CN112803566A - 一种电池混动控制装置及供电管理系统、轨道车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电池混动控制装置及供电管理系统、轨道车辆，该电池混动控制装置包括控制单元以及可供电至用电负载的金属空气燃料电池和锂电池，所述控制单元根据所述金属空气燃料电池和所述锂电池的状态信息，输出启动信号至所述金属空气燃料电池或所述锂电池的控制端，其中，所述金属空气燃料电池包括并联设置的多个。优选地，还包括设置在所述金属空气燃料电池的输出端与所述锂电池之间的DC‑DC变换器，所述DC‑DC变换器包括并联设置的多个。通过电池混动控制装置的优化，能够有效兼顾负载功能需要及系统运行可靠性的提高。

Description

一种电池混动控制装置及供电管理系统、轨道车辆
技术领域
本发明涉及轨道交通电源控制技术领域，具体涉及一种电池混动控制装置及供电管理系统、轨道车辆。
背景技术
金属空气燃料电池是一种新型高能化学电源。以铝空燃料电池为例，它以铝合金为负极，空气电极为正极，中性或碱性水溶液为电解液，电池运行过程中通过消耗铝合金负极和空气中的氧气对外输出电能。铝空燃料电池具有能量密度大，质量轻，无污染，可靠性高，寿命长等优点。
现有技术中，用于轨道车辆的铝空气燃料无法满足负载及时响应的要求，同时也无法可靠满足负载启动时瞬间大功率输出的负载特性要求。
有鉴于此，亟待针对金属空气燃料电池与锂电池的混动控制技术提供创新解决方案，在满足负载及时响应要求的基础上，得以提高系统的可靠性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种电池混动控制装置及供电管理系统、轨道车辆，通过电池混动控制装置的优化，能够有效兼顾负载功能需要及系统运行可靠性的提高。
本发明提供的电池混动控制装置，包括控制单元以及可供电至用电负载的金属空气燃料电池和锂电池，所述控制单元根据所述金属空气燃料电池和所述锂电池的状态信息，输出启动信号至所述金属空气燃料电池或所述锂电池的控制端，其中，所述金属空气燃料电池包括并联设置的多个。
优选地，还包括设置在所述金属空气燃料电池的输出端与所述锂电池之间的DC-DC变换器，所述DC-DC变换器包括并联设置的多个。
优选地，所述金属空气燃料电池和所述锂电池中，所述锂电池为优先供电电源；所述控制单元以所述锂电池的荷电量小于第一预设阈值为第一判断条件，输出启动指令至所述金属空气燃料电池的控制端，所述金属空气燃料电池为用电负载供电且为锂电池充电。
优选地，所述控制单元以所述锂电池的荷电量高于第二预设阈值为第二判断条件，输出功率限制指令至所述DC-DC变换器的控制端。
优选地，根据所述功率限制指令，所述金属空气燃料电池的输出功率与用电负载供电功率一致。
优选地，所述控制单元以至少一个所述金属空气燃料电池故障和/或过温为第三判断条件，输出功率调节指令至所述DC-DC变换器的控制端。
优选地，所述控制单元以至少一个所述金属空气燃料电池故障或至少一个所述DC-DC变换器故障为第四判断条件，输出切断指令至相应的故障对象控制端。
优选地，所述控制单元以至少一个所述金属空气燃料电池故障或至少一个所述DC-DC变换器故障为第四判断条件，还输出功率限制指令至所述DC-DC变换器的控制端。
本发明还提供一种供电管理系统，包括市电供电线路，还包括如前所述的电池混动控制装置，所述金属空气燃料电池、所述锂电池和所述市电供电线路中，所述市电供电线路为优先供电电源。
本发明还提供一种包括如前所述供电管理系统的轨道车辆。
针对现有轨道车辆，本发明针对其供电管理提出了提升运行可靠性的解决方案，具体地，控制单元根据金属空气燃料电池和锂电池的状态信息，输出启动信号至金属空气燃料电池或锂电池的控制端，这样，金属空气燃料电池与锂电池协调工作互为冗余。当锂电出现故障后，由金属空气燃料电池直接给用电负载供电；当金属空气燃料电池故障后，锂电池也可以为用电负载供电，以满足不同负载功能需要；并且，在大致相同的电池体积、重量的基础上，系统电量可提高50％以上。其中，金属空气燃料电池包括并联设置的多个，当其中一个出现故障，各金属空气燃料电池间互为冗余，可确保系统正常工作，从而有效提高了系统的可靠性。
在本发明的优选方案中，在金属空气燃料电池的输出端与锂电池之间设置多个并联设置的DC-DC变换器。由此，当其中一个出现故障，各DC-DC变换器间互为冗余，同样可确保系统正常工作，进一步提高了系统的可靠性。
在本发明的另一优选方案中，以锂电池为优先供电电源，控制单元以锂电池的荷电量小于第一预设阈值为第一判断条件，输出启动指令至金属空气燃料电池的控制端；也即，在无市电供电的情况下，优先采用锂电池为系统供电，以金属空气燃料电池为辅助电源，供电运行维护成本相对较低；该金属空气燃料电池启用后供电至用电负载，同时为锂电池充电，以备再次启用锂电池。
在本发明的又一优选方案中，控制单元以锂电池的荷电量高于第二预设阈值为第二判断条件，输出功率限制指令至DC-DC变换器的控制端，以限制金属空气燃料电池的输出功率；也就是说，锂电池的电容量足以满足实际启用需求后，金属空气燃料电池的输出功率满足用电负载的使用需求即可。作为优选，根据该功率限制指令，金属空气燃料电池的输出功率与用电负载供电功率一致，由金属空气燃料电池单独为用电负载供电，锂电池处于浮充状态，为最优配置。
在本发明的又一优选方案中，控制单元以至少一个金属空气燃料电池故障和/或过温为第三判断条件，输出功率调节指令至DC-DC变换器的控制端。由此，基于DC-DC变换器的电流、功率在线调节功能，当金属空气燃料电池中一者无法正常工作时，可通过动态调节满足当前负载使用需求，具有较好的可适应性。
附图说明
图1为具体实施方式所述电池混动控制装置的原理示意图。
图中：
金属空气燃料电池1、锂电池2、DC-DC变换器3、控制单元4、用电负载5、市电供电线路6。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参见图1，该图示出本实施方式所述电池混动控制装置的原理示意图。
该电池混动控制装置包括金属空气燃料电池1和锂电池2，在控制单元4的协调控制下，可分别供电至用电负载5。这里，可根据需要选择以镁、铝、锌、汞、铁等作负极的金属空气燃料电池1，例如但不限于优选采用铝空气燃料电池，兼具使用成本较低及性能稳定的特点。
本方案中，控制单元4根据金属空气燃料电池1和锂电池2的状态信息，例如但不限于采集表征电池输出功率(电压、电流)、工作温度及故障等参数的状态信息，并以此作为判断依据输出启动信号至金属空气燃料电池1或锂电池2的控制端，两者可协调工作互为冗余。当锂电池2出现故障后，由金属空气燃料电池1直接给用电负载5供电；当金属空气燃料电池1故障后，锂电池2也可以为用电负载供电，以满足不同负载功能需要。实际运行时，控制单元4作为控制核心，通过CAN通讯采集锂电池2、DC-DC变换器3、金属空气燃料电池1的状态信息，通过综合相关状态信息整体控制协调系统的工作。与现有技术相比，本方案充分发挥了金属空气燃料电池1容量大、能源补给较为便捷和锂电池2功率输出大的优点，在大致相同的电池体积、重量的基础上，系统电量可提高50％以上。
其中，金属空气燃料电池1包括并联设置的多个(1-1、1-2…1-n)。实际运行时，当其中一个出现故障，仍可确保系统正常工作，各金属空气燃料电池1间互为冗余，能够有效提高系统的可靠性。图中所示，每个金属空气燃料电池1的输出端口均串接一整流二级管(VD1、VD2…VDn)，以利用其单向导电的特点输出稳定脉冲直流电。
本方案中，在金属空气燃料电池1的输出端与锂电池2之间的DC-DC变换器3，可将金属空气燃料电池1输出的直流电压变换为满足使用需要的直流电压，由此使得负载应用更加平稳可靠且响应迅速，同时具有节约电能的作用。这里，DC-DC变换器包括并联设置的多个(3-1、3-2…3-n)，实际使用时，当其中一个出现故障，同样可确保系统正常工作，各DC-DC变换器3间互为冗余，可进一步提高系统可靠性。
其中，本方案中的金属空气燃料电池1、锂电池2和DC-DC变换器3与控制单元4之间，优选采用CAN通讯进行数据交换，该数据交换具体包括信息采集和指令发送。
为了合理控制供电运行维护成本，金属空气燃料电池1和锂电池2中，以锂电池3为优先供电电源。在无市电供电的情况下，优先采用锂电池2为系统供电，用电负载5启动工作由锂电池2供电；相应地，以金属空气燃料电池1为辅助电源，整体上，供电运行维护成本相对较低。具体地，控制单元4以该锂电池2的荷电量小于第一预设阈值为第一判断条件，输出启动指令至金属空气燃料电池1的控制端，切换至由金属空气燃料电池1为用电负载供电，该金属空气燃料电池启用后同时为锂电池2充电，以备再次启用该锂电池2。如此配置，在保证较强续航能力的同时，能够确保中大功率电能的输出能力。这里，“第一预设阈值”可根据锂电池2的不同特性进行设定，只要能够确保系统正常运行均可。
进一步地，控制单元4还可以锂电池2的荷电量高于第二预设阈值为第二判断条件，输出功率限制指令至DC-DC变换器3的控制端。这里，这里，“第二预设阈值”可根据锂电池2的不同特性进行设定，也就是说，锂电池2的荷电量足以满足实际启用需求后，金属空气燃料电池1的输出功率满足用电负载5的使用需求即可。作为优选，根据该功率限制指令，金属空气燃料电池1的输出功率与用电负载5供电功率一致，该金属空气燃料电池1单独为用电负载5供电，此时的锂电池2处于浮充状态，为最优配置。
为了进一步提高系统的可适应性，当检测到某个金属空气燃料电池1故障，或者某个金属空气燃料电池1过温时，作为优选，该控制单元4还以至少一个金属空气燃料电池1故障和/或过温为第三判断条件，输出功率调节指令至DC-DC变换器3的控制端，也即可以通过在线调整DC-DC变换器3输出功率。基于DC-DC变换器3的电流、功率在线调节功能，当金属空气燃料电池1中一者无法正常工作时，通过动态调节能够满足当前负载使用需求。
另外，当金属空气燃料电池1和DC-DC变换器3中任何一者出现故障，并将故障信息反馈至控制单元4时，该控制单元4还可以至少一个金属空气燃料电池1故障或至少一个DC-DC变换器3故障为第四判断条件，输出切断指令至相应的故障对象控制端；也即，对故障的金属空气燃料电池1或DC-DC变换器3进行切除。
进一步地，控制单元4以至少一个金属空气燃料电池1故障或至少一个DC-DC变换器3故障为第四判断条件，还输出功率限制指令至DC-DC变换器3的控制端，对故障的金属空气燃料电池1或DC-DC变换器3进行切除的同时，进行限功输出。
除前述电池混动控制装置外，本实施方式还提供一种用于轨道车辆的供电管理系统，包括市电供电线路6，以及如前所述的电池混动控制装置，这里，金属空气燃料电池1、锂电池2和市电供电线路6中，以市电供电线路6为优先供电电源，采用市电经过DC-DC变换器3给锂电池2充电和用电负载5供电；如前所述，在无市电供电的情况下，优先采用锂电池2为系统供电。应当理解，该用于轨道车辆的供电管理系统的其他功能构成非本申请的核心发明点所在，本领域技术人员能够基于现有技术实现，故本文不再赘述。
此外，在市电供电线路6上可串接一整流二级管VD11，在用电负载5的输入端口可串接一整流二级管VD12，整体提升供电稳定性。
除前述电池混动控制装置和供电管理系统外，本实施方式还提供一种包括该供电管理系统的轨道车辆。同样应当理解的是，该轨道车辆的其他功能构成非本申请的核心发明点所在，本领域技术人员能够基于现有技术实现，故本文不再赘述。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电池混动控制装置，其特征在于，包括控制单元以及可供电至用电负载的金属空气燃料电池和锂电池，所述控制单元根据所述金属空气燃料电池和所述锂电池的状态信息，输出启动信号至所述金属空气燃料电池或所述锂电池的控制端，其中，所述金属空气燃料电池包括并联设置的多个。
2.根据权利要求1所述的电池混动控制装置，其特征在于，还包括设置在所述金属空气燃料电池的输出端与所述锂电池之间的DC-DC变换器，所述DC-DC变换器包括并联设置的多个。
3.根据权利要求2所述的电池混动控制装置，其特征在于，所述金属空气燃料电池和所述锂电池中，所述锂电池为优先供电电源；所述控制单元以所述锂电池的荷电量小于第一预设阈值为第一判断条件，输出启动指令至所述金属空气燃料电池的控制端，所述金属空气燃料电池为用电负载供电且为锂电池充电。
4.根据权利要求3所述的电池混动控制装置，其特征在于，所述控制单元以所述锂电池的荷电量高于第二预设阈值为第二判断条件，输出功率限制指令至所述DC-DC变换器的控制端。
5.根据权利要求4所述的电池混动控制装置，其特征在于，根据所述功率限制指令，所述金属空气燃料电池的输出功率与用电负载供电功率一致。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的电池混动控制装置，其特征在于，所述控制单元以至少一个所述金属空气燃料电池故障和/或过温为第三判断条件，输出功率调节指令至所述DC-DC变换器的控制端。
7.根据权利要求6所述的电池混动控制装置，其特征在于，所述控制单元以至少一个所述金属空气燃料电池故障或至少一个所述DC-DC变换器故障为第四判断条件，输出切断指令至相应的故障对象控制端。
8.根据权利要求7所述的电池混动控制装置，其特征在于，所述控制单元以至少一个所述金属空气燃料电池故障或至少一个所述DC-DC变换器故障为第四判断条件，还输出功率限制指令至所述DC-DC变换器的控制端。
9.一种供电管理系统，包括市电供电线路，其特征在于，还包括如权利要求1至8中任一项所述的电池混动控制装置，所述金属空气燃料电池、所述锂电池和所述市电供电线路中，所述市电供电线路为优先供电电源。
10.轨道车辆，包括供电管理系统，其特征在于，所述供电管理系统为如权利要求9所述的供电管理系统。
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