发电系统输出电源接口(负极) 002；
蓄电池组电源接口(正极) 003；
蓄电池组电源接口(负极) 004；
超级电容组电源接口(正极) 005；
超级电容组电源接口(负极) 006；
机车牵引电机模块接口(正极) 007；
机车牵引电机模块接口(负极) 008；
单向DC/DC变换器 010；
蓄电池组电流采集电路 020；
蓄电池组电压采集电路 030；
蓄电池组级联的双向DC/DC变换器 040；
超级电容组电流采集电路 050；
超级电容组电压采集电路 060；
超级电容组级联的双向DC/DC变换器 070；
制动电阻电路 080；
主控电路 090；
直流母线电流采集电路 100；
直流母线电压采集电路 110；
单向DC/DC变换器模块通信接口A 011；
单向DC/DC变换器模块通信接口B 012；
蓄电池组电流采集电路信号输出端 021；
蓄电池组电压采集电路信号输出端 031；
蓄电池组级联双向DC/DC变换器通信接口A 041；
蓄电池组级联双向DC/DC变换器通信接口B 042；
超级电容组电流采集电路信号输出端 051；
超级电容组电压采集电路信号输出端 061；
超级电容组级联双向DC/DC变换器通信接口A 071；
超级电容组级联双向DC/DC变换器通信接口B 072；
制动电阻控制信号输入端 081；
直流母线电流采集电路信号输出端 101；
直流母线电压采集电路信号输出端 111；
能量管理系统 200；
燃料电池发电系统 300；
蓄电池组 400；
超级电容组 500；
机车牵引电机模块 600。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
本发明提出一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，如图1和图3所示，包括能量管理系统200、燃料电池发电系统300、蓄电池组400、超级电容组500和机车牵引电机模块600；
所述能量管理系统200包括：
基于DC/DC变换模块并且与燃料电池发电系统级联的单向DC/DC变换器010、用于检测直流母线电压的直流母线电压采集电路110、用于检测直流母线电流的直流母线电流采集电路100；
基于DC/DC变换模块并且与蓄电池组级联的双向DC/DC变换器040、用于检测蓄电池组电压的蓄电池组电压采集电路030、用于检测蓄电池组电流的蓄电池组电流采集电路020；
基于DC/DC变换模块并且与超级电容组级联的双向DC/DC变换器070、用于检测超级电容组电压的超级电容组电压采集电路060、用于检测超级电容组电流的超级电容组电流采集电路050；
用于消耗过多的制动能量的制动电阻电路080；用于综合处理各采集电路反馈的电压、电流信息以及向各个DC/DC变换器发送动作指令的主控电路090；
燃料电池发电系统输出电源接口001/002、蓄电池组电源接口003/004、超级电容组电源接口005/006以及机车牵引电机模块接口007/008。
所述主控电路090能够处理各采集电路反馈的电压、电流信息，使燃料电池工作于“高氢效模式”，该模式主要设定了燃料电池的三个电流工作点：1)最大功率工作电流点；2)额定功率工作电流点；3)最大效率工作电流点，保证了燃料的利用率。
所述主控电路090能够处理各采集电路反馈的电压、电流信息，在满足负载动态需求的前提下，使蓄电池组的荷电状态保持在一定范围，保持对蓄电池组的浅充浅放。
所述能量管理系统内部的单向DC/DC变换器010和双向DC/DC变换器都是由DC/DC变换模块搭建而成。
为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，本发明还提供了一种燃料电池混合动力机车能量管理方法，如图2所示，所述能量管理方法是根据DC/DC变换模块特性而设计，包括步骤：
步骤1：初始化系统；
设置母线电流阀值、蓄电池组荷电状态阀值、超级电容组荷电状态阀值以及用于判定机车制动功率大小的电压值，设置单向、双向DC/DC变换器的输出电压值以及极限电流值，使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率点。
优化的实施方案是：初始化系统，设置5个母线电流阀值：最大功率电流(IP_max)、蓄电池充电电流1(IP_N)、额定电流(IN)、蓄电池充电电流2(IN_O)、最大效率电流(IO_max)，其中电流阀值间的大小关系为：IP_max＞IP_N＞IN＞IN_O＞IO_max；设置2个蓄电池组荷电状态阀值：最大电量Bsoc_max、最小电量Bsoc_min；设置2个超级电容组荷电状态阀值：最大电量Csoc_max、最小电量Csoc_min；设置4个用于判定机车制动功率的大小电压值Uset_A、Uset_B、Uset_C、Uset_D，其中制动电压值间的大小关系为：Uset_A＜Uset_B＜Uset_C，Uset_A＜Uset_D；根据机车牵引电机模块的直流电压设定单向DC/DC变换器的输出电压及双向DC/DC变换器的正向输出电压，根据蓄电池、超级电容额定电压分别设置双向DC/DC反向输出电压，设置单向DC/DC变换器的极限电流，使其工作于最大功率电流点，启动单向DC/DC变换器。
步骤2：判断机车是否处于制动状态；
若机车处于制动状态则根据机车制动功率以及蓄电池组、超级电容组的荷电状态，对蓄电池组、超级电容组进行充电或者启动制动电阻消耗剩余的制动能量；若机车不处于制动状态，则转入步骤3。
优化的实施方案是：判定直流母线电压Ubus是否大于Uset_A，若否转入步骤3；若Ubus>Uset_A则分为4种情况：1)超级电容组和蓄电池组荷电状态都没有到达最大值时，若Ubus>Uset_A则以最大充电功率对超级电容组充电，若Ubus>Uset_B则以最大充电功率对蓄电池组、超级电容组充电，若Ubus>Uset_C则以最大充电功率对蓄电池组、超级电容组充电并且启动制动电阻；2)仅有蓄电池组荷电状态到达最大值时，若Ubus>Uset_A则以最大充电功率对超级电容组充电，若Ubus>Uset_B则以最大充电功率对超级电容组充电并且启动制动电阻；3)仅有超级电容组荷电状态到达最大值时，若Ubus>Uset_A则以最大充电功率对蓄电池组充电，若Ubus>Uset_D则以最大充电功率对蓄电池组充电并且启动制动电阻；4)超级电容组和蓄电池组荷电状态都达到最大值时，若Ubus>Uset_A则启动制动电阻。以上四种情况都只有Ubus<Uset_A时转入步骤3。
步骤3：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率点且需要辅助电源供电的条件；
若是，燃料电池工作于最大功率点，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电；若否，则转入步骤4。
优化的实施方案是：判定直流母线电流Ibus是否大于IP_max，若否转入步骤4；若Ibus>IP_max，首先设定单向DC/DC变换器的极限电流IUDC/DC_limit为最大功率电流IP_max，此时燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率工作电流点；然后，根据超级电容荷电状态Csoc是否小于Csoc_min分为两种情况：1)Csoc>Csoc_min时，计算、设定超级电容级联的双向DC/DC变换器正向输出极限电流IBDC/DC_B_limit，正向启动超级电容级联的双向DC/DC变换器(BDC/DC_B)；2)Csoc<Csoc_min时，计算、设定蓄电池级联的双向DC/DC变换器正向输出极限电流IBDC/DC_A_limit，正向启动蓄电池级联的双向DC/DC变换器(BDC/DC＿A)，检测直流母线电压Ubus及直流母线电流Ibus；
以上两种情况须不断地计算、设定双向DC/DC变换器的正向输出极限电流IBDC/DC_B_limit或IBDC/DC_A_limit，若此过程中Ibus<IP_max则转入步骤4。
步骤4：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率点且可对辅助电源充电的条件；
若是，燃料电池工作于最大功率点，根据蓄电池组的荷电状态对蓄电池充电，蓄电池组充电过程中，若达到最大荷电状态则转入步骤5；若否，则转入步骤5。
优化的实施方案是：判定直流母线电流Ibus是否小于IP_max且大于IP_N，若否转入步骤5；若是，首先设定单向DC/DC变换器的极限电流IUDC/DC_limit为最大功率电流IP_max，此时燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率工作电流点；其次，计算、设置蓄电池级联的双向DC/DC变换器的反向输出极限电流IBDC/DC_A_charge，反向启动BDC/DC＿A；最后，检测直流母线电压Ubus及直流母线电流Ibus及蓄电池的荷电状态Bsoc，不断地计算、设置蓄电池级联的双向DC/DC变换器的反向输出极限电流IBDC/DC_A_charge；若不断地计算、设置IBDC/DC_A_charge过程中出现以下两种情况则跳转出此段程序：①检测到蓄电池荷电状态Bsoc大于最大电量Bsoc_max，则转入步骤5中设定单向DC/DC变换器的极限电流IUDC/DC_limit处；②检测到Ibus>IP_max或Ibus<IN则转入步骤5。
步骤5：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的额定功率点且需要辅助电源供电的条件；
若是，燃料电池工作于额定功率点，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电，蓄电池组放电过程中，若荷电状态较低则转入步骤4；若否，则转入步骤6。
优化的实施方案是：判定直流母线电流Ibus是否小于IP_N且大于IN，若否转入步骤6；若是，首先设定单向DC/DC变换器极限电流IUDC/DC_limit为额定功率电流IN，此时燃料电池工作于“高氢效模式”中的额定功率工作电流点；然后，根据超级电容荷电状态Csoc是否小于Csoc_min分为两种情况：1)Csoc>Csoc_min时，计算、设定超级电容级联的双向DC/DC变换器的正向输出极限电流IBDC/DC_B_limit，正向启动BDC/DC_B；2)Csoc<Csoc_min时，计算、设定蓄电池级联的双向DC/DC变换器的正向输出极限电流IBDC/DC_A_limit，正向启动BDC/DC_A，检测直流母线电压Ubus及直流母线电流Ibus。
以上两种情况须不断地计算、设置双向DC/DC变换器的正向输出极限电流IBDC/DC_B_limit或IBDC/DC_A_limit，若不断地计算、设置IBDC/DC_B_limit或IBDC/DC_A_limit过程中出现以下两种情况则跳出此段程序：①检测到Ibus>IP_max或Ibus<IN则转入步骤6；②检测到Bsoc<Bsoc_min转入步骤4中设定单向DC/DC变换器的极限电流IUDC/DC_limit为最大功率电流IP_max处。
步骤6：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的额定功率点且可对辅助电源充电的条件；
若是，燃料电池工作于额定功率点，根据蓄电池组的荷电状态对蓄电池充电，蓄电池组充电过程中，若达到最大荷电状态则转入步骤7；若否，则转入步骤7。
优化的实施方案是：判定直流母线电流Ibus是否小于IN且大于IN_O，若否转入步骤7；若是，首先设定单向DC/DC变换器的极限电流IUDC/DC_limit为额定功率电流IN，此时燃料电池工作于“高氢效模式”中的额定功率工作电流点；其次，计算、设置蓄电池级联的双向DC/DC变换器的反向输出极限电流IBDC/DC_A_charge，反向启动BDC/DC_A；最后，检测直流母线电压Ubus及直流母线电流Ibus及蓄电池的荷电状态Bsoc，不断地计算、设置蓄电池级联的双向DC/DC变换器反向输出极限电流IBDC/DC_A_charge。
若不断地计算、设置IBDC/DC_A_charge过程中出现以下两种情况则跳出此段程序：①检测到蓄电池荷电状态Bsoc大于最大电量Bsoc_max，则转入步骤7中设定单向DC/DC变换器的极限电流IUDC/DC_limit处；②检测到Ibus>IN或Ibus<IO_max则转入步骤7。
步骤7：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大效率点且需要辅助电源供电的条件；
若是，燃料电池工作于最大效率点，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电，蓄电池组放电过程中，若荷电状态较低则转入步骤6；若否，则转入步骤8。
优化的实施方案是：判定直流母线电流Ibus是否小于IN_O且大于IO_max，若否转入步骤8；若是，首先设定单向DC/DC变换器的极限电流IUDC/DC_limit为最大效率电流IO_max，此时燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大效率工作电流点；然后，根据超级电容荷电状态Csoc是否小于Csoc_min分为两种情况：1)Csoc>Csoc_min时，计算、设定超级电容级联的双向DC/DC变换器的正向输出极限电流IBDC/DC_B_limit，正向启动BDC/DC_B；2)Csoc<Csoc_min时，计算、设定蓄电池级联的双向DC/DC变换器的正向输出极限电流IBDC/DC_A_limit，正向启动BDC/DC_A，检测直流母线电压Ubus及直流母线电流Ibus。
以上两种情况须不断地计算、设置双向DC/DC变换器的正向输出极限电流IBDC/DC_B_limit或IBDC/DC_A_limit，若不断地计算、设置IBDC/DC_B_limit或IBDC/DC_A_limit过程中出现以下两种情况则跳出此段程序：①检测到Ibus>IN或Ibus<IO_max则转入步骤8；②检测到Bsoc<Bsoc_min转入步骤6中设定单向DC/DC变换器的极限电流IUDC/DC_limit为额定功率电流IN处。
步骤8：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大效率点且可对辅助电源充电的条件；
若是，燃料电池工作于最大效率点，根据蓄电池组的荷电状态对蓄电池充电，蓄电池组充电过程中，若达到最大荷电状态则转入步骤9；若否，则转入步骤9。
优化的实施方案是：判定负载电流Ibus是否小于IO_max，若否转入骤2；若是，首先设定单向DC/DC变换器的极限电流IUDC/DC_limit为最大效率电流IO_max，此时燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大效率工作电流点；其次，计算、设置蓄电池级联的双向DC/DC变换器的反向输出极限电流IBDC/DC_A_charge，反向启动BDC/DC_A；最后，检测直流母线电压Ubus及直流母线电流Ibus及蓄电池的荷电状态Bsoc，不断地计算、设置蓄电池级联的双向DC/DC变换器的反向输出极限电流IBDC/DC_A_charge。
若不断地计算、设置IBDC/DC_A_charge过程中出现以下两种情况则跳出此段程序：①检测到蓄电池荷电状态Bsoc大于最大电量Bsoc_max，则转入步骤9；②检测到Ibus>IO_max则转入步骤2。
步骤9：判定母线电流值是否达到可关闭燃料电池输出，仅由辅助电源供电的条件；
若是，关闭燃料电池输出，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电，蓄电池组放电过程中，若荷电状态较低则打开燃料电池输出且转入步骤8；若否，则转入步骤2。
优化的实施方案是：首先关闭燃料电池级联的单向DC/DC变换器，此时燃料电池处于空载状态；然后，根据超级电容荷电状态Csoc是否小于Csoc_min分为两种情况：1)Csoc>Csoc_min时，计算、设定超级电容级联的双向DC/DC变换器的正向输出极限电流IBDC/DC_B_limit，正向启动BDC/DC_B，不断地计算、设置超级电容级联的双向DC/DC变换器正向输出极限电流IBDC/DC_B_limit，此过程中若Ibus>IO_max则关闭BDC/DC_B、启动UDC/DC转入步骤2；2)Csoc<Csoc_min时，计算、设定蓄电池级联双向DC/DC变换器的正向输出极限电流IBDC/DC_A_limit，正向启动BDC/DC_A，不断地计算、设置蓄电池级联的双向DC/DC变换器正向输出极限电流IBDC/DC_A_limit，此过程中出现以下两种情况则跳出此段程序：①检测到Ibus>IO_max则关闭BDC/DC_A、启动UDC/DC转入步骤2；②检测到Bsoc<Bsoc_min则启动单向DC/DC变换器并且转入步骤8中设定单向DC/DC变换器极限电流IUDC/DC_limit为最大效率电流IO_max处。
其中，在机车正常运行时，燃料电池输出功率不足情况下，优先使超级电容放电，而在机车制动时优先对超级电容充电，尽可能地减少对蓄电池组频繁充放电。
在机车制动时，在超级电容组、蓄电池组安全充电的范围，以最大的充电功率充电，回收制动能量，若制动功率大于超级电容组、蓄电池组的最大充电功率，则剩余的部分启动制动电阻消耗。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本实发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，其特征在于，包括能量管理系统(200)、燃料电池发电系统(300)、蓄电池组(400)、超级电容组(500)和机车牵引电机模块(600)；
所述能量管理系统(200)包括：
基于DC/DC变换模块并且与燃料电池发电系统级联的单向DC/DC变换器(010)、用于检测直流母线电压的直流母线电压采集电路(110)、用于检测直流母线电流的直流母线电流采集电路(100)；
基于DC/DC变换模块并且与蓄电池组级联的双向DC/DC变换器(040)、用于检测蓄电池组电压的蓄电池组电压采集电路(030)、用于检测蓄电池组电流的蓄电池组电流采集电路(020)；
基于DC/DC变换模块并且与超级电容组级联的双向DC/DC变换器(070)、用于检测超级电容组电压的超级电容组电压采集电路(060)、用于检测超级电容组电流的超级电容组电流采集电路(050)；
用于消耗过多的制动能量的制动电阻电路(080)；用于综合处理各采集电路反馈的电压、电流信息以及向各个DC/DC变换器发送动作指令的主控电路(090)；燃料电池发电系统输出电源接口(001、002)、蓄电池组电源接口(003、004)、超级电容组电源接口(005、006)以及机车牵引电机模块接口(007、008)。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，其特征在于，所述主控电路(090)能够处理各采集电路反馈的电压、电流信息，使燃料电池工作于“高氢效模式”，该模式主要设定了燃料电池的三个电流工作点：1)最大功率工作电流点；2)额定功率工作电流点；3)最大效率工作电流点，保证了燃料的利用率。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，其特征在于，所述主控电路(090)能够处理各采集电路反馈的电压、电流信息，在满足负载动态需求的前提下，使蓄电池组的荷电状态保持在一定范围，保持对蓄电池组的浅充浅放。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，其特征在于，所述能量管理系统内部的单向DC/DC变换器(010)和双向DC/DC变换器都是由DC/DC变换模块搭建而成。
5.一种燃料电池混合动力机车能量管理方法，其特征在于，所述能量管理方法是根据DC/DC变换模块特性而设计，包括步骤：
步骤1：初始化系统；
设置母线电流阀值、蓄电池组荷电状态阀值、超级电容组荷电状态阀值以及用于判定机车制动功率大小的电压值，设置单向、双向DC/DC变换器的输出电压值以及极限电流值，使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率点；
步骤2：判断机车是否处于制动状态；
若机车处于制动状态则根据机车制动功率以及蓄电池组、超级电容组的荷电状态，对蓄电池组、超级电容组进行充电或者启动制动电阻消耗剩余的制动能量；若机车不处于制动状态，则转入步骤3；
步骤3：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率点且需要辅助电源供电的条件；
若是，燃料电池工作于最大功率点，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电；若否，则转入步骤4；步骤4：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率点且可对辅助电源充电的条件；
若是，燃料电池工作于最大功率点，根据蓄电池组的荷电状态对蓄电池充电，蓄电池组充电过程中，若达到最大荷电状态则转入步骤5；若否，则转入步骤5；步骤5：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的额定功率点且需要辅助电源供电的条件；
若是，燃料电池工作于额定功率点，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电，蓄电池组放电过程中，若荷电状态较低则转入步骤4；若否，则转入步骤6；
步骤6：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的额定功率点且可对辅助电源充电的条件；
若是，燃料电池工作于额定功率点，根据蓄电池组的荷电状态对蓄电池充电，蓄电池组充电过程中，若达到最大荷电状态则转入步骤7；若否，则转入步骤7；步骤7：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大效率点且需要辅助电源供电的条件；
若是，燃料电池工作于最大效率点，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电，蓄电池组放电过程中，若荷电状态较低则转入步骤6；若否，则转入步骤8；
步骤8：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大效率点且可对辅助电源充电的条件；
若是，燃料电池工作于最大效率点，根据蓄电池组的荷电状态对蓄电池充电，蓄电池组充电过程中，若达到最大荷电状态则转入步骤9；若否，则转入步骤9；步骤9：判定母线电流值是否达到可关闭燃料电池输出，仅由辅助电源供电的条件；
若是，关闭燃料电池输出，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电，蓄电池组放电过程中，若荷电状态较低则打开燃料电池输出且转入步骤8；若否，则转入步骤2。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池混合动力机车能量管理方法，其特征在于，在机车正常运行时，燃料电池输出功率不足情况下，优先使超级电容放电，而在机车制动时优先对超级电容充电，尽可能地减少对蓄电池组频繁充放电。
7.根据权利要求5所述的一种燃料电池混合动力机车能量管理方法，其特征在于，在机车制动时，在超级电容组、蓄电池组安全充电的范围，以最大的充电功率充电，回收制动能量，若制动功率大于超级电容组、蓄电池组的最大充电功率，则剩余的部分启动制动电阻消耗。
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