CN110116637A - 基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源，包括1个燃料电池模块，k组设置有超级电容BMS的超级电容模组，以及BOOST变换器、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、超级电容充电接口和内含CAN接口、PWM接口、信号采集模块的电机车运行控制器。本发明的有益效果在于：所述混合动力电源在盾构电机车启动、加速、爬坡和遇到行驶阻力较大时能够快速地提供大功率电流，提高盾构电机车的动力性与经济性；在制动时能够快速地回收牵引电机产生的瞬间大电流，实现再生制动能量吸收，在燃料电池的工作介质足够时电机车可持续运行。
Description
技术领域
本发明涉及盾构电机车混合动力电源的技术领域，尤其涉及一种基于燃料电池与超级电容匹配盾构电机车的混合动力电源。
背景技术
我国隧道工程建设历史悠久，随着各项建设事业的发展，修建了大量的隧道工程，施工技术和设备也有了很大提高。目前我国隧道工程施工中已较普遍的采用了掘进机施工，暗挖时采用的盾构法具有较高的技术水平。我国拥有的铁路隧道数量已超过4000Km，居世界第一位。随着我国公路建设的发展，特别是高等级公路在我国的兴起，我国公路隧道在数量与规模上有很大发展，修建设备、特别是在克服复杂环境条件的能力上，有很大提高。20世纪后半期隧道修建技术与现代化新设备的发展，为今后我国修建长大隧道及克服各种困难条件的隧道工程奠定了基础。
盾构电机车是隧道工程施工中常用的一种牵引设备，具有牵引力大、速度高、运载能力强等特点。目前，国内隧道工程盾构施工配套运输车的编组一般是由1个电机车连挂6个按需组合的功能车辆（主要功能车辆有：渣土车、管片车、砂浆车、膨润土车等），盾构电机车是盾构施工配套运输车的一种牵引设备，动力是利用牵引电机驱动车轮转动，借助车轮与轨面间的摩擦力，使盾构电机车在轨道上运行；这种运行方式，它的牵引力不仅受牵引电机功率的限制，还受车轮与轨面间的摩擦制约；盾构电机车运输能行驶的坡度有限制，运输轨道坡度一般为3‰，局部坡度不能超过30‰。现有的盾构电机车大都采用传统铅酸电池组作为能源，铅酸电池是电极主要由铅及其氧化物制成，电解液为硫酸溶液的一种蓄电池；放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸电池的比功率200~400 w/kg、比能量35~40 wh/kg、循环寿命350~600次，其主要优点是廉价、可靠性高、功率密度大，缺点是比能量低、充电时间长、使用寿命短、日常维护频繁和废旧电池化学污染等；从而制约了盾构施工配套运输车的运载能力、工作效率。
如图6所示，盾构电机车一般在盾构机与物料存放点之间的长度为L（一般在5公里左右）的固定线路上往复运行，处于频繁加速、爬坡、减速、下坡和持续大负荷运行工况下，瞬时峰值电流较大，频繁的大电流放电，利用铅酸电池供电会严重影响蓄电池的能效及寿命，不利于盾构电机车动力性能的实现；传统的盾构电机车为了满足这种大功率需求，需要增加铅酸电池的数量来保证充足的裕量。但是，当盾构电机车平稳运行时，却是保持较低的功率状态，这就使能量消耗不在铅酸电池的最佳能耗区间，造成了高成本和能源浪费。相较之下，混合储能电力推进技术很好地解决了这一难题。电力推进的优势在于机动性强，可以应对不同负载变化，且储能元件布局灵活，运行噪声低，安全性能也更有保障。因此，混合储能电力推进技术取代传统铅酸电池动力将是未来的趋势。同时在盾构电机车制动、下坡及行驶阻力突然减小时，牵引电机的再生制动产生的瞬间充电电流很大，会对电池寿命产生伤害，如果此部分回收的能量不能充分存储，又将会造成了巨大的浪费。
超级电容在结构上与普通电解电容非常相似，属于双电层电容器。超级电容采用活性炭多孔电极和电解质组成了双电层结构，加上极小的电极间隙，可以获得超大的容量，其充放电过程为物理过程而非化学反应过程；因此，超级电容具备超级储电能力，具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源、绿色环保等特点。超级电容兼有普通电容器的大电流快速充放电特性和电池的储能特性，较好地解决了普通电容器与电池之间的比能量、比功率差异问题，是一种新型绿色储能装置。超级电容非常适用于盾构电机车复杂工况下瞬间功率大、频繁充放电的场合，在盾构电机车上采用基于铅酸电池与超级电容的混合动力电源，符合国家产业倡导发展的新能源范畴，也是盾构电机车新能源供电应用技术的发展方向。盾构电机车每次的运行路线较短，且每次往返均可充电，表明盾构电机车运行的机动性较差，当执行特殊任务、需要增加运行里程时，则需要额外提供能量；此时，若以简单地增加超级电容模组的方式提供能量，不仅盾构电机车本身的空间无法承载较大的超级电容模组，且超级电容价格昂贵，成本上会有更大负担。因此，本发明考虑以超级电容为辅助能源，加入其他储能元件，组成混合储能动力系统。目前市场上的新能源材料很多，如锂电池、燃料电池、飞轮储能、铅酸电池等。超级电容的功率密度较高，能量密度却很低。因此，考虑加入的储能单元的能量密度应较高，以弥补超级电容在能量密度上的短板。虽然锂电池的功率密度和能量密度特性都介于燃料电池与超级电容之间，但从能量密度角度考虑，燃料电池的能量密度明显高于锂电池，几乎高出２个数量级；从功率密度角度考虑，锂电池的功率密度高于燃料电池。由于选超级电容作为辅助能源，已经完全可以满足盾构电机车对功率密度的要求，因此，燃料电池作为混合储能元件更为合适。燃料电池是一种能量转化装置，它是按电化学原理，即原电池工作原理，等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应。燃料电池主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子，电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流。同时，由于本身的电化学反应以及电池的内阻，燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外，也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时，阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构，以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路，电解质通常为致密结构。燃料电池转换效率高，在额定功率下效率高达60%，而且产物只有水，没有排放。因此，本发明选择加入燃料电池，与超级电容组成混合储能动力系统。
发明内容
针对盾构电机车在复杂多变的行驶工况中动力匹配不佳、铅酸电池频繁瞬时峰值大电流充放电而严重影响其能效及寿命的问题，本发明公开了一种基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源，包括1个燃料电池模块，k组设置有超级电容BMS的超级电容模组，以及BOOST变换器、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、超级电容充电接口和内含CAN接口、PWM接口、信号采集模块的电机车运行控制器；其中，燃料电池模块的输出经BOOST变换器后连接到直流总线DC_BUS，提供盾构施工配套电机车正常行车所需的电能，其容量按电机车正常运行所需的电能来选择；k组超级电容模组并联后经双向DC/DC变换器连接到直流总线DC_BUS，用于盾构施工配套电机车的启动、加速、爬坡和持续大负荷运行工况下的能量补给，以及制动、下坡工况下的能量回收，其组数k按盾构施工配套电机车的启动能耗和实际运行工况选择；直流总线DC_BUS连接至用于在盾构机附近经充电桩为超级电容补充电能的超级电容充电接口、并经DC/AC逆变器连接盾构施工配套电机车牵引电机，电机车运行控制器内的CAN接口经CAN总线连接至燃料电池模块、k个超级电容BMS、超级电容充电接口；电机车运行控制器根据人机接口给定的运行指标要求，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，结合通过CAN总线获取燃料电池模块、超级电容模组的状态信息，经智能决策后由PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、BOOST变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构施工配套电机车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式。
在本发明中，所述的燃料电池模块由PEMFC电堆、燃料电池控制器、减压与稳压器、滤清器、风机、加湿器、过滤器、水箱、散热器、水泵组成；高压氢气由H2进气口进入经减压与稳压器后降至适合的压力等级，然后进入PEMFC电堆，在质子交换膜上与空气发生氧化还原反应，反应完成后的剩余氢气及杂质通过排气口释放到大气中；PEMFC电堆是燃料和氧化剂进行反应的场所，氢气进入阳极后与阴极的空气在质子交换膜上发生反应，产生自由电子，通过+接线端、-接线端接入负载形成电流；空气经过滤清器后进入风机，再进入加湿器与反应后的湿热空气进行焓湿交换，加湿后的空气进入PEMFC电堆与氢气反应，反应后生成的水和剩余的空气返回加湿器并在加湿器中大部分焓湿热均被空气带走后直接排入大气；水泵吸入经过滤器的水箱中的冷却水后进入 PEMFC电堆，吸收电堆反应热后出来再进入散热器进行散热，最后回到水箱以形成冷却水循环；燃料电池控制器接收来自电机车运行控制器的指令，监测和控制PEMFC电堆、减压与稳压器、水泵、水泵的工作状态，并向电机车运行控制器发送燃料电池模块工作状态参数。
在本发明中，所述的超级电容模组由M个额定容量为C法拉、储存能量为E瓦时、额定电压为X伏特的单体超级电容串联而成，超级电容模组的正端由单体超级电容1的正极引出、负端由单体超级电容M的负极引出，其额定容量为C/M法拉、储存能量为M*E瓦时、额定电压为M*X伏特；每个单体超级电容的外壳上设置一个用于监测其工作温度的温度传感器，在超级电容模组的负端与单体超级电容M的负极之间设置一个用于监测超级电容模组工作电流的电流传感器和一个用于控制超级电容模组连接/断开的N沟道MOS管MOS1，每个单体超级电容的两端均设置有与超级电容BMS的电连接线，超级电容BMS实时监测各单体超级电容的端电压和外壳温度、超级电容模组工作电流以实现模组内各单体超级电容在充放电过程中的电压动态均衡；电机车运行控制器器可根据能量需求情况通过超级电容BMS控制超级电容模组的连接或断开。
在本发明中，所述超级电容BMS包括BMS_CPU模块，提供BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从超级电容模组两端取电变换后给超级电容BMS供电的电源电路，用于经CAN总线与电机车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各单体超级电容两端工作电压并实现模组内各单体超级电容在充放电过程中电压动态均衡的电压检测与均衡模块；在超级电容模组充电或放电过程中，BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测超级电容模组的工作电流，通过M个温传感器实时监测各单体超级电容的工作温度，通过电压检测与均衡模块实时监测各单体超级电容的端电压并智能决策将稍高单体超级电容的能量转移到稍低的单体超级电容上，以实现各单体超级电容的动态均压，同时还估算各单体超级电容的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将超级电容模组的状态参数传输到电机车运行控制器。
在本发明中，所述的电机车运行控制器包括运行控制CPU模块，直接从直流总线DC_BUS的DC+、DC-取电变换后给电及车运行控制器供电的电源电路，经CAN总线与燃料电池模块、超级电容BMS通信的CAN接口，提供运行控制CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于系统参数设置、电机车运行操控和实时工作状态显示的人机接口，监测电机车运动姿态的三轴加速度传感器，监测电机车运行位置的GPS模块，监测电机车工作环境温度的环温传感器，用于通过传感器实时监测电机车牵引电机电流、转速的信号采集单元，用于为DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器、BOOST变换器提供控制信号的PWM驱动控制电路及PWM接口；电机车运行控制CPU模块通过人机接口接收到运行操控指令后，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，通过CAN总线获取燃料电池模块、超级电容模组的状态信息，再结合GPS模块采集的运行位置信息、三轴加速度传感器采集的运动姿态信息，经智能决策后由PWM驱动控制电路及PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、BOOST变换器、DC/AC逆变器，以实现电机车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式；电机车启动、加速、爬坡及行驶阻力瞬间增大时，由燃料电池模块经BOOST变换器、超级电容模组经双向DC/DC变换器同时为牵引电机提供动力；正常运行工况时，由燃料电池模块经BOOST变换器单独为牵引电机提供动力；在电机车回程运行且接近盾构机时，优先由超级电容模组为牵引电机提供动力，直至超级电容模组SOC降到下限值为止；电机车制动时，双向DC/DC变换器反向导通，由超超级电容模组回收牵引电动机产生的电能；当环温传感器监测到工作环境温度过高或其它异常工况时，通过人机接口向用户预警。
本发明的有益效果是，本发明采用燃料电池和超级电容搭配构成的混合储能系统，超级电容模组的动态响应速度远快于燃料电池模块，当盾构电机车启动、加速、爬坡和遇到行驶阻力较大时，负载功率需求发生突变，超级电容模组将承担起负载功率中的高频分量的部分，燃料电池模块负责低频分量的部分，能够快速地提供大功率电流，提高盾构电机车的动力性与经济性；在制动时能够快速地回收牵引电机产生的瞬间大电流，实现再生制动能量吸收，在燃料电池的工作介质足够时电机车可持续运行。
附图说明
图1是本发明的整体结构方框图；
图2是本发明实施例的燃料电池模块结构框图；
图3是本发明实施例的超级电容模组结构框图；
图4是本发明实施例的超级电容BMS原理框图；
图5是本发明实施例的电机车运行控制器原理框图；
图6是本发明实施例的盾构电机车运行线路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图，图1是本发明的整体结构方框图，图6是本发明实施例的盾构电机车运行线路示意图。盾构电机车需要在固定点（一般设计在盾构施工竖井处）补充能量，补充能量的时间不超过盾构施工流水线施工节拍点空当时间（一般在30分钟以内）；这就需要寻找一种蓄能装置能够进行大功率的充放电，利用某一点对蓄能装置充电而在其他的时间可以自由的行驶，超级电容的出现为实现这种对盾构电机车的技术升级提供了可能，超级电容具有比功率高的特性，可实现大电流的充放电，因此可以用有限制的时间补充足够的能量，保证盾构施工配套运输车行驶一定的距离；这种储能装置与蓄电池相比最大的特点就是它能够在很短的时间内补充能量，因而省去了蓄电池需要长时间补充能量的问题；但超级电容也有能量密度较小、无法大量的存储能量，以及存在发热和单体均衡等缺点，故单独使用受到一定限制。PEM 燃料电池中包含一个膜电极组件（membrane electrode assembly，简称 MEA），由气体扩散层、电极和聚合物电解质膜构成。在 MEA 内发生电化学反应，产生电能。在单个 PEM 燃料电池中，氢气流向组件的阳极，在阳极催化剂的作用下分解为质子和电子。电子在通过电极中的碳纳米颗粒网络传导至另一侧的阴极之前，会先输出电流，为设备提供电能。与此同时，质子穿过质子交换膜到达阴极，空气中的氧气通过 MEA 中的气体扩散层（gas diffusion layer，简称 GDL）到达阴极。常用的五种燃料电池的特性对比如下表：
| 电池类型 | 燃料 | 电解质 | 工作温度/℃ | 效率 | 启动时间 | 寿命水平/h | 比功率/(W/kg) | 腐蚀性 |
| 碱性燃料电池 | 纯氢 | 氢氧化钾 | 约100℃ | 60-70% | 几分钟 | 10000 | 35-105 | 强 |
| 磷酸盐燃料电池（PAFC） | 天然气、氢 | 液体磷酸 | 约200℃ | 40%左右 | 几分钟 | 15000 | 120-180 | 强 |
| 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） | 天然气、煤气 | 碳酸盐 | 600-700℃ | ＞50% | ＞10min | 13000 | 30-40 | 强 |
| 固体氧化物燃料电池（SOFC） | 天然气、煤气 | 氧化锆、陶瓷 | 800-1000℃ | 50-65% | ＞10min | 7000 | 15-20 | 弱 |
| 质子交换膜燃料电池（PEMFC） | 纯氢 | 高分子质子交换膜 | 约100℃ | 43-58% | ＜5s | 10000 | 340-3000 | 无 |
质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，简称 PEM 燃料电池或PEMFC）是一种兼顾了成本和污染问题的理想解决方案。如今许多应用中都能看到 PEM 燃料电池的身影，它正逐步替代传统的电力技术。燃料电池的优势明显：碳排量小、噪音低、燃料兼容性强，与其他可再生能源解决方案具有良好的互补性，因此适用于交通运输、住宅楼、办公室以及一些工业领域。PEM 燃料电池系统的总转换效率较高，当使用纯氢气发电时，排放物只有水蒸气。本发明综合超级电容与PEMFC的优点和缺点，采用基于超级电容和燃料电池组合的动力电源可以充分发挥盾构电机车各动力原件的优点，可明显改善盾构施工配套运输车的动力性能、节能、提升运载能力和工作效率。为实现上述目的，本发明基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源采用的技术方案如下：盾构电机车混合动力电源包括1个燃料电池模块，k组设置有超级电容BMS的超级电容模组，以及BOOST变换器、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、超级电容充电接口和内含CAN接口、PWM接口、信号采集模块的电机车运行控制器；其中，燃料电池模块的输出经BOOST变换器后连接到直流总线DC_BUS，提供盾构施工配套电机车正常行车所需的电能，其容量按电机车正常运行所需的电能来选择；k组超级电容模组并联后经双向DC/DC变换器连接到直流总线DC_BUS，用于盾构施工配套电机车的启动、加速、爬坡和持续大负荷运行工况下的能量补给，以及制动、下坡工况下的能量回收，其组数k按盾构施工配套电机车的启动能耗和实际运行工况选择；直流总线DC_BUS连接至用于在盾构机附近经充电桩为超级电容补充电能的超级电容充电接口、并经DC/AC逆变器连接盾构施工配套电机车牵引电机，电机车运行控制器内的CAN接口经CAN总线连接至燃料电池模块、k个超级电容BMS、超级电容充电接口；电机车运行控制器根据人机接口给定的运行指标要求，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，结合通过CAN总线获取燃料电池模块、超级电容模组的状态信息，经智能决策后由PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、BOOST变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构施工配套电机车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式。
附图2是本发明实施例的燃料电池模块结构框图。本发明的燃料电池模块由PEMFC电堆、燃料电池控制器、减压与稳压器、滤清器、风机、加湿器、过滤器、水箱、散热器、水泵组成；高压氢气由H2进气口进入经减压与稳压器后降至适合的压力等级，然后进入PEMFC电堆，在质子交换膜上与空气发生氧化还原反应，反应完成后的剩余氢气及杂质通过排气口释放到大气中；PEMFC电堆是燃料和氧化剂进行反应的场所，氢气进入阳极后与阴极的空气在质子交换膜上发生反应，产生自由电子，通过+接线端、-接线端接入负载形成电流；空气经过滤清器后进入风机，再进入加湿器与反应后的湿热空气进行焓湿交换，加湿后的空气进入PEMFC电堆与氢气反应，反应后生成的水和剩余的空气返回加湿器并在加湿器中大部分焓湿热均被空气带走后直接排入大气；水泵吸入经过滤器的水箱中的冷却水后进入PEMFC电堆，吸收电堆反应热后出来再进入散热器进行散热，最后回到水箱以形成冷却水循环；燃料电池控制器接收来自电机车运行控制器的指令，监测和控制PEMFC电堆、减压与稳压器、水泵、水泵的工作状态，并向电机车运行控制器发送燃料电池模块工作状态参数。由于超级电容的功率密度较高，能量密度却很低；因此，本发明加入PEMFC的能量密度应较高，以弥补超级电容在能量密度上的短板。超级电容模组的高功率密度完全可以满足电机车对功率密度的要求，因此，燃料电池作为混合储能元件更为合适。同时，燃料电池转换效率高，在额定功率下效率高达60%，而且产物只有水，基本无排放；在燃料电池的工作介质（氢气）足够的情况下，电机车可以长期持续运行，这样可大大提高隧道工程盾构施工效率。
附图3是本发明实施例的超级电容模组结构框图。本发明的超级电容模组由M个额定容量为C法拉、储存能量为E瓦时、额定电压为X伏特的单体超级电容串联而成，超级电容模组的正端由单体超级电容1的正极引出、负端由单体超级电容M的负极引出，其额定容量为C/M法拉、储存能量为M*E瓦时、额定电压为M*X伏特；每个单体超级电容的外壳上设置一个用于监测其工作温度的温度传感器，在超级电容模组的负端与单体超级电容M的负极之间设置一个用于监测超级电容模组工作电流的电流传感器和一个用于控制超级电容模组连接/断开的N沟道MOS管MOS1，每个单体超级电容的两端均设置有与超级电容BMS的电连接线，超级电容BMS实时监测各单体超级电容的端电压和外壳温度、超级电容模组工作电流以实现模组内各单体超级电容在充放电过程中的电压动态均衡；电机车运行控制器器可根据能量需求情况通过超级电容BMS控制超级电容模组的连接或断开。超级电容设计时搭配一个很低的等效串联电阻(ESR)，因此超级电容能够发送以及吸收很高的电流。超级电容具有普通电容的特性，其工作电压并未被限制在狭窄的电压范围内；设计人员只需考虑系统的电压范围，这个电压范围要比电池需要的狭窄电压范围宽得多。
附图4是本发明实施例的超级电容BMS原理框图。研究针对超级电容模组的电源管理系统（Battery Management System, BMS），使其保持最佳的荷电状态(State OfCharge,SOC) 以延长其循环使用寿命，具有非常重要的现实意义和很好的应用价值。本发明的超级电容BMS包括BMS_CPU模块，提供BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从超级电容模组两端取电变换后给超级电容BMS供电的电源电路，用于经CAN总线与电机车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各单体超级电容两端工作电压并实现模组内各单体超级电容在充放电过程中电压动态均衡的电压检测与均衡模块；在超级电容模组充电或放电过程中，BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测超级电容模组的工作电流，通过M个温传感器实时监测各单体超级电容的工作温度，通过电压检测与均衡模块实时监测各单体超级电容的端电压并智能决策将稍高单体超级电容的能量转移到稍低的单体超级电容上，以实现各单体超级电容的动态均压，同时还估算各单体超级电容的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将超级电容模组的状态参数传输到电机车运行控制器。在设计能量需求较大的系统中，确定储能元件的荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)是 一个非常重要的因素，需要复杂的信号提取、复杂的运算法则和长时间的资料整合；比较来说，确定超级电容的荷电状态和健康状态则很简单。由于在电容内储存能量只是电容和电压的功能，而且电容相对较为恒定，因此只要测量各单体超级电容的端电压就可以确定荷电状态。超级电容可以串联或是并联工作，当采用并联工作时，不需要额外的管理；而采用串联工作时，通常需要电压监测以维持每个单体超级电容的电压都在操作范围之内。
附图5是本发明实施例的电机车运行控制器原理框图。本发明的电机车运行控制器包括运行控制CPU模块，直接从直流总线DC_BUS的DC+、DC-取电变换后给电及车运行控制器供电的电源电路，经CAN总线与燃料电池模块、超级电容BMS通信的CAN接口，提供运行控制CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于系统参数设置、电机车运行操控和实时工作状态显示的人机接口，监测电机车运动姿态的三轴加速度传感器，监测电机车运行位置的GPS模块，监测电机车工作环境温度的环温传感器，用于通过传感器实时监测电机车牵引电机电流、转速的信号采集单元，用于为DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器、BOOST变换器提供控制信号的PWM驱动控制电路及PWM接口；电机车运行控制CPU模块通过人机接口接收到运行操控指令后，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，通过CAN总线获取燃料电池模块、超级电容模组的状态信息，再结合GPS模块采集的运行位置信息、三轴加速度传感器采集的运动姿态信息，经智能决策后由PWM驱动控制电路及PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、BOOST变换器、DC/AC逆变器，以实现电机车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式；电机车启动、加速、爬坡及行驶阻力瞬间增大时，由燃料电池模块经BOOST变换器、超级电容模组经双向DC/DC变换器同时为牵引电机提供动力；正常运行工况时，由燃料电池模块经BOOST变换器单独为牵引电机提供动力；在电机车回程运行且接近盾构机时，优先由超级电容模组为牵引电机提供动力，直至超级电容模组SOC降到下限值为止；电机车制动时，双向DC/DC变换器反向导通，由超超级电容模组回收牵引电动机产生的电能；当环温传感器监测到工作环境温度过高或其它异常工况时，通过人机接口向用户预警。盾构电机车在正常行驶，即负载平稳、行驶阻力较小时，信号采集单元采集到的牵引电机工作需求转速、电流信号为燃料电池模块可提供动力范围内，运行控制CPU模块输出信号通过PWM驱动控制电路及PWM接口发出PWM信号控制DC/AC逆变器和BOOST变换器工作、双向DC/DC变换器停止，由燃料电池模块对牵引电机提供动力；同时信号采集单元及燃料电池控制器实时的监控牵引电机及燃料电池模块的电压、电流信号并发送给运行控制CPU模块，由运行控制CPU模块随时控制动力的匹配，实现精准的控制。盾构电机车启动、加速、爬较大坡度及行驶阻力瞬间增大时，牵引电机所需的电压、电流瞬间增大，单一动力源输出无法满足驱动输出，此时运行控制CPU模块输出信号通过PWM驱动控制电路及PWM接口发出PWM信号控制DC/AC逆变器和BOOST变换器工作、双向DC/DC变换器正向导通，由燃料电池模块、超级电容模组同时为牵引电机提供动力；由于超级电容的高比功率性，可以快速在补充突变负荷时燃料电池模块的功率不足，迅速为盾构电机车提供动力；同时，信号采集单元及燃料电池控制器、超级电容BMS实时采集整车信息并发送给运行控制CPU模块，由运行控制CPU模块实时精准的控制整车的动力匹配。盾构电机车在制动时，动力系统不再提供动力，牵引电机相当于一个发电机能产生较大的瞬间电流及电压，此时运行控制CPU模块发出PWM信号控制双向DC/DC变换器反向导通，由超级电容模组回收电动机产生的电能；同时运行控制CPU模块通过信号采集单元监测牵引电机的转速、电流信号，通过CAN总线、超级电容BMS实时监测超级电容模组荷电状态(State Of Charge,SOC) ，精确控制蓄电池、超级电容的充电过程。盾构电机车的整机启动时启动阻力较大，需求瞬时能量较大，因此设计通过燃料电池模块、超级电容模组一起为整机提供启动电能；在整机启动之前，运行控制CPU模块通过CAN总线、超级电容BMS获取超级电容模组的SOC，如若此时超级电容模组的容量值低于设定的整机启动标准值，则由燃料电池模块对超级电容模组充电；由运行控制CPU模块、BOOST变换器、双向DC/DC变换器及超级电容BMS一起控制此充电过程，保证超级电容模组能够为整机启动提供足够能量。运行控制CPU模块根据三轴加速度传感器采集的运动姿态信息判断盾构电机车的运行工况：爬坡、下坡等，根据GPS模块采集的运行位置信息判断盾构电机车的行驶是远离、接近盾构机并计算实时距离。在盾构电机车回程运行且接近盾构机时，优先由超级电容模组为牵引电机提供动力，直到超级电容模组的SOC值小于设定值为止；以保证超级电容模组在盾构机处能补充足够多的能量，同时尽可能减少燃料电池模块的能量消耗，延长其使用寿命。
以45t盾构电机车为例，其额定电压：550V，调速方式：变频调速（逆变器允许电压范围是：360V~680V），牵引电机：2*55KW，最高速度v ma dimpc=16 km/h，持续速度v=8.8km/h，轨距: 900mm，制动距离：18m，最小转弯半径：25m。假设盾构电机车以速度v匀速运行在盾构机位置附近长度为L=3km的固定线路上，盾构施工流水线施工节拍点空当时间T=20分钟，忽略装、卸料时间，则盾构电机车的持续耗电量E约为：
E≈110*(8.8/16)=60.5 kWh
燃料电池用于满足盾构电机车正常行车时的动力需求，可选用一块大连新源动力股份有限公司生产的HYMOD-70燃料电池模块或上海神力科技有限公司生产的SFC-HD-660燃料电池模块，均属质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells－PEMFC），工作介质为氢气。HYMOD-70燃料电池模块的额定功率：70kW、峰值功率：85kW、额定电流：275A、工作电压范围：230V~370V、工作温度：-30℃~70℃，自带CAN接口的燃料电池控制器；SFC-HD-660燃料电池模块的额定功率：76kW、峰值功率：93.8kW、额定电压：203.8V、额定电流：373A、工作电压范围：164V~334V、工作温度：-30℃~85℃，自带CAN接口的燃料电池控制器。燃料电池只要工作介质足够便可持续提供电能。
超级电容模组用于盾构电机车的启动、加速、爬坡和持续大负荷运行工况下的能量补给，以及制动、下坡工况下的能量回收，采用由M个Maxwell公司的BCAP3400P285K04单体超级电容串联而成；根据盾构电机车的启动电流、运行线路工况来设置其并联工作的组数k。该单体超级电容额定容量C=3400F，内阻Res=0.28Ω，储存能量为3.84Wh，额定电压为2.85V（最大绝对电压3.0V），温升在15-40℃之间的最大持续电流为131-211A，最大绝对电流2000A，能量密度（比能量）为7.4Wh/kg，功率密度（比功率）为14000W/kg。根据基尔霍夫电压定律得到超级电容的输出电压Uo与等效电容电压U、充放电电流I的关系为：
Uo=U-IRes
超级电容容量大小通过其SOC评价
SOC=( U-Umin)/( Umax-Umin)
为满足45t盾构电机车的额定电压要求，则取M=550/2.85≈193个，超级电容模组的额定电压为550.05V（最大绝对电压579.0V），储存能量为741.12Wh。45t盾构电机车牵引电机的启动电流是额定电流的4-7倍（即800A~1400A），启动时间一般为2-5秒，则每次启动所消耗的电量在0.428 kWh~1.069 kWh之间；因此，需要7组超级电容模组才能满足盾构电机车启动电流要求，考虑到运行工况下的能量补给需求，取组数k≥8，超级电容模组的整体储存能量大于5.93kWh。若在盾构施工竖井处采用160A的充电桩对8组超级电容模组补充能量，仅需4分钟即可完成。
综上所述，本发明公开了一种基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源，包括1个燃料电池模块，k组设置有超级电容BMS的超级电容模组，以及BOOST变换器、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、超级电容充电接口和内含CAN接口、PWM接口、信号采集模块的电机车运行控制器。本发明的有益效果是采用燃料电池和超级电容搭配构成的混合储能系统，超级电容模组的动态响应速度远快于燃料电池模块，当盾构电机车启动、加速、爬坡和遇到行驶阻力较大时，负载功率需求发生突变，超级电容模组将承担起负载功率中的高频分量的部分，燃料电池模块负责低频分量的部分，能够快速地提供大功率电流，提高盾构电机车的动力性与经济性；在制动时能够快速地回收牵引电机产生的瞬间大电流，实现再生制动能量吸收，在燃料电池的工作介质足够时电机车可持续运行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源，包括1个燃料电池模块，k组设置有超级电容BMS的超级电容模组，以及BOOST变换器、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、超级电容充电接口和内含CAN接口、PWM接口、信号采集模块的电机车运行控制器；其特征是：燃料电池模块的输出经BOOST变换器后连接到直流总线DC_BUS，提供盾构施工配套电机车正常行车所需的电能，其容量按电机车正常运行所需的电能来选择；k组超级电容模组并联后经双向DC/DC变换器连接到直流总线DC_BUS，用于盾构施工配套电机车的启动、加速、爬坡和持续大负荷运行工况下的能量补给，以及制动、下坡工况下的能量回收，其组数k按盾构施工配套电机车的启动能耗和实际运行工况选择；直流总线DC_BUS连接至用于在盾构机附近经充电桩为超级电容补充电能的超级电容充电接口、并经DC/AC逆变器连接盾构施工配套电机车牵引电机，电机车运行控制器内的CAN接口经CAN总线连接至燃料电池模块、k个超级电容BMS、超级电容充电接口；电机车运行控制器根据人机接口给定的运行指标要求，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，结合通过CAN总线获取燃料电池模块、超级电容模组的状态信息，经智能决策后由PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、BOOST变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构施工配套电机车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式。
2.根据权利要求1所述的基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源，其特征是：所述的燃料电池模块由PEMFC电堆、燃料电池控制器、减压与稳压器、滤清器、风机、加湿器、过滤器、水箱、散热器、水泵组成；高压氢气由H2进气口进入经减压与稳压器后降至适合的压力等级，然后进入PEMFC电堆，在质子交换膜上与空气发生氧化还原反应，反应完成后的剩余氢气及杂质通过排气口释放到大气中；PEMFC电堆是燃料和氧化剂进行反应的场所，氢气进入阳极后与阴极的空气在质子交换膜上发生反应，产生自由电子，通过+接线端、-接线端接入负载形成电流；空气经过滤清器后进入风机，再进入加湿器与反应后的湿热空气进行焓湿交换，加湿后的空气进入PEMFC电堆与氢气反应，反应后生成的水和剩余的空气返回加湿器并在加湿器中大部分焓湿热均被空气带走后直接排入大气；水泵吸入经过滤器的水箱中的冷却水后进入 PEMFC电堆，吸收电堆反应热后出来再进入散热器进行散热，最后回到水箱以形成冷却水循环；燃料电池控制器接收来自电机车运行控制器的指令，监测和控制PEMFC电堆、减压与稳压器、水泵、水泵的工作状态，并向电机车运行控制器发送燃料电池模块工作状态参数。
3.根据权利要求1所述的基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源，其特征是：所述的超级电容模组由M个额定容量为C法拉、储存能量为E瓦时、额定电压为X伏特的单体超级电容串联而成，超级电容模组的正端由单体超级电容1的正极引出、负端由单体超级电容M的负极引出，其额定容量为C/M法拉、储存能量为M*E瓦时、额定电压为M*X伏特；每个单体超级电容的外壳上设置一个用于监测其工作温度的温度传感器，在超级电容模组的负端与单体超级电容M的负极之间设置一个用于监测超级电容模组工作电流的电流传感器和一个用于控制超级电容模组连接/断开的N沟道MOS管MOS1，每个单体超级电容的两端均设置有与超级电容BMS的电连接线，超级电容BMS实时监测各单体超级电容的端电压和外壳温度、超级电容模组工作电流以实现模组内各单体超级电容在充放电过程中的电压动态均衡；电机车运行控制器器可根据能量需求情况通过超级电容BMS控制超级电容模组的连接或断开。
4.根据权利要求1所述的基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源，其特征是：所述超级电容BMS包括BMS_CPU模块，提供BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从超级电容模组两端取电变换后给超级电容BMS供电的电源电路，用于经CAN总线与电机车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各单体超级电容两端工作电压并实现模组内各单体超级电容在充放电过程中电压动态均衡的电压检测与均衡模块；在超级电容模组充电或放电过程中，BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测超级电容模组的工作电流，通过M个温传感器实时监测各单体超级电容的工作温度，通过电压检测与均衡模块实时监测各单体超级电容的端电压并智能决策将稍高单体超级电容的能量转移到稍低的单体超级电容上，以实现各单体超级电容的动态均压，同时还估算各单体超级电容的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将超级电容模组的状态参数传输到电机车运行控制器。
5.根据权利要求1所述的基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源，其特征是：所述的电机车运行控制器包括运行控制CPU模块，直接从直流总线DC_BUS的DC+、DC-取电变换后给电及车运行控制器供电的电源电路，经CAN总线与燃料电池模块、超级电容BMS通信的CAN接口，提供运行控制CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于系统参数设置、电机车运行操控和实时工作状态显示的人机接口，监测电机车运动姿态的三轴加速度传感器，监测电机车运行位置的GPS模块，监测电机车工作环境温度的环温传感器，用于通过传感器实时监测电机车牵引电机电流、转速的信号采集单元，用于为DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器、BOOST变换器提供控制信号的PWM驱动控制电路及PWM接口；电机车运行控制CPU模块通过人机接口接收到运行操控指令后，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，通过CAN总线获取燃料电池模块、超级电容模组的状态信息，再结合GPS模块采集的运行位置信息、三轴加速度传感器采集的运动姿态信息，经智能决策后由PWM驱动控制电路及PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、BOOST变换器、DC/AC逆变器，以实现电机车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式；电机车启动、加速、爬坡及行驶阻力瞬间增大时，由燃料电池模块经BOOST变换器、超级电容模组经双向DC/DC变换器同时为牵引电机提供动力；正常运行工况时，由燃料电池模块经BOOST变换器单独为牵引电机提供动力；在电机车回程运行且接近盾构机时，优先由超级电容模组为牵引电机提供动力，直至超级电容模组SOC降到下限值为止；电机车制动时，双向DC/DC变换器反向导通，由超超级电容模组回收牵引电动机产生的电能；当环温传感器监测到工作环境温度过高或其它异常工况时，通过人机接口向用户预警。
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