CN113968170A - 一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法，将燃料电池系统的功率输出作为控制方法的主体、储能系统作为机车峰值功率和快速加减载工况的补充，降低了混合动力系统对储能系统的功率要求，在同等机车功率的情况下能够减小储能系统的体积和重量，从而降低混合动力系统成本、提高混合动力系统应用价值。综合考虑司机控制器极位、机车运行工况、储能系统状态等多种因素进行燃料电池混合动力系统能量管理，能够更好地应对机车运用过程中突然出现的大功率、长时间的功率需求等情况，因此该方法能够满足机车运行过程中各种运行工况的动力需求，提高了燃料电池混合动力系统的工况适应性。

Description

一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法

技术领域

本发明属于机车燃料电池技术领域，特别是涉及一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法。

背景技术

燃料电池系统由燃料电池、储氢系统及相关电气设备组成，通过氢气和氧气发生电化学反应将燃料中的化学能转换为电能和热，并结合变换器等相关电气设备为负载供能，具有发电效率高(40％～60％)、无污染、安全可靠、燃料补充速率快、续航时间长等特点，具有相当广泛的应用场景。质子交换膜电池(PEMFC)凭借其低温起动、快速起动的特性在车用燃料电池领域占有绝对的份额，在应用于机车车辆时，相对于传统内燃动力可实现机车无碳化、清洁化、低噪声化，能够有效解决传统内燃机车尾气排放(特别是隧道内)和运行噪音对相关人员的影响，改善作业条件、提高作业人员的舒适性。

此外，燃料电池系统由于其特性较软，对负载功率变化的响应较慢，因此在实际使用时往往需要储能系统、超级电容等具有快速调节输出功率能力的储能系统来辅助配合，补充燃料电池动力系统的瞬时响应能力，并且燃料电池系统在起动时需要外部电源提供空压机、水泵等辅助部件的用电，在起动后燃料电池系统自身输出电能后才能不依靠外部供电运行，因此燃料电池动力系统往往需要都搭配储能系统或超级电容等储能设备形成混合动力系统，其能量管理就成了一个关键的环节。

现有的管理方法中，以储能系统SOC为主进行燃料电池混合动力调车机车的能量管理，但该方法要求储能系统能够覆盖机车的全功率范围，对储能系统的功率要求较高，因此储能系统的体积重量较大，且控制方法单一，难以满足复杂的机车车辆运行工况。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法，将燃料电池系统的功率输出作为控制方法的主体、储能系统作为机车峰值功率和快速加减载工况的补充，综合考虑司机控制器极位、机车运行工况、储能系统状态等多种因素进行燃料电池混合动力系统的能量管理，降低混合动力系统对储能系统的要求，提高燃料电池混合动力系统的工况适应性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法，将燃料电池系统的功率输出作为控制主体、储能系统作为机车峰值功率和快速加减载工况的补充，综合附属因素包括司机控制器极位、机车运行工况和储能系统状态进行燃料电池混合动力系统能量管理：

在牵引状态下，机车需求功率主要由燃料电池系统提供，需求功率高于燃料电池额定功率时由储能系统进行补充；此外，面对燃料电池特性较软，燃料电池系统对机车需求功率的变化通过对多堆燃料电池功率控制和加减载方式进行响应，在响应不及时时由储能系统进行充放电快速调节；

在惰行或制动工况下，机车所需辅助功率由储能系统或再生制动能量提供，燃料电池系统则根据储能系统SOC状态控制输出功率为储能系统充电。

进一步的是，当牵引电机工作在电动机状态时，牵引电机提供牵引力，机车处于牵引工况，此时司机控制器处在牵引区域。

进一步的是，由于电力机车牵引特性在低速时为恒牵引力控制，机车在起动加速时，机车需求功率不断升高：若机车起动时燃料电池系统还未起动，则机车起动功率由储能系统单独提供；若燃料电池系统已起动，机车起动功率由燃料电池和储能系统共同提供，或燃料电池为储能系统和负载提供电能；

当机车运行在设定速度点时，若机车需求功率≤燃料电池额定功率，此时燃料电池部分或全部工作，机车需求由燃料电池和储能系统共同提供，或燃料电池为储能系统和负载提供电能：若此时储能系统SOC低于X3，已工作燃料电池以额定功率输出，多余功率为储能系统充电，直到储能系统SOC高于X4；若储能系统SOC低于X2，则燃料电池全部以额定功率输出；

当机车运行在设定速度点时，若机车需求功率＞燃料电池额定功率，此时燃料电池全部以额定功率输出，同时储能系统放电，机车需求功率由燃料电池和储能系统共同提供；若此时出现储能系统SOC低于X1的极端情况，则不允许储能系统放电，限制机车需求功率在燃料电池额定功率。

其中，X1表示电量极低，不允许动力电池继续放电；X2表示电量低，需要燃料电池以额定功率运行，多余功率向动力电池充电；X3表示电量高，燃料电池部分运行，多余功率向动力电池充电；X4表示电量高，不允许动力电池继续充电。

进一步的是，当司机控制器从低极位转至高极位时，燃料电池按照多堆功率控制方法和加减载方式响应机车需求功率的变化，若燃料电池响应不及时，机车需求功率由储能系统补充，机车需求由燃料电池和储能系统共同提供，或燃料电池为储能系统和负载提供电能。

当司机控制器置于0位时，或在牵引区域当前车速高于当前极位的目标车速，或在制动区域当前车速低于当前极位的目标车速，此时机车处于惰行状态，即无动力滑行，机车既无牵引力也无制动力，只需要提供较小的机车辅助功率；此时若储能系统SOC高于X3，燃料电池系统停止工作，机车辅助功率由储能系统提供；若储能系统SOC低于X3，已工作燃料电池保持当前输出功率提供机车辅助功率和为储能系统充电，直到储能系统SOC高于X4。

进一步的是，当牵引电机工作在发电机状态时，牵引电机提供制动力，机车处于电制动工况，此时司机控制器处在制动区域；车辆处于电制动工况下，通过司机控制器提供的制动力和速度目标进行制动，产生的再生制动能量优先满足辅助功率和给动力锂电池充电，剩余功率由制动电阻消耗。

进一步的是，当机车电制动时，机车牵引电机工作在发电机状态为辅助设备供电和储能系统充电；

此时若储能系统SOC高于X3，燃料电池系统停止工作，若储能系统SOC高于X4，机车电制动能量优先满足辅助功率，其余全部由制动电阻消耗；

若储能系统SOC低于X3，已工作燃料电池保持当前输出功率为储能系统充电，当机车制动到停止时，已工作燃料电池降至最小输出功率，直到储能系统SOC高于X4，燃料电池系统停止工作；

基于机车电制动的特性，机车主要靠机械装置提供的摩擦力制动时，由燃料电池为储能系统和负载供电，或由储能系统为负载供电；

此外，当机车紧急制动时，燃料电池系统紧急停机。

进一步的是，所述燃料电池混合动力系统包括多个燃料电池子系统和一套储能系统及其管理系统BMS，储能系统及其管理系统BMS相连接且与多个燃料电池子系统相互并列，每个子系统包含与燃料电池相连接的一个燃料电池控制器FCU和一个燃料电池DC/DC变换器FDC；各个FDC共同连接至母线；

混合动力系统的负载为牵引电机和辅助设备，通过变换器将混合动力系统母线直流输出变换为各负载所需电压等级和供电制式；

混合动力系统还包括至少一个能量控制器ECU，负责与整车、各FCU以及BMS之间的信息交互并负责整个混合动力系统的能量管理。

采用本技术方案的有益效果：

本发明所提出的机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法将燃料电池系统的功率输出作为控制方法的主体、储能系统作为机车峰值功率和快速加减载工况的补充，降低了混合动力系统对储能系统的功率要求，在同等机车功率的情况下能够减小储能系统的体积和重量，从而降低混合动力系统成本、提高混合动力系统应用价值。

本发明综合考虑司机控制器极位、机车运行工况、储能系统状态等多种因素进行燃料电池混合动力系统能量管理，针对机车车辆各种运行工况提出了相应的控制方法，且该方法考虑了将储能系统SOC始终保持在良好的状态，能够更好地应对机车运用过程中突然出现的大功率、长时间的功率需求等情况，因此该方法能够满足机车运行过程中各种运行工况的动力需求，提高了燃料电池混合动力系统的工况适应性。

附图说明

图1为本发明的一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法的原理示意图；

图2为本发明实施例中机车用燃料电池混合动力系统的结构原理示意图；

图3为本发明实施例中各个工况下的原理示意图。

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。

在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法，燃料电池系统的功率输出作为控制主体、储能系统作为机车峰值功率和快速加减载工况的补充，综合附属因素包括司机控制器极位、机车运行工况和储能系统状态进行燃料电池混合动力系统能量管理：

在牵引状态下，机车需求功率主要由燃料电池系统提供，需求功率高于燃料电池额定功率时由储能系统进行补充；此外，面对燃料电池特性较软，燃料电池系统对机车需求功率的变化通过对多堆燃料电池功率控制和加减载方式进行响应，在响应不及时时由储能系统进行充放电快速调节；

在惰行或制动工况下，机车所需辅助功率由储能系统或再生制动能量提供，燃料电池系统则根据储能系统SOC状态控制输出功率为储能系统充电。

其中，如图2所示，所述燃料电池混合动力系统包括多个燃料电池子系统和一套储能系统及其管理系统BMS，储能系统及其管理系统BMS相连接且与多个燃料电池子系统相互并列，每个子系统包含与燃料电池相连接的一个燃料电池控制器FCU和一个燃料电池DC/DC变换器FDC；各个FDC共同连接至母线；

混合动力系统的负载为牵引电机和辅助设备，通过变换器将混合动力系统母线直流输出变换为各负载所需电压等级和供电制式；

混合动力系统还包括至少一个能量控制器ECU，负责与整车、各FCU以及BMS之间的信息交互并负责整个混合动力系统的能量管理。

作为实施例的优化方案，如图3所示，当牵引电机工作在电动机状态时，牵引电机提供牵引力，机车处于牵引工况，此时司机控制器处在牵引区域。

由于电力机车牵引特性在低速时为恒牵引力控制，机车在起动加速时，机车需求功率不断升高：若机车起动时燃料电池系统还未起动，则机车起动功率由储能系统单独提供，混合动力系统工作在工况3；若燃料电池系统已起动，机车起动功率由燃料电池和储能系统共同提供，或燃料电池为储能系统和负载提供电能，混合动力系统工作在工况1或工况2；

当机车运行在设定速度点时，若机车需求功率≤燃料电池额定功率，此时燃料电池部分或全部工作，机车需求由燃料电池和储能系统共同提供，或燃料电池为储能系统和负载提供电能，功率由燃料电池提供，由于很难出现燃料电池输出功率恰好满足负载功率的情况，混合动力系统工作在工况1或工况2：若此时储能系统SOC低于X3，已工作燃料电池以额定功率输出，多余功率为储能系统充电，混合动力系统工作在工况2，直到储能系统SOC高于X4；若储能系统SOC低于X2，则燃料电池全部以额定功率输出；

当机车运行在设定速度点时，若机车需求功率＞燃料电池额定功率，此时燃料电池全部以额定功率输出，同时储能系统放电，机车需求功率由燃料电池和储能系统共同提供，混合动力系统工作在工况1；若此时出现储能系统SOC低于X1的极端情况，则不允许储能系统放电，限制机车需求功率在燃料电池额定功率，混合动力系统工作在工况4。

对于动力电池SOC，用于衡量电池剩余电量，该值由电池管理系统BMS监测并反馈至ECU，X1<X2<X3<X4。

X1表示电量极低，不允许动力电池继续放电；

X2表示电量较低，需要燃料电池以额定功率运行，多余功率向动力电池充电；

X3表示电量较高，燃料电池部分运行，多余功率向动力电池充电，在某些工况下SOC高于该值时燃料电池系统停止运行；

X4表示电量很高，不允许动力电池继续充电。

推荐地，X1＝30％，X2＝50％，X3＝70％，X4＝90％。

作为实施例的优化方案，如图3所示，当司机控制器从低极位转至高极位时，燃料电池按照多堆功率控制方法和加减载方式响应机车需求功率的变化，若燃料电池响应不及时，机车需求功率由储能系统补充，机车需求由燃料电池和储能系统共同提供，或燃料电池为储能系统和负载提供电能，此时混合动力系统工作在工况1或工况2。

当司机控制器置于0位时，或在牵引区域当前车速高于当前极位的目标车速，或在制动区域当前车速低于当前极位的目标车速，此时机车处于惰行状态，即无动力滑行，机车既无牵引力也无制动力，只需要提供较小的机车辅助功率；此时若储能系统SOC高于X3，燃料电池系统停止工作，机车辅助功率由储能系统提供，混合动力系统工作在工况3；若储能系统SOC低于X3，已工作燃料电池保持当前输出功率提供机车辅助功率和为储能系统充电，混合动力系统工作在工况2，直到储能系统SOC高于X4。

作为实施例的优化方案，如图3所示，当牵引电机工作在发电机状态时，牵引电机提供制动力，机车处于电制动工况，此时司机控制器处在制动区域；车辆处于电制动工况下，通过司机控制器提供的制动力和速度目标进行制动，产生的再生制动能量优先满足辅助功率和给动力锂电池充电，剩余功率由制动电阻消耗。

当机车电制动时，机车牵引电机工作在发电机状态为辅助设备供电和储能系统充电；

此时若储能系统SOC高于X3，燃料电池系统停止工作，混合动力系统工作在工况5，若储能系统SOC高于X4，机车电制动能量优先满足辅助功率，其余全部由制动电阻消耗；

若储能系统SOC低于X3，已工作燃料电池保持当前输出功率为储能系统充电，当机车制动到停止时，已工作燃料电池降至最小输出功率，混合动力系统工作在工况6，直到储能系统SOC高于X4，燃料电池系统停止工作；

基于机车电制动的特性，机车在速度很低(如0～5km/h)时主要靠机械装置提供的摩擦力制动，由燃料电池为储能系统和负载供电，或由储能系统为负载供电，混合动力系统工作在工况2或工况3；

此外，当机车紧急制动时，燃料电池系统紧急停机。

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)

1.一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法，其特征在于，将燃料电池系统的功率输出作为控制主体、储能系统作为机车峰值功率和快速加减载工况的补充，综合附属因素包括司机控制器极位、机车运行工况和储能系统状态进行燃料电池混合动力系统能量管理：

在牵引状态下，机车需求功率主要由燃料电池系统提供，需求功率高于燃料电池额定功率时由储能系统进行补充；此外，面对燃料电池特性较软，燃料电池系统对机车需求功率的变化通过对多堆燃料电池功率控制和加减载方式进行响应，在响应不及时时由储能系统进行充放电快速调节；

在惰行或制动工况下，机车所需辅助功率由储能系统或再生制动能量提供，燃料电池系统则根据储能系统SOC状态控制输出功率为储能系统充电。

2.根据权利要求1所述的一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法，其特征在于，当牵引电机工作在电动机状态时，牵引电机提供牵引力，机车处于牵引工况，此时司机控制器处在牵引区域。

3.根据权利要求2所述的一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法，其特征在于，由于电力机车牵引特性在低速时为恒牵引力控制，机车在起动加速时，机车需求功率不断升高：若机车起动时燃料电池系统还未起动，则机车起动功率由储能系统单独提供；若燃料电池系统已起动，机车起动功率由燃料电池和储能系统共同提供，或燃料电池为储能系统和负载提供电能；

当机车运行在设定速度点时，若机车需求功率≤燃料电池额定功率，此时燃料电池部分或全部工作，机车需求由燃料电池和储能系统共同提供，或燃料电池为储能系统和负载提供电能，若此时储能系统SOC低于X3，已工作燃料电池以额定功率输出，多余功率为储能系统充电，直到储能系统SOC高于X4；若储能系统SOC低于X2，则燃料电池全部以额定功率输出；

当机车运行在设定速度点时，若机车需求功率＞燃料电池额定功率，此时燃料电池全部以额定功率输出，同时储能系统放电，机车需求功率由燃料电池和储能系统共同提供；若此时出现储能系统SOC低于X1的极端情况，则不允许储能系统放电，限制机车需求功率在燃料电池额定功率；

其中，X1表示电量极低，不允许动力电池继续放电；X2表示电量低，需要燃料电池以额定功率运行，多余功率向动力电池充电；X3表示电量高，燃料电池部分运行，多余功率向动力电池充电；X4表示电量高，不允许动力电池继续充电。

4.根据权利要求2所述的一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法，其特征在于，当司机控制器从低极位转至高极位时，燃料电池按照多堆功率控制方法和加减载方式响应机车需求功率的变化，若燃料电池响应不及时，机车需求功率由储能系统补充，机车需求由燃料电池和储能系统共同提供，或燃料电池为储能系统和负载提供电能。

当司机控制器置于0位时，或在牵引区域当前车速高于当前极位的目标车速，或在制动区域当前车速低于当前极位的目标车速，此时机车处于惰行状态，即无动力滑行，机车既无牵引力也无制动力，只需要提供较小的机车辅助功率；此时若储能系统SOC高于X3，燃料电池系统停止工作，机车辅助功率由储能系统提供；若储能系统SOC低于X3，已工作燃料电池保持当前输出功率提供机车辅助功率和为储能系统充电，直到储能系统SOC高于X4。

5.根据权利要求1所述的一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法，其特征在于，当牵引电机工作在发电机状态时，牵引电机提供制动力，机车处于电制动工况，此时司机控制器处在制动区域；车辆处于电制动工况下，通过司机控制器提供的制动力和速度目标进行制动，产生的再生制动能量优先满足辅助功率和给动力锂电池充电，剩余功率由制动电阻消耗。

6.根据权利要求5所述的一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法，其特征在于，当机车电制动时，机车牵引电机工作在发电机状态为辅助设备供电和储能系统充电；

此时若储能系统SOC高于X3，燃料电池系统停止工作，若储能系统SOC高于X4，机车电制动能量优先满足辅助功率，其余全部由制动电阻消耗；

若储能系统SOC低于X3，已工作燃料电池保持当前输出功率为储能系统充电，当机车制动到停止时，已工作燃料电池降至最小输出功率，直到储能系统SOC高于X4，燃料电池系统停止工作；

基于机车电制动的特性，机车在速度低主要靠机械装置提供的摩擦力制动时，由燃料电池为储能系统和负载供电，或由储能系统为负载供电；

此外，当机车紧急制动时，燃料电池系统紧急停机。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法，其特征在于，所述燃料电池混合动力系统包括多个燃料电池子系统和一套储能系统及其管理系统BMS，储能系统及其管理系统BMS相连接且与多个燃料电池子系统相互并列，每个子系统包含与燃料电池相连接的一个燃料电池控制器FCU和一个燃料电池DC/DC变换器FDC；各个FDC共同连接至母线；

混合动力系统的负载为牵引电机和辅助设备，通过变换器将混合动力系统母线直流输出变换为各负载所需电压等级和供电制式；

混合动力系统还包括至少一个能量控制器ECU，负责与整车、各FCU以及BMS之间的信息交互并负责整个混合动力系统的能量管理。

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