CN115891687A - 一种铰接列车的氢燃料混合动力系统和铰接列车 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种铰接列车的氢燃料混合动力系统和铰接列车，其中，铰接列车的氢燃料混合动力系统，包括：第一牵引系统、第一电动机、第一氢燃料电池、锂电池、第二牵引系统、第二电动机和第二氢燃料电池；第一牵引系统分别与第一电动机、第一氢燃料电池和锂电池连接；第二牵引系统分别与第二电动机、第二氢燃料电池和锂电池连接；当铰接列车处于牵引状态时，第一氢燃料电池和锂电池分别向第一牵引系统供电，第二氢燃料电池和锂电池分别向第二牵引系统供电，实现铰接列车的快速启动；从而可以通过锂电池快速放电的特性，对氢燃料电池不足的功率进行补充，达到了铰接列车快速启动的目的。

Description

一种铰接列车的氢燃料混合动力系统和铰接列车

技术领域

本申请涉及轨道车辆技术领域，具体而言，涉及一种铰接列车的氢燃料混合动力系统和铰接列车。

背景技术

目前，在城市内运行的铰接列车(如：地铁车辆和城铁车辆)，往往是利用电网供电的方式运行的。而使用氢能源的铰接列车正处于早期研发及示范阶段，氢能源铰接列车具备小轴重、线路适应能力强、载客能力较大的特点，氢能源铰接列车成为引领轨道交通节能减排的典范，具有较大的推广应用价值。

发明内容

为解决上述问题，本申请实施例的目的在于提供一种铰接列车的氢燃料混合动力系统和铰接列车。

第一方面，本申请实施例提供了一种铰接列车的氢燃料混合动力系统，包括：第一牵引系统、第一电动机、第一氢燃料电池、锂电池、第二牵引系统、第二电动机和第二氢燃料电池；

所述第一牵引系统分别与所述第一电动机、所述第一氢燃料电池和所述锂电池连接；

所述第二牵引系统分别与所述第二电动机、所述第二氢燃料电池和所述锂电池连接；

当所述铰接列车处于牵引状态时，所述第一氢燃料电池和所述锂电池分别向所述第一牵引系统供电，所述第二氢燃料电池和所述锂电池分别向所述第二牵引系统供电，实现所述铰接列车的快速启动。

第二方面，本申请实施例还提供了一种铰接列车，包括：上述第一方面所述的铰接列车的氢燃料混合动力系统。

本申请实施例上述第一方面至第二方面提供的方案中，通过具有第一电动机、第一氢燃料电池和锂电池的氢燃料混合动力系统对铰接列车进行供电，当铰接列车处于牵引状态时，第一氢燃料电池和锂电池分别向第一牵引系统供电，第二氢燃料电池和锂电池分别向第二牵引系统供电，实现铰接列车的快速启动，与相关技术中利用电网供电的方式运行的铰接列车相比，在铰接列车处于牵引状态下，利用第一氢燃料电池和锂电池分别向第一牵引系统供电和第二氢燃料电池和锂电池分别向第二牵引系统供电，从而通过锂电池快速放电的特性，对氢燃料电池不足的功率进行补充，达到了铰接列车快速启动的目的。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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示出了本申请实施例所提供的一种铰接列车的氢燃料混合动力系统的示意图；

图2示出了本申请实施例所提供的余热回收结构示意图。

具体实施方式

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

目前，在城市内运行的铰接列车(如：地铁车辆和城铁车辆)，往往是利用电网供电的方式运行的。而使用氢能源的铰接列车正处于早期研发及示范阶段，氢能源铰接列车具备小轴重、线路适应能力强、载客能力较大的特点，氢能源铰接列车成为引领轨道交通节能减排的典范，具有较大的推广应用价值。

基于此，本申请实施例提出一种采用氢能作为动力，通过氢电池及锂电池供电的铰接列车，具备小轴重、轻量化，零碳排放、清洁高效，低噪声，线路适应性强，灵活编组，空调变频热泵+余热利用等技术特点。

在研发过程中，基于铰接轻轨车辆技术平台，开展氢动力系统集成技术及安全性、控制策略等关键技术研究，在氢能源铰接车方面填补空白，突破技术瓶颈。

以市场信息为基础，共同完成氢燃料及储氢设备部分的车辆技术调研，全面掌握国际国内氢燃料技术的发展现状及趋势，确定研发的方向。在方案设计过程中，关键部件的研发选取，通过与专业供应商合作开发的方式，充分利用供应商的专业能力，同时发挥自身转向架集成设计和运用的经验优势，确定关键部件的技术方案及整车集成方案。设计方案确定后，进行设计验证，包含车体强度、动力学性能等仿真计算分析，完成设计验证，优化设计方案和参数。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本申请做进一步详细的说明。

实施例

参见图1所示的一种铰接列车的氢燃料混合动力系统的示意图，本实施例提出一种铰接列车的氢燃料混合动力系统，包括：第一牵引系统100、第一电动机102、第一氢燃料电池104、锂电池106、第二牵引系统108、第二电动机110和第二氢燃料电池112。

所述第一牵引系统100分别与所述第一电动机102、所述第一氢燃料电池和所述锂电池106连接；所述第二牵引系统108分别与所述第二电动机110、所述第二氢燃料电池112和所述锂电池106连接；当所述铰接列车处于牵引状态时，所述第一氢燃料电池和所述锂电池分别向所述第一牵引系统供电，所述第二氢燃料电池和所述锂电池分别向所述第二牵引系统供电，实现所述铰接列车的快速启动。

在所述铰接列车中，第一牵引系统100、第一电动机102、第一氢燃料电池104和锂电池106布置在一个动车内；第二牵引系统108、第二电动机110和第二氢燃料电池112布置在另一个动车内。

在一个实施方式中，所述第一牵引系统100分别与所述第一电动机102、所述第一氢燃料电池104和所述锂电池106通过供电母线连接；所述第二牵引系统分别与所述第二电动机、所述第二氢燃料电池和所述锂电池通过供电母线连接。

当所述铰接列车处于制动状态时，所述第一氢燃料电池104和所述第二氢燃料电池112处于待机状态；所述第一牵引系统将所述第一电动机及产生的电能发送到所述锂电池中，以及所述第二牵引系统将所述第二电动机及产生的电能发送到所述锂电池中，分别对所述锂电池进行充电，实现了所述铰接列车中所述第一电动机和所述第二电动机的能量回收。

其中，所述第一氢燃料电池104和所述第二氢燃料电池112处于待机状态，就是指第一氢燃料电池104和第二氢燃料电池112处于未向牵引系统供电的状态。

所述铰接列车处于制动状态下，第一牵引系统100将第一电动机反转制动产生的电能通过供电母线传输给锂电池充电；第二牵引系统108将第二电动机110反转制动产生的电能通过供电母线传输给锂电池充电；实现了制动能量回收，补充了锂电池牵引时损耗的电能。

通过上述供电策略，可以有效解决铰接列车在牵引阶段氢燃料电池动力不足的缺陷，以及制动阶段进行电动机能量回收，实现铰接列车整车节能的目的。

为了对第一氢燃料电池104和第二氢燃料电池112在发电过程中产生的热量进行利用，参见图2所示的余热回收结构示意图，本实施例提出的铰接列车的氢燃料混合动力系统，还包括：燃料电池散热器200、第一冷却液输送管路202、第二冷却液输送管204、第三冷却液输送管路206、第四冷却液输送管208和余热换热器210；所述第一氢燃料电池或者所述第二氢燃料电池与燃料电池散热器之间均通过第一冷却液输送管路和第二冷却液输送管路连接；所述第一冷却液输送管路，能够将所述燃料电池散热器中的冷却液输送到所述第一氢燃料电池或者所述第二氢燃料电池中，对所述第一氢燃料电池或者所述第二氢燃料电池进行散热；所述第二冷却液输送管路，能够将对所述第一氢燃料电池或者所述第二氢燃料电池散热后的冷却液输送回所述燃料电池散热器中；所述第三冷却液输送管路，分别与所述第二冷却液输送管路和所述余热换热器连接；所述第四冷却液输送管路，分别与所述燃料电池散热器和所述余热换热器连接；所述第三冷却液输送管路，能够将所述第二冷却液输送管路中的散热后的冷却液输送到所述余热换热器中；所述余热换热器，将所述第三冷却液输送管路输送的散热后的冷却液的热量传递到所述铰接列车的车厢内，对所述铰接列车的车厢进行供暖；所述第四冷却液输送管路，能够将所述余热换热器内完成热量传递的、散热后的冷却液输送回所述燃料电池散热器中。

其中，散热后的冷却液的温度高于未进入第一氢燃料电池和第二氢燃料电池中的冷却液的温度。

为了对第二冷却液输送管路、第三冷却液输送管路和第四冷却液输送管路中散热后的冷却液的流量大小进行控制，本实施例提出的铰接列车的氢燃料混合动力系统，还包括：第一阀门212、第二阀门214和第三阀门216。

所述第一阀门，设置在所述第三冷却液输送管路上，能够控制所述第三冷却液输送管路内散热后的冷却液的流量大小；所述第二阀门，设置在所述第二冷却液输送管路上，能够控制所述第二冷却液输送管路内散热后的冷却液的流量大小；所述第三阀门，设置在所述第四冷却液输送管路上，能够控制所述第四冷却液输送管路内散热后的冷却液的流量大小。

为了对所述第一阀门、所述第二阀门和所述第三阀门进行控制，所述第一氢燃料电池和所述第二氢燃料电池，均设置有燃料电池控制器(图2中未示出)；所述燃料电池控制器，分别与所述第一阀门、所述第二阀门和所述第三阀门连接；所述燃料电池控制器，用于当所述车厢内的温度小于目标温度时，控制所述第一阀门和所述第三阀门增大开度且控制所述第二阀门减小开度，从而增大所述第二冷却液输送管路内经过所述第三冷却液输管路进入所述余热换热器中的散热后的冷却液的流量，同时降低所述第二冷却液输送管路内输送回所述燃料电池散热器的散热后的冷却液的流量；当所述车厢内的温度达到所述目标温度时，控制所述第一阀门和所述第三阀门减小开度且控制所述第二阀门增大开度，从而减小所述第二冷却液输送管路内经过所述第三冷却液输管路进入所述余热换热器中的散热后的冷却液的流量，同时增加所述第二冷却液输送管路内输送回所述燃料电池散热器的散热后的冷却液的流量。

上述目标温度，是燃料电池控制器从列车控制和管理系统(Train Control andManagement System，TCMS)获取到的。

那么，在冬季采暖季节，第一氢燃料电池和第二氢燃料电池启动后，燃料电池控制器根据TCMS转发的目标温度对车厢内的温度进行调控，通过调整第一阀门、第二阀门和第三阀门的开度，控制散热后的冷却液流入设置在空调机组蒸发腔内的余热换热器的流量大小，从而实现客室温度调控的目的。

具体调节原理如下：

当车厢内温度未达到目标温度时，燃料电池控制器将控制第一阀门，第三阀门增大开度且减小第二阀门的开度，此时较多的散热后的冷却液通过空调的余热换热器将热量传递到车厢内，当车厢内温度达到目标温度后，减小第一阀门，第三阀门的开度且增大第二阀门的开度，此时进入余热换热器的、散热后的冷却液流量减少，传递到车厢内的热量降低，多余的冷却液通过第三阀门传输到燃料电池散热器中进行冷却散热。

通过上述余热利用技术，实现了氢燃料电池工作时反应产生的热量在冬季时给车厢内采暖用，降低了采暖负荷，同时降低了氢燃料电池散热器的工作负荷，实现了车辆节能的目的。

在一个实施方式中，所述第一阀门、所述第二阀门和所述第三阀门均为两通阀门。

本实施例还提出一种铰接列车，包括：上述的铰接列车的氢燃料混合动力系统。

综上所述，本实施例提出一种铰接列车的氢燃料混合动力系统和铰接列车，通过具有第一电动机、第一氢燃料电池和锂电池的氢燃料混合动力系统对铰接列车进行供电，当铰接列车处于牵引状态时，第一氢燃料电池和锂电池分别向第一牵引系统供电，第二氢燃料电池和锂电池分别向第二牵引系统供电，实现铰接列车的快速启动，与相关技术中利用电网供电的方式运行的铰接列车相比，在铰接列车处于牵引状态下，利用第一氢燃料电池和锂电池分别向第一牵引系统供电和第二氢燃料电池和锂电池分别向第二牵引系统供电，从而通过锂电池快速放电的特性，对氢燃料电池不足的功率进行补充，达到了铰接列车快速启动的目的。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种铰接列车的氢燃料混合动力系统，其特征在于，包括：第一牵引系统、第一电动机、第一氢燃料电池、锂电池、第二牵引系统、第二电动机和第二氢燃料电池；

所述第一牵引系统分别与所述第一电动机、所述第一氢燃料电池和所述锂电池连接；

所述第二牵引系统分别与所述第二电动机、所述第二氢燃料电池和所述锂电池连接；

当所述铰接列车处于牵引状态时，所述第一氢燃料电池和所述锂电池分别向所述第一牵引系统供电，所述第二氢燃料电池和所述锂电池分别向所述第二牵引系统供电，实现所述铰接列车的快速启动。

2.根据权利要求1所述的铰接列车的氢燃料混合动力系统，其特征在于，当所述铰接列车处于制动状态时，所述第一氢燃料电池和所述第二氢燃料电池处于待机状态；

所述第一牵引系统将所述第一电动机及产生的电能发送到所述锂电池中，以及所述第二牵引系统将所述第二电动机及产生的电能发送到所述锂电池中，分别对所述锂电池进行充电，实现了所述铰接列车中所述第一电动机和所述第二电动机的能量回收。

3.根据权利要求1所述的铰接列车的氢燃料混合动力系统，其特征在于，还包括：燃料电池散热器、第一冷却液输送管路、第二冷却液输送管、第三冷却液输送管路、第四冷却液输送管和余热换热器；

所述第一氢燃料电池或者所述第二氢燃料电池与燃料电池散热器之间均通过第一冷却液输送管路和第二冷却液输送管路连接；

所述第一冷却液输送管路，能够将所述燃料电池散热器中的冷却液输送到所述第一氢燃料电池或者所述第二氢燃料电池中，对所述第一氢燃料电池或者所述第二氢燃料电池进行散热；

所述第二冷却液输送管路，能够将对所述第一氢燃料电池或者所述第二氢燃料电池散热后的冷却液输送回所述燃料电池散热器中；

所述第三冷却液输送管路，分别与所述第二冷却液输送管路和所述余热换热器连接；

所述第四冷却液输送管路，分别与所述燃料电池散热器和所述余热换热器连接；

所述第三冷却液输送管路，能够将所述第二冷却液输送管路中的散热后的冷却液输送到所述余热换热器中；

所述余热换热器，将所述第三冷却液输送管路输送的散热后的冷却液的热量传递到所述铰接列车的车厢内，对所述铰接列车的车厢进行供暖；

所述第四冷却液输送管路，能够将所述余热换热器内完成热量传递的、散热后的冷却液输送回所述燃料电池散热器中。

4.根据权利要求3所述的铰接列车的氢燃料混合动力系统，其特征在于，还包括：第一阀门、第二阀门和第三阀门；

所述第一阀门，设置在所述第三冷却液输送管路上，能够控制所述第三冷却液输送管路内散热后的冷却液的流量大小；

所述第二阀门，设置在所述第二冷却液输送管路上，能够控制所述第二冷却液输送管路内散热后的冷却液的流量大小；

所述第三阀门，设置在所述第四冷却液输送管路上，能够控制所述第四冷却液输送管路内散热后的冷却液的流量大小。

5.根据权利要求4所述的铰接列车的氢燃料混合动力系统，其特征在于，所述第一氢燃料电池和所述第二氢燃料电池，均设置有燃料电池控制器；

所述燃料电池控制器，分别与所述第一阀门、所述第二阀门和所述第三阀门连接；

所述燃料电池控制器，用于当所述车厢内的温度小于目标温度时，控制所述第一阀门和所述第三阀门增大开度且控制所述第二阀门减小开度，从而增大所述第二冷却液输送管路内经过所述第三冷却液输管路进入所述余热换热器中的散热后的冷却液的流量，同时降低所述第二冷却液输送管路内输送回所述燃料电池散热器的散热后的冷却液的流量；

当所述车厢内的温度达到所述目标温度时，控制所述第一阀门和所述第三阀门减小开度且控制所述第二阀门增大开度，从而减小所述第二冷却液输送管路内经过所述第三冷却液输管路进入所述余热换热器中的散热后的冷却液的流量，同时增加所述第二冷却液输送管路内输送回所述燃料电池散热器的散热后的冷却液的流量。

6.根据权利要求3所述的铰接列车的氢燃料混合动力系统，其特征在于，所述第一阀门、所述第二阀门和所述第三阀门均为两通阀门。

7.根据权利要求1所述的铰接列车的氢燃料混合动力系统，其特征在于，所述第一牵引系统分别与所述第一电动机、所述第一氢燃料电池和所述锂电池通过供电母线连接；

所述第二牵引系统分别与所述第二电动机、所述第二氢燃料电池和所述锂电池通过供电母线连接。

8.一种铰接列车，其特征在于，包括：上述权利要求1-7任一项所述的铰接列车的氢燃料混合动力系统。

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