CN113665364B - 多燃料电池的混合动力系统及其能量管理方法、装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种多燃料电池的混合动力系统及其能量管理方法、装置，该混合动力系统包括：动力电池，其连接到直流母线；燃料电池系统，其包括至少两个并联的支路，每个支路中串联有至少两个燃料电池，各支路分别通过一DC/DC模块连接到所述直流母线，每个燃料电池的两端并联有旁路隔离开关，所述旁路隔离开关用于将燃料电池接入到所述燃料电池系统中进行供电或将燃料电池从所述燃料电池系统中切除。本实施例将多个燃料电池通过串、并联结合方式组成燃料电池系统，采用多串联‑多并联的拓扑结构，且在串联燃料电池两端并联旁边隔离开关，在保证系统有较高效率、体积重量较轻的同时具有高可控性。

Description

多燃料电池的混合动力系统及其能量管理方法、装置

技术领域

本申请涉及电池能源管理技术领域，具体地，涉及一种多燃料电池的混合动力系统及其能量管理方法、装置。

背景技术

轨道车辆动力系统常采用燃料电池/动力电池构成的电电混合动力系统。相比于汽车，轨道车辆混合动力系统所需功率大，一般采用定制开发的大功率燃料电池系统，成本高昂且技术成熟度低；而小功率燃料电池尽管技术成熟、可选择性强，但由于单机功率低，无法在轨道车辆上直接应用。

现有轨道车辆的混合动力系统主要采用大功率燃料电池进行简单并联供电，如图1所示。该方案中每个大功率燃料电池均通过DC/DC模块连接到直流母线，动力电池采用直挂母线的方式。采用大功率燃料电池简单并联的混合动力系统供电方案，由于单个燃料电池功率需求大，一般需要定制化开发，成本高昂；受燃料电池工作特性的影响，当车辆需求功率较小时，大功率燃料电池处在效率低点，不利于系统效率的提升；由于系统中燃料电池数量少，当两个燃料电池出现故障时，混合动力系统丧失能量源，无法持续运行。

发明内容

本申请实施例提供一种多燃料电池的混合动力系统及其能量管理方法、装置，以解决上述技术问题。

第一方面，本申请实施例提供一种多燃料电池的混合动力系统，包括：

动力电池，其连接到直流母线；

燃料电池系统，其包括至少两个并联的支路，每个支路中串联有至少两个燃料电池，各支路分别通过一DC/DC模块连接到所述直流母线，每个燃料电池的两端并联有旁路隔离开关，所述旁路隔离开关用于将燃料电池接入到所述燃料电池系统中进行供电或将燃料电池从所述燃料电池系统中切除。

第二方面，本申请实施例提供一种多燃料电池的混合动力系统的能量管理方法，应用于如第一方面所述的混合动力系统，所述方法包括：

获取混合动力系统当前的主状态值，所述主状态值表示混合动力系统在当前时刻的供电状态，所述供电状态由所述混合动力系统中可对外供电的电池形成的供电拓扑结构确定；

在接收到高压启动指令后，按照所述主状态值对应的预设启动策略启动所述混合动力系统中的对应电池，并根据所述主状态值和车辆需求功率对所述混合动力系统已启动的电池进行能量管理。

第三方面，本申请实施例提供一种多燃料电池的混合动力系统的能量管理装置，应用于如第一方面所述的混合动力系统，所述装置包括：

主状态确定模块，用于获取混合动力系统当前的主状态值，所述主状态值表示混合动力系统在当前时刻的供电状态，所述供电状态由所述混合动力系统中可对外供电的电池形成的供电拓扑结构确定；

能量管理模块，用于在接收到高压启动指令后，按照所述主状态值对应的预设启动策略启动所述混合动力系统中的对应电池，并根据所述主状态值和车辆需求功率对所述混合动力系统已启动的电池进行能量管理。

通过本技术方案，可将多个小功率燃料电池进行串、并联，组合成复杂的燃料电池系统，相较于大功率燃料电池简单并联方案，可降低成本、提升系统效率；其中，综合串、并联两种连接方式的特点设计的燃料电池系统，采用多串联-多并联的拓扑结构，且在串联燃料电池两端并联旁路隔离开关，以将燃料电池接入到燃料电池系统中或将燃料电池从燃料电池系统中切除，从而通过旁路隔离开关实现支路中任何一个燃料电池故障时，将故障燃料电池及时切除系统，并在故障解除后将其重新接入系统，克服了串联支路可靠性低、并联支路成本高的缺点，提高了多燃料电池耦合的燃料电池系统的可靠性，因此本方案在保证系统有较高效率、体积重量较轻的同时具有高可控性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术中轨道车辆的混合动力系统的结构示意图；

图2示出了本申请实施例中轨道车辆的混合动力系统的结构示意图；

图3示出了本申请实施例提供的多燃料电池的混合动力系统的能量管理方法的流程图；

图4示出了本申请实施例中主状态值HBS_state的确定过程的流程图；

图5示出了图4中步骤220的具体过程的流程图；

图6示出了本申请实施例中根据目标输出功率控制燃料电池系统的功率输出的具体过程的流程图；

图7示出了本申请实施例提供的多燃料电池的混合动力系统的能量管理装置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本申请的示例性实施例进行详细说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本申请实施例将多个小功率燃料电池进行串、并联，组合成复杂燃料电池系统，图2示出了本申请实施例提供的混合动力系统的结构示意图，请参照图2，混合动力系统包括：动力电池和燃料电池系统，燃料电池系统包括至少两个并联的支路，每个支路中串联有至少两个燃料电池，各支路分别通过一DC/DC模块连接到直流母线，具体的，同一支路上的所有燃料电池串联后通过DC/DC模块连接到直流母线，动力电池连接到同一直流母线上。混合动力系统中，动力电池用于维持母线电压，其较大容量特点可防止母线电压的突变，起到削峰填谷的作用；燃料电池系统作为整个混合动力系统的最终能量来源，其输出功率可根据动力电池的荷电状态(SOC)和车辆需求功率进行调整，是能量管理的主要控制变量。

在一种实施例中，燃料电池系统包括两个并联的支路，分别为第一支路和第二支路，每个支路中均分别串联有四个燃料电池，如图2所示，燃料电池系统为4串联-2并联的拓扑结构。可以理解的，燃料电池系统也可以有三个、四个甚至更多个并联的支路，每个支路中串联的燃料电池的个数可以相等，也可以不等。

同一支路上，串联电流相等，电压为各燃料电池的电压之和，4个串联燃料电池连接到一个DC/DC模块输入端，保证DC/DC模块升压比控制在较小值，提高电-电转化效率；DC/DC模块主要是升压和稳压作用，升压是由于燃料电池的输出功率达不到车辆的使用需求，燃料电池单体串联太多会出现不均衡，导致性能下降，所以燃料电池厂家设置的输出电压比较低，需要进行升压；稳压是由于燃料电池的输出特性很软，电流增大会让电压迅速下降，因此燃料电池与DC/DC模块需要配合使用。

并联支路保证车辆的功率需求，同时提高车辆的供电可靠性；在每个燃料电池的两端并联有旁路隔离开关，以将燃料电池接入到燃料电池系统中进行供电或将燃料电池从燃料电池系统中切除，因此通过旁路隔离开关实现支路中任何一个燃料电池故障时，将故障燃料电池及时切除系统，并在故障解除后将其重新接入系统，从而克服串联支路可靠性低、并联支路成本高的缺点，提高多燃料电池耦合的燃料电池系统的可靠性；储氢系统为整个燃料电池系统提供氢气。能量控制单元对混合动力系统中各单元(动力电池、各个燃料电池、储氢系统及DC/DC模块)进行控制。

上述混合动力系统的拓扑结构可以解决多燃料电池的燃料电池系统在轨道车辆上的耦合供电问题。多燃料电池可以通过串、并联方式组成燃料电池系统，但其中：并联方式需要为每个燃料电池单独配备一个DC/DC模块，导致系统体积、重量较大，且较高的升压比造成电-电转化效率下降，系统综合成本高；串联方式中单个燃料电池故障将导致与其串联的整个支路无法工作，系统可靠性和可控性较差。因此本实施例综合两种连接方式的特点进行燃料电池系统的设计，采用多串联-多并联的拓扑结构，且在串联燃料电池两端并联旁边隔离开关，在保证系统有较高效率、体积重量较轻的同时具有高可控性。

根据图2所示的拓扑结构，含多燃料电池的混合动力系统供电状态有如下6种：

(1)正常供电；

(2)跛行-混合供电；

(3)跛行-单动力电池供电；

(4)跛行-单燃料电池供电；

(5)跛行-单燃料电池故障供电；

(6)混合动力系统故障。

上述供电状态是根据混合动力系统中可对外供电的电池形成的供电拓扑结构确定。混合动力系统中各个单元(动力电池、燃料电池、储氢系统及DC/DC模块)的故障状态统一划分为三种级别，0级表示无故障，1级表示某些参数偏离正常值，需要关注，但不影响运行；2级表示出现故障。故障级别在0级和1级，认为故障状态为正常，故障状态在2级，认为故障状态为故障。

含多燃料电池的燃料电池系统，当系统中某一个或某几个燃料电池出现故障不能发电时，可通过切除故障燃料电池方式让处于正常状态的燃料电池继续发电，但由于燃料电池系统的故障状态有多种形式，混合动力系统的供电状态也存在较大差异，因此必须解决多燃料电池的混合动力系统不同故障状态时的能量管理问题才能实现系统的可靠应用。本发明根据混合动力系统的主状态值标识系统的供电状态，为不同的能量控制策略提供入口，进而实现小功率燃料电池在轨道车辆上的供电应用。

本实施例基于上述混合动力系统提供一种能量管理方法，该方法中的各个步骤由轨道车辆上的电子控制单元ECU执行，请参照图3，该方法包括：

步骤110，获取混合动力系统当前的主状态值。

步骤120，在接收到高压启动指令后，按照该主状态值对应的预设启动策略启动混合动力系统中的对应电池。

步骤130，根据主状态值和车辆需求功率对混合动力系统已启动的电池进行能量管理。

下面分别介绍步骤110至步骤130中各步骤的具体实施方式：

在步骤110中，当车辆启动后，混合动力系统中各个单元(动力电池、燃料电池、储氢系统和DC/DC模块)所连的控制器上电后自动完成自检，并将各单元的故障状态发送给ECU用于后续判断。其中，将故障状态统一划分为三种级别，0级表示无故障，1级表示某些参数偏离正常值，需要关注，但不影响运行；2级表示出现故障。故障级别在0级和1级，认为故障状态为正常，故障状态在2级，认为故障状态为故障。

ECU收到各控制器发送的各单元的故障状态后，根据各单元的故障状态确定混合动力系统在当前时刻的主状态值。

具体的，图4示出了本实施例中主状态值HBS_state的确定过程，请参照图4，其具体过程包括：

步骤210，获取动力电池的故障状态值Alarm_Bat。

将动力电池的故障状态划分为三种级别，0级表示无故障，1级表示某些参数偏离正常值，需要关注，但不影响运行，2级表示出现故障。故障级别在0级和1级，认为故障状态为正常，故障状态在2级，认为故障状态为故障。因此，若故障级别为0级或1级，将动力电池的故障状态值Alarm_Bat赋值为1，表示动力电池正常，若故障级别为2级，将动力电池的故障状态值Alarm_Bat赋值为0，表示动力电池故障。

步骤220，获取燃料电池系统的状态数FCs_Hstate。FCs_Hstate表示燃料电池系统中可对外供电的燃料电池的总个数。

具体的，请参照图5，步骤220具体包括：

步骤221，分别识别每个燃料电池的故障状态。

将燃料电池的故障状态划分为三种级别，0级表示无故障，1级表示某些参数偏离正常值，需要关注，但不影响运行，2级表示出现故障。故障级别在0级和1级，认为故障状态为正常，故障状态在2级，认为故障状态为故障。若燃料电池的故障级别为0级或1级，则确定该燃料电池的故障状态为正常，若燃料电池的故障级别为2级，则确定该燃料电池的故障状态为故障。

步骤222，根据每个燃料电池的故障状态分别统计各支路的状态参考数FCs_Hstate_i_re。

其中，FCs_Hstate_i_re表示第i个支路中故障状态为正常的燃料电池的个数。若第2个支路中串联有4个燃料电池，其中3个燃料电池的故障状态为正常，1个燃料电池的故障状态为故障，则得到第2个支路的状态参考数FCs_Hstate_2_re为3。

步骤223，根据各支路的状态参考数FCs_Hstate_i_re确定状态数FCs_Hstate。

其中，在获得各支路的状态参考数FCs_Hstate_i_re之后，判断燃料电池系统连接的储氢系统是否故障，将储氢系统的故障状态划分为三种级别，0级表示无故障，1级表示某些参数偏离正常值，需要关注，但不影响运行，2级表示出现故障。故障级别在0级和1级，认为故障状态为正常，故障状态在2级，认为故障状态为故障。若储氢系统的故障级别为0级或1级，则确定储氢系统未故障，若储氢系统的故障级别为2级，则确定储氢系统故障。

若储氢系统未故障，则进一步判断各支路连接的DC/DC模块是否故障；将DC/DC模块未故障的支路的状态参考数FCs_Hstate_i_re赋值给该支路的状态目标数FCs_Hstate_i，并将DC/DC模块故障的支路的状态目标数FCs_Hstate_i置零，FCs_Hstate_i表示第i个支路中可对外供电的燃料电池的个数；根据各支路的状态目标数FCs_Hstate_i之和得到状态数FCs_Hstate。

由于整个燃料电池系统采用一套储氢系统供氢，若储氢系统故障，则整个燃料电池系统都将无法正常运行，即无法对外供电，此时将各支路的状态目标数FCs_Hstate_i和燃料电池系统的状态数FCs_Hstate均直接置零。

以图2为例，在上述步骤221-222的一种具体实施例中，逐个识别燃料电池的故障状态，若燃料电池故障级别不为2级，则认为该燃料电池正常，将其故障状态值FCX_X_OK设为1，否则置0，FCX_X_OK中第一个X为支路标号，代表并联的两条支路，取值为1-2，第二个X为燃料电池编号，代表串联的4个燃料电池，取值为1-4；然后将各支路燃料电池的故障状态值FCX_X_OK求和并分别赋值给FCs_Hstate_1_re和FCs_Hstate_2_re；判断储氢系统是否故障，若储氢系统故障，则将表示支路可对外供电的燃料电池个数的状态目标数FCs_Hstate_1、FCs_Hstate_2，以及燃料电池系统的状态数FCs_Hstate均置0；若储氢系统未故障，进一步判断各支路所连接的DC/DC模块的故障状态，若该支路的DC/DC模块故障(即出现2级故障级别)，则将该支路状态目标数FCs_Hstate_i置为0，如果两个支路的DC/DC模块均未故障，则将FCs_Hstate_1_re、FCs_Hstate_2_re分别赋值给FCs_Hstate_1，FCs_Hstate_2，再对FCs_Hstate_1和FCs_Hstate_2进行求和，得到燃料电池系统的状态数FCs_Hstate。

在获得动力电池的故障状态值Alarm_Bat和燃料电池系统的状态数FCs_Hstate后，执行步骤230，根据Alarm_Bat和FCs_Hstate确定混合动力系统的主状态值HBS_state。

主状态值HBS_state表示混合动力系统当前实时时刻的供电状态，如上文所示，本实施例中的混合动力系统共包括6种供电状态：(1)正常供电；(2)跛行-混合供电；(3)跛行-单动力电池供电；(4)跛行-单燃料电池供电；(5)跛行-单燃料电池故障供电；(6)混合动力系统故障。

在步骤230中，主状态值HBS_state的具体确定过程为：

(1)正常供电状态HBS_state＝0：混合动力系统中动力电池和燃料电池系统均正常，可按照正常的能量分配策略提供动力。

当Alarm_Bat表示动力电池正常，且FCs_Hstate等于M时，将主状态值HBS_state赋值为目标数值，其中，M为燃料电池系统中包含的燃料电池总个数，目标数值对应混合动力系统的正常供电状态，为便于实施，目标数值可为0。

(2)跛行-混合供电状态HBS_state＝1：此状态下动力电池正常，燃料电池系统中存在部分燃料电池故障，此时混合动力系统以混合供电方式提供动力，由于系统包含8个燃料电池，HBS_state＝1的系统拓扑包含多种情况，如单支路故障、双支路故障，且支路故障数也有多种组合，因而燃料电池系统的能量分配策略会不同。

当Alarm_Bat表示动力电池正常，且FCs_Hstate∈[1，M-1]时，将主状态值HBS_state赋值为第一数值，第一数值对应混合动力系统的混合供电状态；为便于实施，第一数值可为1。

(3)跛行-单动力电池供电HBS_state＝2：此状态下动力电池正常，整个燃料电池系统均无法正常供电，可采用动力电池单独为系统供电。

当Alarm_Bat表示动力电池正常，且FCs_Hstate等于0时，将主状态值HBS_state赋值为第二数值，第二数值对应混合动力系统的单动力电池供电状态，为便于实施，第二数值可为2。

(4)跛行-单燃料电池供电HBS_state＝3：此状态下动力电池故障，整个燃料电池系统中各燃料电池均正常，由于直流母线上无稳压源，此时可将燃料电池连接的DC/DC模块设置为电压源工作模式进行对外输出。

当Alarm_Bat表示动力电池故障，且FCs_Hstate等于M时，将主状态值HBS_state赋值为第三数值，第三数值对应混合动力系统的单燃料电池供电状态；为便于实施，第三数值可为3。

(5)跛行-单燃料电池故障供电HBS_state＝4：此状态下动力电池故障，燃料电池系统中存在部分燃料电池故障，混合动力系统可利用处于正常状态的燃料电池对外供电。同时，为满足车辆最低供电(辅助负载供电)要求，当FCs_Hstate不小于预设的基础个数时才将HBS_state赋值为4。由于系统包含8个燃料电池，HBS_state＝4的系统拓扑包含多种情况，如单支路故障、双支路故障，且支路故障数也有多种组合，因而燃料电池系统的局部能量分配策略则会发生变化。

当Alarm_Bat表示动力电池故障，且FCs_Hstate∈[M’，M-1]时，将主状态值HBS_state赋值为第四数值，其中，M’为满足车辆最低供电要求的燃料电池基础个数，第四数值对应混合动力系统的单燃料电池故障供电状态；为便于实施，第四数值可为4，满足车辆最低供电要求的燃料电池基础个数M’可为2。

(6)混合动力系统故障HBS_state＝5：此状态下动力电池和整个燃料电池系统均故障(或者燃料电池不满足车辆最低供电要求)，混合动力系统无法对外输出，需要关闭电源排查故障。

当Alarm_Bat表示动力电池故障，且FCs_Hstate∈[0,M’)时，将主状态值HBS_state赋值为第五数值，第五数值对应混合动力系统故障状态，为便于实施例，第五数值可为5。

需要说明的是，在完成上述主状态值HBS_state赋值后，等待高压启动指令，在未接收到高压启动指令之前循环判断混合动力系统的实时主状态值，保证高压启动开始前主状态值始终为当前最新状态。

在收到高压启动指令后，ECU执行步骤120，即根据主状态值启动混合动力系统中的对应电池。

在步骤120中，根据主状态值的不同，混合动力系统的启动策略分为以下几种情况：

1)当HBS_state等于目标数值时，依次启动动力电池、燃料电池系统中的其中一条支路和DC/DC模块，并将DC/DC模块设置为电流源工作模式；

2)当HBS_state等于第一数值时，依次启动动力电池、燃料电池系统中的其中一条支路和DC/DC模块，将燃料电池系统中的故障燃料电池通过旁路隔离开关从燃料电池系统中切除，并将DC/DC模块设置为电流源工作模式；

在上述情况1)和2)中，混合动力系统的供电状态为正常供电状态或混合供电状态，此时为节约能量，仅启动其中一条支路，具体的，可启动燃料电池系统并联的两条支路中正常燃料电池个数更少的一条支路，若两条支路的数量一样多，则启动其中第一支路。

3)当HBS_state等于第二数值时，启动动力电池；

4)当HBS_state等于第三数值时，依次启动燃料电池系统和DC/DC模块，并将DC/DC模块设置为电压源工作模式；

5)当HBS_state等于第四数值时，依次启动燃料电池系统和DC/DC模块，将燃料电池系统中的故障燃料电池通过旁路隔离开关从燃料电池系统中切除，并将DC/DC模块设置为电压源工作模式。

在上述情况4)和5)中，混合动力系统中动力电池故障，仅能由燃料电池系统供电，此时尽可能将所有正常燃料电池全部启动。

当HBS_state等于第五数值时，混合动力系统的供电状态为系统故障状态，混合动力系统无法对外输出，所有电池均不启动。

在收到车辆控制器VCU发送的功率需求指令后，ECU执行步骤130，即根据主状态值和车辆需求功率对混合动力系统已启动的电池进行能量管理。

在步骤130中，根据主状态值的不同，混合动力系统的能量管理策略分为以下几种情况：

1)当HBS_state等于目标数值或第一数值时，根据车辆需求功率对燃料电池系统进行全局功率分配，获得燃料电池系统的目标输出功率；根据目标输出功率控制燃料电池系统的功率输出。

其中，根据车辆需求功率对燃料电池系统进行全局功率分配包括：

i)当动力电池的荷电状态SOC>SOCmax(SOC控制范围上限)时：

若车辆需求功率大于动力电池最大可供电功率与燃料电池系统最大可供电功率之和，将燃料电池系统最大可供电功率作为目标输出功率(使燃料电池以最大功率输出，动力电池也自动以最大放电能力放电)，同时生成系统功率不足提示。动力电池最大可供电功率由动力电池的输出电压和最大允许放电电流确定，燃料电池系统最大可供电功率由系统中正常燃料电池个数和单个燃料电池的最大功率确定。

否则(若车辆需求功率不大于动力电池最大可供电功率与燃料电池系统最大可供电功率之和)，将燃料电池系统最小可供电功率作为目标输出功率(使燃料电池以最小功率输出，其他功率需求由动力电池满足)。

ii)当SOCmin(SOC控制范围下限)<SOC≤SOCmax时：

若车辆需求功率大于动力电池最大可供电功率与燃料电池系统最大可供电功率之和，将燃料电池系统最大可供电功率作为目标输出功率，并生成系统功率不足提示。

若车辆需求功率处于燃料电池系统最大可供电功率和混合动力系统最大可供电功率之间，根据动力电池的SOC与SOC控制范围中间参考值SOCdown的大小关系确定目标输出功率，SOCmin<SOCdown<SOCmax。混合动力系统最大可供电功率为动力电池最大可供电功率和燃料电池最大可供电功率之和。

为了不让动力电池的SOC降至SOCmin，设置了中间参考值SOCdown，在车辆需求功率处于上述范围时，进一步判断SOC所处范围，其中包括以下两种子情况：

SOCmin<SOC≤SOCdown：将燃料电池系统最大可供电功率作为目标输出功率，此时，使燃料电池以最大功率输出，在保证满足车辆需求功率的同时尽快为动力电池充电，使动力电池的SOC不会降至SOCmin；

SOCdown<SOC≤SOCmax：将车辆需求功率作为目标输出功率；在车辆需求功率处于燃料电池系统最大可供电功率和混合动力系统最大可供电功率之间的前提下，让燃料电池满足车辆的功率需求，动力电池不输出。

若车辆需求功率不在以上两种范围内，将燃料电池系统最小可供电功率作为目标输出功率。

iii)当SOC≤SOCmin时：

此时无论车辆需求功率是多少，燃料电池系统均以最大功率输出，即将燃料电池系统最大可供电功率作为目标输出功率，同时生成降功提示，并向车辆控制器发送降功提示。

在获得燃料电池系统的目标输出功率后，根据目标输出功率控制燃料电池系统的功率输出，请参照图6，其具体过程包括：

步骤310，根据目标输出功率在燃料电池系统并联的两条支路之间进行局部功率分配，获得每条支路的功率分配值。

在一种实施例中，将目标输出功率除以两条支路中处于正常状态的燃料电池的总个数，获得单个正常燃料电池的功率输出值；将单个正常燃料电池的功率输出值乘以每条支路中处于正常状态的燃料电池的个数，获得每条支路的功率分配值。

步骤320，根据每条支路的正常燃料电池的个数确定功率分离点；当目标输出功率小于或等于功率分离点对应的功率时，跳转执行步骤330；当目标输出功率大于功率分离点对应的功率时，跳转执行步骤340。

在步骤320中，根据每条支路的正常燃料电池的个数调用离线计算的功率分离点结果。功率分离点是根据每条支路的正常燃料电池的个数确定支路总对外功率-电池工作效率曲线(以下简称功率-效率曲线)，并取两条支路的功率-效率曲线的交点得到。功率分离点取两支路的功率-效率曲线的交点，由于每条支路的正常燃料电池的个数可以在1-4之间变化，则每条支路的功率-效率曲线有4种不同的情况，因而存在多种组合，如第一支路的正常燃料电池的个数为2时，第二支路的正常燃料电池的个数可能取1、2、3或者4，即存在4种不同的情况，每种情况下的功率分离点均不相同。功率分离点是根据燃料电池的出厂参数进行离线计算得到，并将两支路在不同正常燃料电池个数情况下的功率分离点结果预设在ECU的控制程序中，以便于直接调用。

步骤330，控制当前已启动的支路中的燃料电池按照该支路对应的功率分配值运行。

步骤340，启动两条支路中的另一条支路，并控制两条支路中的燃料电池按照各自支路对应的功率分配值运行。

需要说明的是，由于燃料电池系统包含多个燃料电池，单个或多个燃料电池系统出现故障后，混合动力系统的供电状态随之变化，原优化策略不再适用。因此要求本方法能够保证燃料电池系统在任意状态下均能保证能量分配策略最优，提高混合动力系统效率。本发明以并联两支路各自处于正常状态的燃料电池个数为输入条件，实时调用离线计算结果得到功率分离点，燃料电池系统需求功率(即目标输出功率)小于或等于功率分离点对应的功率时只启动一条并联支路，大于功率分离点对应的功率时启动两条支路，保证燃料电池系统在任何故障状态下均按照两支路的两条功率-效率曲线的高效率区间运行。

2)当HBS_state等于第二数值时，ECU向车辆控制器VCU发送跛行提示以及动力电池的最大允许放电电流，VCU在收到跛行提示后根据该最大允许放电电流更新车辆需求功率。

由于动力电池在步骤120中已经启动，启动后动力电池一直消耗，其SOC持续减小，当减小至低于警告值SOC_low_alarm1时，VCU需切断车辆牵引，只发送辅助负载需求功率；若SOC继续减小至低于告警值SOC_low_alarm2时，ECU通过能量控制单元关闭动力电池，动力电池关机，混合动力系统停止对外供电。其中，SOC_low_alarm1>SOC_low_alarm2。

3)当HBS_state等于第三数值或第四数值时，将目标输出功率除以两条支路中处于正常状态的燃料电池的总个数，获得单个正常燃料电池的功率输出值；将单个正常燃料电池的功率输出值乘以每条支路中处于正常状态的燃料电池的个数，获得每条支路的功率分配值；根据每条支路的功率分配值设定各支路的电流值(功率与电压的比值)，以控制各支路中的燃料电池按照对应的功率分配值进行功率输出。此时，DC/DC模块以电压源模式输出。

本实施例通过以上实施方式可实现轨道车辆启动后对混合动力系统的能量管理，ECU在收到停机指令后，关闭混合动力系统中所有已启动的电池。

具体的，由于不同主状态下混合动力系统启动的单元不完全相同，因此，ECU在收到停机指令后，分别判断混合动力系统中各单元的状态，若单元处于运行状态，则向该单元连接的控制器发送关闭指令，控制器收到关闭指令后将该单元关闭。燃料电池系统关闭后各单元的控制器进入上电自检状态，ECU等待高压启动指令或系统断电。

本发明可实现汽车用30kW小功率燃料电池在轨道车辆上的供电应用，以替代大功率燃料电池供电，在降低使用成本的同时提高混合动力系统的供电可靠性。发明人将该方案应用在中车唐山公司新能源第三代燃料电池系统中，成功实现8个小功率燃料电池混合供电的能量分配管理。

综上，本发明提出了一种多燃料电池的混合动力系统及其能量管理方法，具有以下技术效果：

(1)大幅降低轨道车辆燃料电池系统使用成本：轨道车辆的功率需求相比于汽车大很多，常规的轨道车辆用燃料电池一般需要定制化开发大功率燃料电池，由于大功率燃料电池对空气、氢气等的压力、流量、分布均匀性等要求很高，导致定制化开发成本成倍增加。相比之下，小功率燃料电池的使用成本很低，采用本发明提出的能量管理方法可替代定制化大功率燃料电池方案，大幅降低用户使用成本。

(2)有效提高混合动力系统的供电可靠性：本发明提出的能量管理方法采用并联支路以及带旁路隔离开关的串联支路，以形成串并联结合的复杂燃料电池系统，在保证系统有较高效率、体积重量降低的同时具有高可控性。相比于大功率燃料电池出现故障即无法供电的情况，本发明中某一个或某几个燃料电池出现故障时可通过旁路隔离开关切除故障燃料电池，其他处于正常状态的燃料电池仍可继续供电，不致引起混合动力系统关机，混合动力系统的供电可靠性大幅提高。

(3)燃料电池系统任意故障状态下均可实现系统效率最优：本发明提出的能量管理方法以并联两支路各自处于正常状态的燃料电池个数为输入条件，实时调用离线计算结果得到燃料电池系统任意故障状态下各并联支路的功率-效率曲线的交点，即功率分离点，让含多燃料电池的燃料电池系统始终以两功率-效率曲线交点前后的高效率区间运行，提高了多燃料电池供电系统的经济性。

基于同一发明构思，本申请实施例提供一种多燃料电池的混合动力系统的能量管理装置，混合动力系统包括：动力电池，其连接到直流母线；燃料电池系统，其包括至少两个并联的支路，每个支路中串联有至少两个燃料电池，各支路分别通过一DC/DC模块连接到所述直流母线，每个燃料电池的两端并联有旁路隔离开关，所述旁路隔离开关用于将燃料电池接入到所述燃料电池系统中进行供电或将燃料电池从所述燃料电池系统中切除。混合动力系统的具体结构可参考图2及其说明。

请参照图7，该装置包括：主状态确定模块410和能量管理模块420。主状态确定模块410用于获取混合动力系统当前的主状态值，所述主状态值表示混合动力系统在当前时刻的供电状态，所述供电状态由所述混合动力系统中可对外供电的电池形成的供电拓扑结构确定；能量管理模块420用于在接收到高压启动指令后，按照所述主状态值对应的预设启动策略启动所述混合动力系统中的对应电池，并根据所述主状态值和车辆需求功率对所述混合动力系统已启动的电池进行能量管理。

可以理解，本实施例中的多燃料电池的混合动力系统的能量管理装置，其实现原理及产生的技术效果在前述方法实施例中已经介绍，为简要描述，该多燃料电池的混合动力系统的能量管理装置中未提及之处可以参照前述实施例中的能量管理方法中的相应描述，在此不赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (19)

1.一种多燃料电池的混合动力系统的能量管理方法，其特征在于，所述混合动力系统包括：动力电池，其连接到直流母线；燃料电池系统，其包括至少两个并联的支路，每个支路中串联有至少两个燃料电池，各支路分别通过一DC/DC模块连接到所述直流母线，每个燃料电池的两端并联有旁路隔离开关，所述旁路隔离开关用于将燃料电池接入到所述燃料电池系统中进行供电或将燃料电池从所述燃料电池系统中切除，所述方法包括：

获取混合动力系统当前的主状态值，所述主状态值表示混合动力系统在当前时刻的供电状态，所述供电状态由所述混合动力系统中可对外供电的电池形成的供电拓扑结构确定；

在接收到高压启动指令后，按照所述主状态值对应的预设启动策略启动所述混合动力系统中的对应电池，并根据所述主状态值和车辆需求功率对所述混合动力系统已启动的电池进行能量管理；

所述获取混合动力系统当前的主状态值，包括：

获取动力电池的故障状态值Alarm_Bat；

获取燃料电池系统的状态数FCs_Hstate，FCs_Hstate表示所述燃料电池系统中可对外供电的燃料电池的总个数；

根据Alarm_Bat和FCs_Hstate确定混合动力系统的主状态值HBS_state；

所述根据Alarm_Bat和FCs_Hstate确定混合动力系统的主状态值HBS_state，包括：

当Alarm_Bat表示动力电池正常，且FCs_Hstate等于M时，将主状态值HBS_state赋值为目标数值，其中，M为所述燃料电池系统中包含的燃料电池总个数，目标数值对应混合动力系统的正常供电状态；

当Alarm_Bat表示动力电池正常，且FCs_Hstate∈[1，M-1]时，将主状态值HBS_state赋值为第一数值，第一数值对应混合动力系统的混合供电状态；

当Alarm_Bat表示动力电池正常，且FCs_Hstate等于0时，将主状态值HBS_state赋值为第二数值，第二数值对应混合动力系统的单动力电池供电状态；

当Alarm_Bat表示动力电池故障，且FCs_Hstate等于M时，将主状态值HBS_state赋值为第三数值，第三数值对应混合动力系统的单燃料电池供电状态；

当Alarm_Bat表示动力电池故障，且FCs_Hstate∈[M’，M-1]时，将主状态值HBS_state赋值为第四数值，其中，M’为满足车辆最低供电要求的燃料电池基础个数，第四数值对应混合动力系统的单燃料电池故障供电状态；

当Alarm_Bat表示动力电池故障，且FCs_Hstate∈[0,M’)时，将主状态值HBS_state赋值为第五数值，第五数值对应混合动力系统故障状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料电池系统包括并联的第一支路和第二支路，且每条支路串联有四个燃料电池。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取燃料电池系统的状态数FCs_Hstate，包括：

分别识别每个燃料电池的故障状态，所述故障状态包括正常或故障；

根据每个燃料电池的故障状态分别统计各支路的状态参考数FCs_Hstate_i_re，FCs_Hstate_i_re表示第i个支路中故障状态为正常的燃料电池的个数；

根据各支路的状态参考数FCs_Hstate_i_re确定所述状态数FCs_Hstate。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据各支路的状态参考数FCs_Hstate_i_re确定所述状态数FCs_Hstate，包括：

判断所述燃料电池系统连接的储氢系统是否故障；

若储氢系统未故障，则判断各支路连接的DC/DC模块是否故障；

将DC/DC模块未故障的支路的状态参考数FCs_Hstate_i_re赋值给所述支路的状态目标数FCs_Hstate_i，以及将DC/DC模块故障的支路的状态目标数FCs_Hstate_i置零，FCs_Hstate_i表示第i个支路中可对外供电的燃料电池的个数；

根据各支路的状态目标数FCs_Hstate_i之和得到所述状态数FCs_Hstate。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在判断所述燃料电池系统连接的储氢系统是否故障之后，所述方法还包括：

若储氢系统故障，则将所述燃料电池系统的状态数FCs_Hstate直接置零。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照所述主状态值对应的预设启动策略启动所述混合动力系统中的对应电池，包括：

当HBS_state等于目标数值时，依次启动动力电池、燃料电池系统中的其中一条支路和DC/DC模块，并将所述DC/DC模块设置为电流源工作模式；

当HBS_state等于第一数值时，依次启动动力电池、燃料电池系统中的其中一条支路和DC/DC模块，将燃料电池系统中的故障燃料电池通过旁路隔离开关从所述燃料电池系统中切除，并将所述DC/DC模块设置为电流源工作模式；

当HBS_state等于第二数值时，启动动力电池；

当HBS_state等于第三数值时，依次启动燃料电池系统和DC/DC模块，并将所述DC/DC模块设置为电压源工作模式；

当HBS_state等于第四数值时，依次启动燃料电池系统和DC/DC模块，将燃料电池系统中的故障燃料电池通过旁路隔离开关从所述燃料电池系统中切除，并将所述DC/DC模块设置为电压源工作模式。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，启动燃料电池系统中的其中一条支路，包括：

启动燃料电池系统并联的两条支路中正常燃料电池个数更少的一条支路。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述主状态值和车辆需求功率对所述混合动力系统已启动的电池进行能量管理，包括：

当HBS_state等于目标数值或第一数值时，根据所述车辆需求功率对所述燃料电池系统进行全局功率分配，获得燃料电池系统的目标输出功率；

根据所述目标输出功率控制所述燃料电池系统的功率输出。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述车辆需求功率对所述燃料电池系统进行全局功率分配，获得燃料电池系统的目标输出功率，包括：

当动力电池的荷电状态SOC>SOCmax时，若车辆需求功率大于所述动力电池最大可供电功率与所述燃料电池系统最大可供电功率之和，则将所述燃料电池系统最大可供电功率作为所述目标输出功率，并生成系统功率不足提示，否则，将燃料电池系统最小可供电功率作为所述目标输出功率；

其中，SOCmax为SOC控制范围上限。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述车辆需求功率对所述燃料电池系统进行全局功率分配，获得燃料电池系统的目标输出功率，包括：

当动力电池的SOC∈(SOCmin，SOCmax]时，

若车辆需求功率大于所述动力电池最大可供电功率与所述燃料电池系统最大可供电功率之和，将所述燃料电池系统最大可供电功率作为所述目标输出功率，并生成系统功率不足提示；

若车辆需求功率处于所述燃料电池系统最大可供电功率和所述混合动力系统最大可供电功率之间，根据动力电池的SOC与SOCdown的大小关系确定所述目标输出功率；

若车辆需求功率不在以上两种范围内，将燃料电池系统最小可供电功率作为所述目标输出功率；

其中，SOCmin为SOC控制范围下限，SOCdown为SOC控制范围中间参考值，SOCmin＜SOCdown<SOCmax。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述根据动力电池的SOC与SOCdown的大小关系确定所述目标输出功率，包括：

当动力电池的SOC∈(SOCmin，SOCdown]时，将所述燃料电池系统最大可供电功率作为所述目标输出功率；

当动力电池的SOC∈(SOCdown，SOCmax]时，将所述车辆需求功率作为所述目标输出功率。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述根据所述车辆需求功率对所述燃料电池系统进行全局功率分配，获得燃料电池系统的目标输出功率，包括：

当动力电池的SOC≤SOCmin时，将所述燃料电池系统最大可供电功率作为所述目标输出功率，并生成降功提示。

13.根据权利要求8-12任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标输出功率控制所述燃料电池系统的功率输出，包括：

根据所述目标输出功率在所述燃料电池系统并联的两条支路之间进行局部功率分配，获得每条支路的功率分配值；

根据每条支路的正常燃料电池的个数确定功率分离点；所述功率分离点是根据每条支路的正常燃料电池的个数确定支路总对外功率-电池工作效率曲线，并取两条支路的支路总对外功率-电池工作效率曲线的交点得到；

当所述目标输出功率小于或等于所述功率分离点对应的功率时，控制当前已启动的支路中的燃料电池按照所述支路对应的功率分配值运行；

当所述目标输出功率大于所述功率分离点对应的功率时，启动所述两条支路中的另一条支路，并控制两条支路中的燃料电池按照对应的功率分配值运行。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标输出功率在所述燃料电池系统并联的两条支路之间进行局部功率分配，获得每条支路的功率分配值，包括：

将所述目标输出功率除以所述两条支路中处于正常状态的燃料电池的总个数，获得单个正常燃料电池的功率输出值；

将单个正常燃料电池的功率输出值乘以每条支路中处于正常状态的燃料电池的个数，获得每条支路的所述功率分配值。

15.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述主状态值和车辆需求功率对所述混合动力系统已启动的电池进行能量管理，包括：

当HBS_state等于第二数值时，向车辆控制器VCU发送跛行提示以及动力电池的最大允许放电电流，以使所述VCU在收到所述跛行提示后根据所述最大允许放电电流更新车辆需求功率。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当动力电池的SOC逐渐减小至低于告警值SOC_low_alarm2时，关闭所述动力电池。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述根据所述主状态值和车辆需求功率对所述混合动力系统已启动的电池进行能量管理，包括：

当HBS_state等于第三数值或第四数值时，将所述目标输出功率除以所述混合动力系统并联的两条支路中处于正常状态的燃料电池的总个数，获得单个正常燃料电池的功率输出值；

将单个正常燃料电池的功率输出值乘以每条支路中处于正常状态的燃料电池的个数，获得每条支路的所述功率分配值；

根据每条支路的所述功率分配值设定各支路的电流值，以控制各支路中的燃料电池按照对应的功率分配值进行功率输出。

18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在收到停机指令后，关闭所述混合动力系统中所有已启动的电池。

19.一种多燃料电池的混合动力系统的能量管理装置，其特征在于，应用于所述混合动力系统，所述混合动力系统包括：动力电池，其连接到直流母线；燃料电池系统，其包括至少两个并联的支路，每个支路中串联有至少两个燃料电池，各支路分别通过一DC/DC模块连接到所述直流母线，每个燃料电池的两端并联有旁路隔离开关，所述旁路隔离开关用于将燃料电池接入到所述燃料电池系统中进行供电或将燃料电池从所述燃料电池系统中切除；

所述装置包括：

主状态确定模块，用于获取混合动力系统当前的主状态值，所述主状态值表示混合动力系统在当前时刻的供电状态，所述供电状态由所述混合动力系统中可对外供电的电池形成的供电拓扑结构确定；所述获取混合动力系统当前的主状态值，包括：

获取动力电池的故障状态值Alarm_Bat；

获取燃料电池系统的状态数FCs_Hstate，FCs_Hstate表示所述燃料电池系统中可对外供电的燃料电池的总个数；

根据Alarm_Bat和FCs_Hstate确定混合动力系统的主状态值HBS_state；

所述根据Alarm_Bat和FCs_Hstate确定混合动力系统的主状态值HBS_state，包括：

当Alarm_Bat表示动力电池正常，且FCs_Hstate等于M时，将主状态值HBS_state赋值为目标数值，其中，M为所述燃料电池系统中包含的燃料电池总个数，目标数值对应混合动力系统的正常供电状态；

当Alarm_Bat表示动力电池正常，且FCs_Hstate∈[1，M-1]时，将主状态值HBS_state赋值为第一数值，第一数值对应混合动力系统的混合供电状态；

当Alarm_Bat表示动力电池正常，且FCs_Hstate等于0时，将主状态值HBS_state赋值为第二数值，第二数值对应混合动力系统的单动力电池供电状态；

当Alarm_Bat表示动力电池故障，且FCs_Hstate等于M时，将主状态值HBS_state赋值为第三数值，第三数值对应混合动力系统的单燃料电池供电状态；

当Alarm_Bat表示动力电池故障，且FCs_Hstate∈[M’，M-1]时，将主状态值HBS_state赋值为第四数值，其中，M’为满足车辆最低供电要求的燃料电池基础个数，第四数值对应混合动力系统的单燃料电池故障供电状态；

当Alarm_Bat表示动力电池故障，且FCs_Hstate∈[0,M’)时，将主状态值HBS_state赋值为第五数值，第五数值对应混合动力系统故障状态；

能量管理模块，用于在接收到高压启动指令后，按照所述主状态值对应的预设启动策略启动所述混合动力系统中的对应电池，并根据所述主状态值和车辆需求功率对所述混合动力系统已启动的电池进行能量管理。

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