CN114475670A - 气体燃料电池轨道车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体燃料电池轨道车辆，所述车辆包括：整车控制单元、能量混合控制单元、制动能量转换装置、燃料电池发动机、储气装置及牵引制动模块；其中，牵引制动模块输出的第二电能输送至制动能量转换装置；能量混合控制单元用于将牵引制动模块输出的第二电能输送至制动能量转换装置；制动能量转换装置还与储气装置连接；制动能量转换装置用于在整车控制单元的控制下，基于第二电能生成氢气和氧气，将第二电能转换成生成的氢气和氧气的化学能，及将生成的氢气和氧气存储至储气装置。制动能量转换装置将利用制动能量生成的氢气和氧气存储至储气装置中，这在实现制动能量有效回收的同时，也使得储气装置中的气体燃料得到及时补充。

Description

气体燃料电池轨道车辆

技术领域

本发明涉及车辆技术领域，尤其涉及一种气体燃料电池轨道车辆。

背景技术

随着环境污染和能源危机问题的日益突出，由氢燃料电池与储能装置所构成的混动力轨道交通车辆基于能够实现零排放、低噪声的优点，成为轨道交通领域未来实现节能减排目标的重要发展方向之一。

在相关技术中，现有的轨道交通车辆普遍采用电制动方式，在制动模式时电动机将车辆的制动能量转化为电能，再通过电阻箱将电能转化为热量进行消耗，从而达到降低车速的目的。

然而，通过电阻箱将电能转化为热量进行消耗的方式，导致制动能量未得到有效利用而被浪费。

发明内容

本发明提供一种气体燃料电池轨道车辆，用以解决现有技术中制动能量未得到有效利用的缺陷，实现制动能量得到充分回收利用。

本发明提供一种气体燃料电池轨道车辆，包括：整车控制单元、能量混合控制单元、制动能量转换装置、燃料电池发动机、储气装置及牵引制动模块；

所述能量混合控制单元分别与所述整车控制单元、所述制动能量转换装置及所述燃料电池发动机连接；所述整车控制单元用于根据所述气体燃料电池轨道车辆的车辆运行状态信息，向所述能量混合控制单元发送控制指令，所述能量混合控制单元根据所述控制指令分别对所述制动能量转换装置及所述燃料电池发动机进行控制；

所述储气装置与所述燃料电池发动机连接；所述储气装置用于存储氢气和氧气，并向所述燃料电池发动机供气；

所述燃料电池发动机用于在所述整车控制单元的控制下，将所述储气装置供给的气体燃料的化学能转换成第一电能，并将所述第一电能输出至所述能量混合控制单元；

所述能量混合控制单元还与所述牵引制动模块连接；所述能量混合控制单元用于在所述整车控制单元的控制下将所述第一电能输送至所述牵引制动模块，或者将所述牵引制动模块输出的第二电能输送至所述制动能量转换装置；

所述牵引制动模块，用于在牵引时将所述第一电能转换成所述气体燃料电池轨道车辆的机械能，或者在制动时将所述气体燃料电池轨道车辆的制动能量转换成所述第二电能，并将所述第二电能输出至所述能量混合控制单元；

所述制动能量转换装置还与所述储气装置连接；所述制动能量转换装置用于在所述整车控制单元的控制下，基于所述第二电能生成氢气和氧气，将所述第二电能转换成所述生成的氢气和氧气的化学能，及将所述生成的氢气和氧气存储至所述储气装置。

根据本发明提供的一种气体燃料电池轨道车辆，所述气体燃料电池轨道车辆，还包括：车载储能模块；

所述车载储能模块与所述能量混合控制单元连接；

所述能量混合控制单元还用于，在所述整车控制单元的控制下将所述牵引制动模块输出的第二电能输送至所述车载储能模块；

所述车载储能模块用于向所述能量混合控制单元发送所述第三电能，或基于所述牵引制动模块输出的第二电能进行充电。

根据本发明提供的一种气体燃料电池轨道车辆，所述气体燃料电池轨道车辆，还包括：电阻制动装置；

所述电阻制动装置与所述能量混合控制单元连接；

所述能量混合控制单元还用于在所述整车控制单元的控制下将所述牵引制动模块输出的第二电能输送至所述电阻制动装置；

所述电阻制动装置用于将所述能量混合控制单元输送的第二电能转换成热能。

根据本发明提供的一种气体燃料电池轨道车辆，所述储气装置，包括：高压储氢装置、高压氢气输送管路、低压氢气输送管路、低压储氢装置、低压氧气输送管路及低压储氧装置；

所述燃料电池发动机，包括：高压氢气减压器、氢氧燃料电池堆、氢引射器、氢循环泵、燃料电池电子控制单元、低压氢气循环控制器、隔离变压器、空气滤清器、空气压缩机及排气冷凝器；

所述高压储氢装置通过所述高压氢气输送管路与所述高压氢气减压器连接；所述高压氢气减压器还与所述氢引射器连接；所述氢引射器分别与所述低压氢气循环控制器和所述氢氧燃料电池堆连接；在所述燃料电池电子控制单元控制打开所述高压氢气减压器、所述氢引射器以及所述氢循环泵的情况下，所述高压储氢装置中的氢气通过所述高压氢气输送管路依次流经所述高压氢气减压器、所述氢引射器、所述氢氧燃料电池堆以及所述氢循环泵，并在所述氢引射器、所述氢氧燃料电池堆以及所述氢循环泵之间循环流动；

所述低压氢气循环控制器分别与所述低压储氢装置、所述氢引射器、所述氢循环泵以及所述氢氧燃料电池堆连接；所述低压氢气循环控制器在燃料电池电子控制单元的控制下开启，以使所述低压储氢装置中的氢气进入所述氢引射器、所述氢循环泵以及所述氢氧燃料电池堆中并在所述氢引射器、所述氢循环泵以及所述氢氧燃料电池堆之间循环流动；

所述隔离变压器分别与所述氢氧燃料电池堆、所述空气压缩机以及所述能量混合控制单元连接；所述氢氧燃料电池电池堆输出的所述第一电能经所述隔离变压器分别流入所述空气压缩机和所述能量混合控制单元；

所述氢氧燃料电池堆与所述排气冷凝器连接，所述排气冷凝器用于将所述氢氧燃料电池堆排出的高温水汽混合物冷却。

根据本发明提供的一种气体燃料电池轨道车辆，所述储气装置，还包括：供氧电磁阀；

所述低压储氧装置、所述供氧电磁阀、所述空气滤清器以及所述空气压缩机依次连接；在所述燃料电池电子控制单元打开所述供氧电磁阀打开的情况下，所述低压储氧装置中的氧气通过所述低压氧气输送管路输送至所述空气滤清器后输入至所述空气压缩机。

根据本发明提供的一种气体燃料电池轨道车辆，所述储气装置还包括紧急供氧控制器；所述紧急供氧控制器包括紧急供氧电磁阀；

所述紧急供氧控制器分别与所述低压储氧装置和所述气体燃料电池轨道车辆的司机室连接；所述紧急供氧控制器在确定所述司机室内的含氧量低于预设阈值时，控制所述紧急供氧电磁阀打开，以使所述低压储氧装置中的氧气输送至所述司机室内。

根据本发明提供的一种气体燃料电池轨道车辆，所述牵引制动模块，包括：牵引逆变器、高压变压器、高压线缆、制动拉杆以及多个牵引与制动装置；

所述牵引逆变器分别与所述高压变压器以及所述多个牵引与制动装置连接；所述高压变压器还与所述能量混合控制单元连接；所述能量混合控制单元控制所述第一电能和/或所述第三电能依次通过所述高压变压器升压以及通过所述牵引逆变器逆变为交流电后，经所述高压线缆流入所述多个牵引与制动装置；或者，

所述第二电能依次通过所述高压线缆、所述牵引逆变器以及所述高压变压器，输送至所述能量混合控制单元；

所述多个牵引与制动装置中的任意两个通过所述制动拉杆连接。

根据本发明提供的一种气体燃料电池轨道车辆，所述制动能量转换装置，包括：低压逆变器、气水分离器、制动能量转换装置控制器、离子过滤器及纯水箱；

所述气水分离器、所述离子过滤器以及所述纯水箱依次连接；所述低压逆变器分别与所述纯水箱以及所述能量混合控制单元连接；所述制动能量转换装置控制器分别与所述纯水箱以及所述整车控制单元连接；所述制动能量转换装置分别与所述低压储氢装置以及所述低压储氧装置连接；

所述制动能量转换装置控制器在所述整车控制单元的控制下控制所述制动能量转换装置利用所述第二电能将所述纯水箱中的纯水电解生成氢气和氧气，并将所述生成的氧气通过所述低压氢气输送管路输送至所述低压储氢装置以及将所述生成的氧气通过所述低压氧气输送管路输送至所述低压储氧装置；

所述排气冷凝器中的水依次经过所述气水分离器以及所述离子过滤器流入所述纯水箱；所述离子过滤器用于对所述气水分离器中的水进行过滤。

根据本发明提供的一种气体燃料电池轨道车辆，所述车辆运行状态信息包括以下至少一种：车辆功率需求数据、车辆运行速度、车载储能模块的电量值、线路坡道长度以及所述储气装置的气体压力。

根据本发明提供的一种气体燃料电池轨道车辆，所述电阻制动装置为由多个制动电阻组装而成的电阻箱。

本发明提供的气体燃料电池轨道车辆，在车辆制动过程中牵引制动模块输出的第二电能输送至制动能量转换装置，制动能量转换装置基于第二电能生成氢气和氧气，并将该部分生成的氢气和氧气存储至储气装置中。考虑到气体燃料电池轨道车辆所需的高压气态氢气本身存在一定安全性风险，因此气体燃料电池轨道车辆所能携带的高压氢气量是受限制的，气体燃料电池轨道车辆在行驶中途需要经常加注氢气。因此，气体燃料电池轨道车辆的制动能量转换装置将利用第二电能生成的氢气和氧气存储至储气装置中，这在实现制动能量有效回收的同时，也使得储气装置中的气体燃料得到及时补充。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的气体燃料电池轨道车辆的结构示意图之一；

图2为本发明提供的气体燃料电池轨道车辆的结构示意图之二；

图3为本发明提供的气体燃料电池轨道车辆的结构示意图之三；

图4为本发明提供的燃料电池发动机及储氢装置的结构示意图之一；

图5为本发明提供的燃料电池发动机及储氢装置的结构示意图之二；

图6为本发明提供的气体燃料电池轨道车辆中的牵引制动模块的结构示意图；

图7为本发明提供的气体燃料电池轨道车辆中的制动能量回收装置的结构示意图；

图8为本发明提供的气体燃料电池轨道车辆的结构示意图之四。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

下面结合图1-图8描述本发明提供的气体燃料电池轨道车辆。

图1为本发明提供的气体燃料电池轨道车辆的结构示意图之一，如图1所示，该气体燃料电池轨道车辆100包括：整车控制单元10、能量混合控制单元20、制动能量转换装置60、燃料电池发动机30、储气装置40以及牵引制动模块50。

能量混合控制单元20分别与整车控制单元10、制动能量转换装置60及燃料电池发动机30连接。其中，整车控制单元10用于根据气体燃料电池轨道车辆的车辆运行状态信息，向能量混合控制单元20发送控制指令，能量混合控制单元20根据控制指令分别对制动能量转换装置60及燃料电池发动机30进行控制。储气装置40与燃料电池发动机30连接。储气装置40用于存储氢气和氧气，并向燃料电池发动机30供气。

可选地，气体燃料电池轨道车辆100的车辆运行状态信息包括以下至少一种：车辆功率需求数据、车辆运行速度、线路坡道长度以及所述储气装置的气体压力。

燃料电池发动机30用于在整车控制单元10的控制下，将储气装置40供给的气体燃料的化学能转换成第一电能，并将第一电能输出至能量混合控制单元20。

能量混合控制单元20还与牵引制动模块50连接。能量混合控制单元20用于在整车控制单元10的控制下将第一电能输送至牵引制动模块50，或者将牵引制动模块50输出的第二电能输送至制动能量转换装置60。

牵引制动模块50，用于在牵引时将第一电能转换成气体燃料电池轨道车辆的机械能，或者在制动时将气体燃料电池轨道车辆的制动能量转换成第二电能，并将第二电能输出至能量混合控制单元20。

制动能量转换装置60还与储气装置40连接；制动能量转换装置60用于在整车控制单元10的控制下，基于第二电能生成氢气和氧气，将第二电能转换成生成的氢气和氧气的化学能，及将生成的氢气和氧气存储至储气装置40。

本发明提供的气体燃料电池轨道车辆，在车辆制动过程中牵引制动模块输出的第二电能输送至制动能量转换装置，制动能量转换装置基于第二电能生成氢气和氧气，并将该部分生成的氢气和氧气存储至储气装置中。考虑到气体燃料电池轨道车辆所需的储气装置存在占据较大空间、加注困难以及成本高等问题，因此气体燃料电池轨道车辆所能携带的高压氢气量是受限制的，气体燃料电池轨道车辆在行驶中途需要经常加注氢气。因此，气体燃料电池轨道车辆的制动能量转换装置将利用第二电能生成的氢气和氧气存储至储气装置中，这在实现制动能量有效回收的同时，也使得储气装置中的气体燃料得到及时补充。

可选地，图2为本发明提供的气体燃料电池轨道车辆的结构示意图之二，如图2所示，该气体燃料电池轨道车辆100还包括：车载储能模块70。

车载储能模块70与能量混合控制单元20连接。

能量混合控制单元20还用于，在整车控制单元10的控制下将牵引制动模块50输出的第二电能输送至车载储能模块70。

车载储能模块70用于向能量混合控制单元20发送第三电能，或基于牵引制动模块50输出的第二电能进行充电。

本发明提供的气体燃料电池轨道车辆，车载储能模块70通过能量混合控制单元20输出第三电能，以使牵引制动模块50牵引气体燃料电池轨道车辆100行驶。这在储气装置中气体燃料不足时，车载储能模块70辅助燃料电池发动机30向能量混合控制单元20发送电能，以使牵引制动模块50牵引气体燃料电池轨道车辆100行驶。同时，当气体燃料电池轨道车辆100处于制动状态时，车载储能模块70可以基于牵引制动模块50输出的第二电能进行充电，这使得制动能量得到有效回收的同时，增加了气体燃料电池轨道车辆100的续驶里程。

可选地，图3为本发明提供的气体燃料电池轨道车辆的结构示意图之三，如图3所示，该气体燃料电池轨道车辆100还包括：电阻制动装置80。

电阻制动装置80与能量混合控制单元20连接。

能量混合控制单元20还用于在整车控制单元10的控制下将牵引制动模块50输出的第二电能输送至电阻制动装置80。

电阻制动装置80用于将能量混合控制单元20输送的第二电能转换成热能。

可选地，电阻制动装置80为由多个制动电阻组装而成的电阻箱。

本发明提供的气体燃料电池轨道车辆，在气体燃料电池轨道车辆100处于制动状态时，电阻制动装置80可以实现将能量混合控制单元20输送的第二电能转换成热能，通过将多余的电能转换为热能来实现多余电能的消耗，从而保证气体燃料电池轨道车辆100实现有效制动的同时，也提高了气体燃料电池轨道车辆100的行车安全性。

可选地，结合图4对本发明提供的气体燃料电池轨道车辆中的燃料电池发动机及储气装置各自包含的组件进行介绍，图4为本发明提供的燃料电池发动机及储氢装置的结构示意图之一。

如图4所示，燃料电池发动机30包括：高压氢气减压器301、氢氧燃料电池堆302、氢引射器303、氢循环泵304、燃料电池电子控制单元305、低压氢气循环控制器306、隔离变压器307、空气滤清器308、空气压缩机309及排气冷凝器310。

以及，如图4所示，储气装置40包括：高压储氢装置401、高压氢气输送管路406、低压氢气输送管路407、低压储氢装置402、低压氧气输送管路408、低压储氧装置403以及供氧控制器404。

高压储氢装置401通过高压氢气输送管路406与高压氢气减压器301连接。高压氢气减压器301还与氢引射器303连接。氢引射器303分别与低压氢气循环控制器306和氢氧燃料电池堆302连接。在燃料电池电子控制单元305控制打开高压氢气减压器301、氢引射器303以及氢循环泵304的情况下，高压储氢装置401中的氢气通过高压氢气输送管路406依次流经高压氢气减压器301、氢引射器303、氢氧燃料电池堆302以及氢循环泵304，并在氢引射器303、氢氧燃料电池堆302以及氢循环泵304之间循环流动。

低压氢气循环控制器306分别与低压储氢装置402、氢引射器303、氢循环泵304以及氢氧燃料电池堆302连接；低压氢气循环控制器306在燃料电池电子控制单元305的控制下开启，以使低压储氢装置402中的氢气进入氢引射器303、氢循环泵304以及氢氧燃料电池堆302中并在氢引射器303、氢循环泵304以及氢氧燃料电池堆302之间循环流动；

隔离变压器307分别与氢氧燃料电池堆302、空气压缩机309以及能量混合控制单元20连接。氢氧燃料电池堆302输出的第一电能经隔离变压器307分别流入空气压缩机309和能量混合控制单元20。

氢氧燃料电池堆302与排气冷凝器310连接，排气冷凝器310用于将氢氧燃料电池堆302排出的高温水汽混合物冷却。

供氧电磁阀404分别与低压储氧装置402、空气压缩机309以及空气滤清器308连接；在燃料电池电子控制单元305打开供氧电磁阀404打开的情况下，低压储氧装置403中的氧气通过低压氧气输送管路408输送至空气压缩机309和空气滤清器308。

本发明提供的气体燃料电池轨道车辆，低压储氢装置402在低压氢气循环控制器306的控制下，可以实现向氢氧燃料电池堆302补充氢气；同时，低压储氧装置403在整车控制单元10控制供氧电磁阀404开启的状态下，可以实现通过向氢氧燃料电池堆302补充氧气。这在实现降低高压氢气的消耗、提升氧过量系数以及降低空气压缩机309的功耗的同时，提高了燃料电池发动机30的工作效率。

可选地，结合图5分别对本发明提供的气体燃料电池轨道车辆中的燃料电池发动机及储气装置各自包含的组件进行介绍，图5为本发明提供的燃料电池发动机及储氢装置的结构示意图之二。

储气装置40，还包括：紧急供氧控制器405。其中，紧急供氧控制器405中包括紧急供氧电磁阀4051。

紧急供氧控制器405分别与低压储氧装置403和气体燃料电池轨道车辆100的司机室101连接。紧急供氧控制器405在确定司机室101内的含氧量低于预设阈值时，控制紧急供氧电磁阀4051打开，以使低压储氧装置403中的氧气输送至司机室101内。

本发明提供的气体燃料电池轨道车辆，低压储氧装置403在整车控制单元10控制司机室供氧电磁阀405开启的状态下，可以实现通过向司机室101补充氧气，这保证了气体燃料电池轨道车辆行驶在缺氧环境下司机室101依然有足够的氧气，这能够补充车辆司机室内工作人员的氧气需要。

可选地，结合图6对本发明提供的气体燃料电池轨道车辆中的牵引制动模块50包含的组件进行介绍，图6为本发明提供的气体燃料电池轨道车辆中的牵引制动模块的结构示意图。

如图6所示，该牵引制动模块50包括：牵引逆变器502、高压变压器501、高压线缆503、制动拉杆505以及多个牵引与制动装置504。

牵引逆变器502分别与高压变压器501以及多个牵引与制动装置504连接。高压变压器501还与能量混合控制单元20连接。

能量混合控制单元20控制第一电能和/或第三电能依次通过高压变压器501升压以及通过牵引逆变器502逆变为交流电后，经高压线缆503流入多个牵引与制动装置504；或者，由多个牵引与制动装置504在制动时将气体燃料电池轨道车辆100的制动能量转换生成的第二电能依次通过高压线缆503、牵引逆变器502以及高压变压器501，输送至能量混合控制单元20。

多个牵引与制动装置504中的任意两个通过制动拉杆505连接。

本发明提供的气体燃料电池轨道车辆，能量混合控制单元20控制第一电能和/或第三电能依次通过高压变压器501升压以及通过牵引逆变器502逆变为交流电后，经高压线缆503流入多个牵引与制动装置504，以使多个牵引与制动装置504牵引气体燃料电池轨道车辆100行驶。另外，在气体燃料电池轨道车辆100处于制动状态时，由多个牵引与制动装置504在制动时将气体燃料电池轨道车辆100的制动能量转换生成的第二电能依次通过高压线缆503、牵引逆变器502以及高压变压器501，输送至能量混合控制单元20，这多个牵引与制动装置504产生第二电能实现了电制动力到制动能量的有效转换、实现了制动能量的有效回收。

可选地，结合图7对本发明提供的气体燃料电池轨道车辆中的制动能量回收装置60包含的组件进行介绍，图7为本发明提供的气体燃料电池轨道车辆中的制动能量回收装置的结构示意图。

如图7所示，该制动能量转换装置60包括：低压逆变器602、气水分离器603、制动能量转换装置控制器601、离子过滤器605及纯水箱604。

气水分离器603、离子过滤器605以及纯水箱604依次连接。低压逆变器602分别与纯水箱604以及能量混合控制单元20连接。制动能量转换装置控制器601分别与纯水箱604以及整车控制单元10连接。制动能量转换装置60分别与低压储氢装置402以及低压储氧装置403连接。

制动能量转换装置控制器601在整车控制单元10的控制下控制制动能量转换装置60利用第二电能将纯水箱604中的纯水电解生成氢气和氧气，并将生成的氧气通过低压氢气输送管路406输送至低压储氢装置402以及将生成的氧气通过低压氧气输送管路407输送至低压储氧装置403。

排气冷凝器310中的水依次经过气水分离器603以及离子过滤器605流入纯水箱604；离子过滤器605用于对气水分离器603中的水进行过滤。

本发明提供的气体燃料电池轨道车辆，通过将排气冷凝器310、气水分离器603、离子过滤器605以及纯水箱604依次连接，使得排气冷凝器310中的水经过气水分离器603及离子过滤器605后补充到纯水箱604中备用，这在提高水资源利用率的同时，为纯水箱604及时补充了水。另外，通过排气冷凝器310对氢氧燃料电池堆302在氢氧反应过程中产生的热水气和水实现冷凝排出的同时，使得部分氢氧燃料电池堆302工作时产生热能得到了回收。

下面，结合图8和具体实施例，对本发明提供的气体燃料电池轨道车辆在不同运行状态下相应部件之间的作用关系以及对本发明提供的气体燃料电池轨道车辆的制动能量回收方法进行说明，图8为本发明提供的气体燃料电池轨道车辆的结构示意图之四。

需要说明的是，本实施例针对本发明提供的气体燃料电池轨道车辆在如下五种运行状态进行说明：1、车辆启动与加速行驶状态；2、车辆匀速行驶状态；3、车辆制动减速或下坡制动行驶状态；4、车辆行驶在高海拔线路或长大隧道；5、车辆停止运行或回到车库。

首先，当气体燃料电池轨道车辆100处于启动或加速的运行状态时，车载储能模块70输出第三电能至能量混合控制单元20中，整车控制单元10发送启动指令给能量混合控制单元20及燃料电池电子控制单元30，能量混合控制单元20接通隔离变压器307及高压变压器501。其中，第三电流为直流电。车载储能模块70输出的第三电能经过能量混合控制单元20依次输出至高压变压器501和牵引逆变器502，其中，第三电能经过高压变压器501进行升处理压后，通过牵引逆变器502逆变为交流电。牵引逆变器502输出的交流电通过高压线缆503传送给多个牵引与制动装置504，用于牵引气体燃料电池轨道车辆100启动。

当气体燃料电池轨道车辆100启动后，燃料电池电子控制单元305控制燃料电池发动机30内部的高压氢气减压器301打开，并启动氢循环泵304，以实现向氢氧燃料电池堆302内供给氢气。之后，随着空气压缩机309的启动，氢氧燃料电池堆302内部建立电化学反应条件，燃料电池发动机30开始对外输出第一电能。此时整车控制单元10保持制动能量转换装置60不启动，能量混合控制单元20控制电阻箱801及低压逆变器602与能量混合控制单元20中的直流电保持断路状态。燃料电池发动机30由高压储氢装置401供给氢气，低压氢气循环控制器306保持关闭。燃料电池发动机30启动后，氢氧燃料电池堆302内部由于电化学反应产生大量水分，为提高水的循环利用效率，氢氧燃料电池堆302排出的高温水气混合物经排气冷凝器310冷却后，在排气压力作用下，输送至纯水箱604上方，气水分离器603与离子过滤器605前端，以使排气冷凝器310中的水依次经气水分离器603和离子过滤器605流入纯水箱604。具体的，混合物通过气水分离器603的作用，将液态水与排气分离，液态水经过离子过滤器605过滤后，在重力作用下自然回流至纯水箱604内，以达到补充制动能量转换装置60水消耗的作用。

接下来，在气体燃料电池轨道车辆100持续加速过程中，整车控制单元10获得气体燃料电池轨道车辆100车辆功率需求数据并将车辆功率需求数据发送给燃料电池电子控制单元305，燃料电池发动机30逐渐增加功率输出。氢氧燃料电池堆302输出的电流经隔离变压器307后分别到达空气压缩机309和能量混合控制单元20。此时空气压缩机309不再需要车载储能模块70经能量混合控制单元20和隔离变压器307输送电流，燃料电池发动机30通过氢氧燃料电池堆302输出的第一电能保持自身运行。当燃料电池发动机30输出的电流达到能量混合控制单元20后，车载储能模块70向能量混合控制单元20输出的电流逐渐减小，以保持总的功率输出不变。当气体燃料电池轨道车辆100启动加速过程中车辆功率需求始终恒定时，车载储能模块70输出电流逐渐减小，燃料电池发动机30输出电流逐渐增加。

下面，对气体燃料电池轨道车辆100处于匀速行驶的运行状态进行介绍。

整车控制单元10获取气体燃料电池轨道车辆100车辆运行速度与车辆功率需求数据，按照标定的混合动力控制策略，将控制指令发送给能量混合控制单元20及燃料电池电子控制单元305。此时的混合动力控制策略按照效率优先的方式执行，能量统一由能量混合控制单元20管理流动去向，混合动力控制策略包括以下四种模式：1、燃料电池发动机30单独牵引；2、车载储能模块70单独牵引；3、燃料电池发动机30与车载储能模块70同时牵引；4、燃料电池发动机30牵引与车载储能模块70充电。燃料电池发动机30按照控制指令进行响应，车载储能模块70根据目标功率需求与输出功率之间的需求功率差值，自动向能量混合控制单元20补偿功率输出。在匀速行驶过程中，燃料电池发动机30排气产生的水气同样可以依次经过排气冷凝器310、气水分离器603以及离子过滤器605前端，以使排气冷凝器310中的水依次经过气水分离器603和离子过滤器后605补充到纯水箱604内备用。

下面，对气体燃料电池轨道车辆100处于制动减速或下坡制动的行驶状态进行介绍。

当气体燃料电池轨道车辆100的目标速度值发生改变，即气体燃料电池轨道车辆100实际运行速度需要降低时，需要持续施加制动力，保持气体燃料电池轨道车辆100始终运行在目标速度值之下。此时，气体燃料电池轨道车辆100优先采用电制动方式，即由牵引与制动装置504变为发电装置。整车控制单元10根据目标速度值或线路坡道长度发送能量回收控制模式至能量混合控制单元20、燃料电池电子控制单元302及制动能量转换装置控制器601。燃料电池发动机30首先降低功率输出至怠速运行，不对外输出电流，仅维持自身运转，以便制动结束后能够快速响应功率增加需求。制动开始后，多个牵引与制动装置504输出的第二电能经过高压线缆503、牵引逆变器502、高压变压器501传送至能量混合控制单元20。整车控制单元10判断车载储能模块70的当前剩余电量是否小于或等于电量阈值；若车载储能模块70的当前剩余电量小于或等于电量阈值，则整车控制单元10向能量混合控制单元20发送控制指令。能量混合控制单元20根据控制命令，优先将制动能量输送至车载储能模块70进行充电。当车载储能模块70电量即将充满或充电电压过高时，整车控制单元10发送指令，由能量混合控制单元20控制将多余制动能量经低压逆变器602输送至制动能量转换装置60，制动能量转换装置控制器601接收整车控制单元10启动指令后，控制制动能量转换装置60启动。

制动能量转换装置60将纯水箱604内的纯水电解转化为氢气和氧气，分别储存在低压储氢装置402和低压储氧装置403中，低压储氢装置402和低压储氧装置403布置于相互隔离的独立空间内，避免氢氧气泄露后混合，产生危险。低压储氢装置402的最大工作压力不超过3MPa，属于低压压力容器。根据气体燃料电池轨道车辆100配置的低压储氢装置402的容量与压力情况，当制动能量转换装置60转化的制动能量充满低压储氢装置402时，燃料电池电子控制单元305控制低压氢气循环控制器306打开，低压氢气进入氢循环泵304前端，与氢氧燃料电池堆302排出的剩余氢气混合后，进入氢循环泵304或氢引射器303中参与氢气的循环，从而降低高压储氢装置高压储氢装置401中高压氢气的消耗量。

当低压氢气循环控制器306参与氢气循环后，氢气进入氢氧燃料电池堆302的过量系数增加，需同时打开供氧电磁阀404，将回收的氧气通双循环燃料电池发动机入FCE的空气压缩机309前端，提升空气侧的氧过量系数，降低空气压缩机309转速，从而保证氢氧燃料电池堆302内部反应的平衡。当制动能量转换装置60的转化速率大于燃料电池发动机30的氢气消耗速率，且低压储氢装置402充满时，制动能量转换装置控制器601控制制动能量转换装置60停止工作。若只有低压储氧装置403充满而低压储氢装置402未充满时，制动能量转换装置60继续工作，供氧电磁阀404保持开启状态。若制动能量转换装置60停止工作时，气体燃料电池轨道车辆100依然处于制动状态，则由能量混合控制单元20控制制动能量由高压变压器501向电阻箱801输送，此时多余能量由电阻箱801进行消耗。整个制动过程中，燃料电池发动机30处于怠速运行，氢氧燃料电池堆302产水很少，且受到气水分离器603与离子过滤器605的阻力作用，少量水分直接随冷空气排出车外，纯水箱604内纯水无法进行补充，只进行消耗。

下面，对气体燃料电池轨道车辆100在高海拔线路或长大隧道运行时的行驶状态进行说明。

气体燃料电池轨道车辆100在高海拔线路或长大隧道运行时，整车控制单元10根据司机室内氧气浓度情况，控制司机室供氧电磁阀405打开，将低压储氧装置403中回收的氧气送入司机室，从而减轻驾驶员或操纵人员的缺氧情况。同时，由于高海拔区域空气中氧含量降低，进入氢氧燃料电池堆302的空气过量系数需要提升，也可以同时打开供氧电磁阀404，将低压储氧装置403中的氧气输送至氢氧燃料电池堆302，燃料电池电子控制单元305根据功率需求提升空气压缩机309流量或降功率运行。整车控制单元10在高海拔模式下，将优先采用车载储能模块70牵引模式，降低燃料电池发动机30功率占比。此外，整车控制单元10具备低氧应急模式，可命令能量混合控制单元20同时向高压变压器501及低压逆变器602传送能量，在牵引气体燃料电池轨道车辆100的状态下，发送指令将制动能量转换装置60启动，供氧电磁阀404关闭，司机室供氧电磁阀405打开，主动向司机室供给氧气，保证人员生命安全；

下面，对气体燃料电池轨道车辆100停止运行或回到车库后的状态进行说明。

为保证燃料电池发动机30中氢氧燃料电池堆302的正常运行及使用寿命，需对氢氧燃料电池堆302进行吹扫保养过程，此时低压氢气循环控制器306与高压氢气减压器301均关闭，空气压缩机309与氢循环泵304保持工作，氢循环泵304只对氢氧燃料电池堆302内部剩余氢气进行循环。同时，气体燃料电池轨道车辆100可利用地面加注装置补充运行时消耗的高压储氢装置高压储氢装置401中的氢气以及纯水箱604内消耗的纯水。也可以根据运行情况在地面为车载储能模块70进行外部充电。

接下来，结合一个制动能量回收实验，对本发明提供的气体燃料电池轨道车辆100所具有的制动能量回收功能进行详细说明。

让气体燃料电池轨道车辆100处于某条轨道线路的下坡道上时，对气体燃料电池轨道车辆100在目标运行速度为100km/h，坡道线路长度为4.374km进行能量回收实验。

气体燃料电池轨道车辆100按照运行速度驶入坡道后，为保证不超速运行，气体燃料电池轨道车辆100立即施加最大电制动力，经短暂过程后，电制动力稳定在95.3kN左右，整个制动过程持续160秒，速度保持在98.5km/h。根据制动功率、制动能量，计算得到回收能量的大小，可以参考公式(1)-公式(3)。

根据电制动力和车辆运行速度，计算得到制动功率，具体可以参照公式(1)。

Pb＝(Fb*v)/3.6 (1)

其中，Pb为制动功率，Fb为电制动力，v为车俩运行速度。

根据制动功率，计算得到制定能量，具体可以参照公式(2)。

Eb＝Pb/3600*160 (2)

其中，Eb为制动能量。

根据制动能量，计算得到回收能量的大小，具体可以参照公式(3)。

Ek＝Eb×η_转向架×η_发电×η_整流×η_降压 (3)

其中，Ek为回收能量，η_转向架为转向架效率，η_整流为整流效率，η_发电为发电效率，η_降压为降压效率。

优选的，转向架效率η_转向架取值为0.975，发电效率η_发电取值为0.91，整流效率η_整流取值为0.98，降压效率η_降压取值为0.97。

因此，当气体燃料电池轨道车辆100的电制动力Fb为95.3kN以及车辆运行速度为98.5km/h时，根据公式(1)，计算得到制动功率的Pb的大小为2610kWh。在已知制动功率Pb时，根据公式(2)可以计算得到制动能量Eb的大小为116kWh。接下来，在已知制动能量Eb时，根据公式(3)可以计算得到回收能量Ek的大小为97.85kWh。

按照混合动力控制策略，将回收的制动能量优先用于为车载储能模块70进行充电，但是受电池荷电状态或充电电流或电压限制，车载储能模块70无法充分利用制动回收能量，即第二能量。因此，在假定能量回收率为98％时，制动回收能量经过低压逆变器602到达制动能量转换装置60的最大可用能量Eh＝Ek*0.98＝95.89kWh。其中，Eh表示最大可用能量。

假定当前能量回收实验中制动能量转换装置60的配置参数中，氢气转化率为5kWh/Nm3。因此，根据最大可用能量和氢气，在该气体燃料电池轨道车辆100在制动过程中的最大氢气回收量，具体可以根据公式(4)。

其中，V_h为最大氢气回收量，η_h为氢气转化率。

因此，当最大可用能量E_h为95.89kWh时，氢气转化率η_h为5kWh/Nm3时，根据公式(4)计算得到最大氢气回收量V_h为19.18Nm3。其中，体积为19.18Nm3的氢气约等于1.7kg的氢气，即理想情况下单次制动能量回收能够转化大约1.7kg的氢气。

但是，考虑到制动能量转换装置60的自身效率、重量与体积限制、达到工作温度与压力的时间等因素，制动能量转换装置60在单次下坡制动过程中，实际可转化氢气0.8kg，消耗纯水8.9L。实际制动能量转换装置60的长宽高分别为：4000mm、1500mm、1800mm，重量约为1.5吨，在轨道车辆上满足空间与重量要求。

根据上述单次制动的实际回收氢气质量，按照线路总长100km，下坡道占比35％计算，总制动时间约为1285秒。气体燃料电池轨道车辆100完成全线运行，在不考虑车载储能模块70充电的情况下，可通过制动能量回收，转化氢气约为6.3kg，供给消耗纯水约71L。在气体燃料电池轨道车辆100配置时，纯水箱WT的设计容量应不低于150L。

目前，在高压储氢装置401普遍采用35MPa氢瓶的条件下，结合车辆限界与车辆空间位置，实际储氢容量不会超过50kg，回收的氢气与总储氢量的12.6％。因此，本发明在实现气体燃料电池轨道车辆100的制动能量回收的同时，大幅提升了气体燃料电池轨道车辆100的整体效率以及增加了续驶里程。

在本申请的描述中，需要理解的是，所使用的术语“第一”、“第二”仅用于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解的是，发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种气体燃料电池轨道车辆，其特征在于，包括：整车控制单元、能量混合控制单元、制动能量转换装置、燃料电池发动机、储气装置及牵引制动模块；

所述能量混合控制单元分别与所述整车控制单元、所述制动能量转换装置及所述燃料电池发动机连接；所述整车控制单元用于根据所述气体燃料电池轨道车辆的车辆运行状态信息，向所述能量混合控制单元发送控制指令，所述能量混合控制单元根据所述控制指令分别对所述制动能量转换装置及所述燃料电池发动机进行控制；

所述储气装置与所述燃料电池发动机连接；所述储气装置用于存储氢气和氧气，并向所述燃料电池发动机供气；

所述燃料电池发动机用于在所述整车控制单元的控制下，将所述储气装置供给的气体燃料的化学能转换成第一电能，并将所述第一电能输出至所述能量混合控制单元；

所述能量混合控制单元还与所述牵引制动模块连接；所述能量混合控制单元用于在所述整车控制单元的控制下将所述第一电能输送至所述牵引制动模块，或者将所述牵引制动模块输出的第二电能输送至所述制动能量转换装置；

所述牵引制动模块，用于在牵引时将所述第一电能转换成所述气体燃料电池轨道车辆的机械能，或者在制动时将所述气体燃料电池轨道车辆的制动能量转换成所述第二电能，并将所述第二电能输出至所述能量混合控制单元；

所述制动能量转换装置还与所述储气装置连接；所述制动能量转换装置用于在所述整车控制单元的控制下，基于所述第二电能生成氢气和氧气，将所述第二电能转换成所述生成的氢气和氧气的化学能，及将所述生成的氢气和氧气存储至所述储气装置。

2.根据权利要求1所述的气体燃料电池轨道车辆，其特征在于，所述气体燃料电池轨道车辆，还包括：车载储能模块；

所述车载储能模块与所述能量混合控制单元连接；

所述能量混合控制单元还用于，在所述整车控制单元的控制下将所述牵引制动模块输出的第二电能输送至所述车载储能模块；

所述车载储能模块用于向所述能量混合控制单元发送所述第三电能，或基于所述牵引制动模块输出的第二电能进行充电。

3.根据权利要求1所述的气体燃料电池轨道车辆，其特征在于，所述气体燃料电池轨道车辆，还包括：电阻制动装置；

所述电阻制动装置与所述能量混合控制单元连接；

所述能量混合控制单元还用于在所述整车控制单元的控制下将所述牵引制动模块输出的第二电能输送至所述电阻制动装置；

所述电阻制动装置用于将所述能量混合控制单元输送的第二电能转换成热能。

4.根据权利要求1所述的气体燃料电池轨道车辆，其特征在于，所述储气装置，包括：高压储氢装置、高压氢气输送管路、低压氢气输送管路、低压储氢装置、低压氧气输送管路及低压储氧装置；

所述燃料电池发动机，包括：高压氢气减压器、氢氧燃料电池堆、氢引射器、氢循环泵、燃料电池电子控制单元、低压氢气循环控制器、隔离变压器、空气滤清器、空气压缩机及排气冷凝器；

所述高压储氢装置通过所述高压氢气输送管路与所述高压氢气减压器连接；所述高压氢气减压器还与所述氢引射器连接；所述氢引射器分别与所述低压氢气循环控制器和所述氢氧燃料电池堆连接；在所述燃料电池电子控制单元控制打开所述高压氢气减压器、所述氢引射器以及所述氢循环泵的情况下，所述高压储氢装置中的氢气通过所述高压氢气输送管路依次流经所述高压氢气减压器、所述氢引射器、所述氢氧燃料电池堆以及所述氢循环泵，并在所述氢引射器、所述氢氧燃料电池堆以及所述氢循环泵之间循环流动；

所述低压氢气循环控制器分别与所述低压储氢装置、所述氢引射器、所述氢循环泵以及所述氢氧燃料电池堆连接；所述低压氢气循环控制器在燃料电池电子控制单元的控制下开启，以使所述低压储氢装置中的氢气进入所述氢引射器、所述氢循环泵以及所述氢氧燃料电池堆中并在所述氢引射器、所述氢循环泵以及所述氢氧燃料电池堆之间循环流动；

所述隔离变压器分别与所述氢氧燃料电池堆、所述空气压缩机以及所述能量混合控制单元连接；所述氢氧燃料电池电池堆输出的所述第一电能经所述隔离变压器分别流入所述空气压缩机和所述能量混合控制单元；

所述氢氧燃料电池堆与所述排气冷凝器连接，所述排气冷凝器用于将所述氢氧燃料电池堆排出的高温水汽混合物冷却。

5.根据权利要求4所述的气体燃料电池轨道车辆，其特征在于，所述储气装置，还包括：供氧电磁阀；

所述低压储氧装置、所述供氧电磁阀、所述空气滤清器以及所述空气压缩机依次连接；在所述燃料电池电子控制单元打开所述供氧电磁阀打开的情况下，所述低压储氧装置中的氧气通过所述低压氧气输送管路输送至所述空气滤清器后输入至所述空气压缩机。

6.根据权利要求5所述的气体燃料电池轨道车辆，其特征在于，所述储气装置还包括紧急供氧控制器；所述紧急供氧控制器包括紧急供氧电磁阀；

所述紧急供氧控制器分别与所述低压储氧装置和所述气体燃料电池轨道车辆的司机室连接；所述紧急供氧控制器在确定所述司机室内的含氧量低于预设阈值时，控制所述紧急供氧电磁阀打开，以使所述低压储氧装置中的氧气输送至所述司机室内。

7.根据权利要求2所述的气体燃料电池轨道车辆，其特征在于，所述牵引制动模块，包括：牵引逆变器、高压变压器、高压线缆、制动拉杆以及多个牵引与制动装置；

所述牵引逆变器分别与所述高压变压器以及所述多个牵引与制动装置连接；所述高压变压器还与所述能量混合控制单元连接；所述能量混合控制单元控制所述第一电能和/或所述第三电能依次通过所述高压变压器升压以及通过所述牵引逆变器逆变为交流电后，经所述高压线缆流入所述多个牵引与制动装置；或者，

所述第二电能依次通过所述高压线缆、所述牵引逆变器以及所述高压变压器，输送至所述能量混合控制单元；

所述多个牵引与制动装置中的任意两个通过所述制动拉杆连接。

8.根据权利要求7所述的气体燃料电池轨道车辆，其特征在于，所述制动能量转换装置，包括：低压逆变器、气水分离器、制动能量转换装置控制器、离子过滤器及纯水箱；

所述气水分离器、所述离子过滤器以及所述纯水箱依次连接；所述低压逆变器分别与所述纯水箱以及所述能量混合控制单元连接；所述制动能量转换装置控制器分别与所述纯水箱以及所述整车控制单元连接；所述制动能量转换装置分别与所述低压储氢装置以及所述低压储氧装置连接；

所述制动能量转换装置控制器在所述整车控制单元的控制下控制所述制动能量转换装置利用所述第二电能将所述纯水箱中的纯水电解生成氢气和氧气，并将所述生成的氧气通过所述低压氢气输送管路输送至所述低压储氢装置以及将所述生成的氧气通过所述低压氧气输送管路输送至所述低压储氧装置；

所述排气冷凝器中的水依次经过所述气水分离器以及所述离子过滤器流入所述纯水箱；所述离子过滤器用于对所述气水分离器中的水进行过滤。

9.根据权利要求1所述的气体燃料电池轨道车辆，其特征在于，所述车辆运行状态信息包括以下至少一种：车辆功率需求数据、车辆运行速度、车载储能模块的电量值、线路坡道长度以及所述储气装置的气体压力。

10.根据权利要求3所述的气体燃料电池轨道车辆，其特征在于，所述电阻制动装置为由多个制动电阻组装而成的电阻箱。

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