CN116142240A - 一种混合动力机车控制方法及牵引系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力机车控制方法及牵引系统，所述混合动力机车的动力源包括氢燃料电池、氢内燃发电机组与储能动力电池，且氢燃料电池、氢内燃发动机组、储能动力电池能量比按2:5:2设置；所述混合动力机车控制方法包括混合牵引输出功率控制方法、动力电池充电控制方法，通过本发明方法有效的回收、利用列车制动能量和氢燃料电池、氢内燃动车组多余能量，保证了机车运行的最大经济性。

Description

一种混合动力机车控制方法及牵引系统

技术领域

本发明属于轨道交通领域，涉及一种混合动力机车控制方法及牵引系统，尤其涉及氢燃料电池、氢燃料发动机与储能动力电池三动力混合的动力干线机车的混合动力控制方法及牵引系统。

背景技术

目前，氢燃料电池在铁路行业主要用于调车及有轨电车领域，燃料电池总功率一般小于400kW，且由多组燃料电池组成，系统复杂，控制难度大。现有氢燃料机车采用氢燃料电池+动力电池模式，受储能系统放电时间限制，机车持续功率取决于燃料电池的总功率。干线机车牵引吨位重、运行里程长、燃料消耗高，受机车持续功率、储氢容量和机车牵引力等条件限制，现有氢燃料电池机车无法满足干线牵引需求。

同时,由于氢燃料电池具有全负荷时效率低、氢内燃机具有部分负荷时效率低、且氢燃料电池和氢内燃机都是能量输出装置，无法进行能量回收等问题，因此机车上需设置储能动力电池对能量回收和可在机车加速时提供能量。

综上一种以氢燃料电池、氢燃料发动机与储能动力电池为动力的混合动力干线机车可解决上述所有问题。而结合氢燃料电池、氢燃料发动机与储能系统三者自身特性，对机车进行优化控制，使机车始终处在高效率区域运行且能最大程度进行能量回收是三动力混合机车研制的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种混合动力机车控制方法及牵引系统，通过本发明方法有效的回收、利用列车制动能量和氢燃料电池、氢内燃动车组多余能量，保证了机车运行的最大经济性。

一方面，本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种混合动力机车控制方法，所述混合动力机车的动力源包括氢燃料电池、氢内燃发电机组与储能动力电池，且氢燃料电池、氢内燃发动机组、储能动力电池能量比按2:5:2设置；

所述混合动力机车控制方法包括混合牵引输出功率控制方法，所述混合牵引输出功率控制方法包括：

(1)当机车负荷≤10％时，启动氢燃料电池工作在其20％-50％负荷区间，提供机车牵引功率和辅助功率；当机车牵引和辅助所需功率≤氢燃料电池工作功率时，氢燃料电池多余功率给储能动力电池充电，当动力电池SOC≥95％时，停止充电；

(2)当10％＜机车负荷≤50％时，启动氢燃料电池工作在其50％-100％负荷区间，提供机车牵引功率和辅助功率；当机车牵引和辅助所需功率≤氢燃料电池工作功率时，氢燃料电池多余功率给储能动力电池充电，当动力电池SOC≥95％时停止充电；当机车牵引和辅助所需功率＞工作氢燃料电池100％功率时，动力电池输出相应功率进行补充；

(3)当50％＜机车负荷≤90％时，启动氢内燃发电机组工作在其80％-100％负荷区间，氢燃料电池工作在其20％-50％负荷区间，提供机车牵引功率和辅助功率；当机车牵引和辅助所需功率≤氢燃料电池工作功率和氢内燃发电机组功率时，多余功率给储能动力电池充电，动力电池SOC≥95％时停止充电；当机车牵引和辅助所需功率＞工作氢燃料电池50％功率和氢内燃发电机组100％功率时，动力电池输出相应功率进行补充；

(4)当90％＜机车负荷≤100％时，启动氢内燃发电机组工作在其80％-100％负荷区间，氢燃料电池工作在其50％-100％负荷区间，提供机车牵引功率和辅助功率；当机车牵引和辅助所需功率≤氢燃料电池工作功率和氢内燃发电机组功率时，多余功率给储能动力电池充电，动力电池SOC≥95％时停止充电；当机车牵引和辅助所需功率＞工作氢燃料电池100％功率和氢内燃发电机组100％功率时，动力电池输出相应功率进行补充。

根据一个优选的实施方式，所述混合动力机车控制方法包括动力电池充电控制，所述动力电池充电控制包括：机车电阻制动工况下，通过司控器提供的制动力目标值进行制动，产生的动力制动能量先给储能动力电池充电，剩余功率由制动电阻消耗；当储能动力电池SOC≥95％时，停止给储能动力电池充电。

根据一个优选的实施方式，所述混合动力机车控制方法包括：在牵引工况条件下，仅当氢燃料机车组中氢燃料电池故障时，才单独使用氢内燃发电机组进行牵引。

另一方面，本发明还公开了：

一种混合动力机车牵引系统，所述混合动力机车牵引系统包括：内燃发电机组、氢燃料电池、储能动力电池、制动电阻和牵引电机；机车牵引时，根据机车运行线路和加速度需求控制启用氢内燃发电机组和/或氢燃料电池和储能动力电池为机车提供所需功率；制动时，采用制动产生的能量为储能动力电池充电；所述混合动力机车牵引系统基于前述混合动力机车控制方法进行机车牵引控制。

根据一个优选的实施方式，氢燃料电池通过DC/DC模块升压后、氢内燃发电机组经AC/DC模块、储能动力电池经DC/DC模块混合并入机车的直流回路，然后通过DC/AC变频模块逆变为变频变压的三相交流电驱动机车牵引电机。

根据一个优选的实施方式，所述储能动力电池包括但不限于为锂电池，既用作储能元件，也用作动力元件。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：通过本发明混合动力机车控制方法，能够实现氢燃料电池、氢内燃机组、动力电池三者混合牵引：

减小了氢燃料电池输出功率变化速率，避免氢燃料电池载荷的大幅度波动，减少了氢燃料电池启动次数，延长氢燃料电池使用寿命，使氢燃料电池达到最佳循环寿命；

能有效提高氢燃料电池使用效率，使其长期工作在20％-50％的最高效率点；

能有效提高氢内燃机组使用效率，使其长期工作在80％-100％的最高效率点；

可有效回收、利用列车制动能量和氢燃料电池、氢内燃动车组多余能量，保证机车运用最大经济性。

附图说明

图1是本发明混合动力机车牵引系统电路原理框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。

实施例1：

本实施例公开了一种混合动力机车控制方法，所述混合动力机车的动力源包括氢燃料电池、氢内燃发电机组与储能动力电池，且氢燃料电池、氢内燃发动机组、储能动力电池能量比按2:5:2设置。

混合动力机车控制方法包括混合牵引输出功率控制方法，所述混合牵引输出功率控制方法包括：

(1)当机车负荷≤10％时，启动氢燃料电池工作在其20％-50％负荷区间，提供机车牵引功率和辅助功率；当机车牵引和辅助所需功率≤氢燃料电池工作功率时，氢燃料电池多余功率给储能动力电池充电，当动力电池SOC≥95％时，停止充电。

(2)当10％＜机车负荷≤50％时，启动氢燃料电池工作在其50％-100％负荷区间，提供机车牵引功率和辅助功率；当机车牵引和辅助所需功率≤氢燃料电池工作功率时，氢燃料电池多余功率给储能动力电池充电，当动力电池SOC≥95％时停止充电；当机车牵引和辅助所需功率＞工作氢燃料电池100％功率时，动力电池输出相应功率进行补充。

(3)当50％＜机车负荷≤90％时，启动氢内燃发电机组工作在其80％-100％负荷区间，氢燃料电池工作在其20％-50％负荷区间，提供机车牵引功率和辅助功率；当机车牵引和辅助所需功率≤氢燃料电池工作功率和氢内燃发电机组功率时，多余功率给储能动力电池充电，动力电池SOC≥95％时停止充电；当机车牵引和辅助所需功率＞工作氢燃料电池50％功率和氢内燃发电机组100％功率时，动力电池输出相应功率进行补充。

(4)当90％＜机车负荷≤100％时，启动氢内燃发电机组工作在其80％-100％负荷区间，氢燃料电池工作在其50％-100％负荷区间，提供机车牵引功率和辅助功率；当机车牵引和辅助所需功率≤氢燃料电池工作功率和氢内燃发电机组功率时，多余功率给储能动力电池充电，动力电池SOC≥95％时停止充电；当机车牵引和辅助所需功率＞工作氢燃料电池100％功率和氢内燃发电机组100％功率时，动力电池输出相应功率进行补充。

对应不同机车负荷率时的三动力源负荷率如下表所示：

优选地，所述混合动力机车控制方法包括动力电池充电控制。氢燃料机车组运行过程，仅靠能量回收对储能系统进行充电，最大限度降低使用氢燃料电池或氢内燃机对储能系统充电，提高机车效率。

具体地，所述动力电池充电控制包括：机车电阻制动工况下，通过司控器提供的制动力目标值进行制动，产生的动力制动能量先给储能动力电池充电，剩余功率由制动电阻消耗；当储能动力电池SOC≥95％时，停止给储能动力电池充电。

优选地，所述混合动力机车控制方法包括：在牵引工况条件下，仅当氢燃料机车组中氢燃料电池故障时，才单独使用氢内燃发电机组进行牵引。提高了氢燃料的使用效率。

为使机车在整个线路区间始终处于高效率区域运行且能最大程度进行能量回收，结合氢燃料电池、氢内燃发电机组与储能动力电池三者自身特性对机车进行牵引、制动控制。通过本发明混合动力机车控制方法使氢内燃发电机组工作在80％-100％负荷区间，氢燃料电池工作在20％-50％负荷区间且尽量减少其启动次数。

即是，通过本发明混合动力机车控制方法，能够实现氢燃料电池、氢内燃机组、动力电池三者混合牵引：

减小了氢燃料电池输出功率变化速率，避免氢燃料电池载荷的大幅度波动，减少了氢燃料电池启动次数，延长氢燃料电池使用寿命，使氢燃料电池达到最佳循环寿命；

能有效提高氢燃料电池使用效率，使其长期工作在20％-50％的最高效率点；

能有效提高氢内燃机组使用效率，使其长期工作在80％-100％的最高效率点；

可有效回收、利用列车制动能量和氢燃料电池、氢内燃动车组多余能量，保证机车运用最大经济性。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例还公开了：

一种混合动力机车牵引系统，所述混合动力机车牵引系统包括：内燃发电机组、氢燃料电池、储能动力电池、制动电阻和牵引电机。所述混合动力机车牵引系统采用实施例1所述混合动力机车控制方法进行机车牵引控制。

机车牵引时，根据机车运行线路和加速度需求控制启用氢内燃发电机组和/或氢燃料电池和储能动力电池为机车提供所需功率；制动时，采用制动产生的能量为储能动力电池充电。根据一个优选的实施方式，氢燃料电池通过DC/DC模块升压后、氢内燃发电机组经AC/DC模块、储能动力电池经DC/DC模块混合并入机车的直流回路，然后通过DC/AC变频模块逆变为变频变压的三相交流电驱动机车牵引电机。

优选地，所述储能动力电池包括但不限于为锂电池，既用作储能元件，也用作动力元件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混合动力机车控制方法，其特征在于，所述混合动力机车的动力源包括氢燃料电池、氢内燃发电机组与储能动力电池，且氢燃料电池、氢内燃发动机组、储能动力电池能量比按2:5:2设置；

所述混合动力机车控制方法包括混合牵引输出功率控制方法，所述混合牵引输出功率控制方法包括：

(1)当机车负荷≤10％时，启动氢燃料电池工作在其20％-50％负荷区间，提供机车牵引功率和辅助功率；当机车牵引和辅助所需功率≤氢燃料电池工作功率时，氢燃料电池多余功率给储能动力电池充电，当动力电池SOC≥95％时，停止充电；

(2)当10％＜机车负荷≤50％时，启动氢燃料电池工作在其50％-100％负荷区间，提供机车牵引功率和辅助功率；当机车牵引和辅助所需功率≤氢燃料电池工作功率时，氢燃料电池多余功率给储能动力电池充电，当动力电池SOC≥95％时停止充电；当机车牵引和辅助所需功率＞工作氢燃料电池100％功率时，动力电池输出相应功率进行补充；

(3)当50％＜机车负荷≤90％时，启动氢内燃发电机组工作在其80％-100％负荷区间，氢燃料电池工作在其20％-50％负荷区间，提供机车牵引功率和辅助功率；当机车牵引和辅助所需功率≤氢燃料电池工作功率和氢内燃发电机组功率时，多余功率给储能动力电池充电，动力电池SOC≥95％时停止充电；当机车牵引和辅助所需功率＞工作氢燃料电池50％功率和氢内燃发电机组100％功率时，动力电池输出相应功率进行补充；

(4)当90％＜机车负荷≤100％时，启动氢内燃发电机组工作在其80％-100％负荷区间，氢燃料电池工作在其50％-100％负荷区间，提供机车牵引功率和辅助功率；当机车牵引和辅助所需功率≤氢燃料电池工作功率和氢内燃发电机组功率时，多余功率给储能动力电池充电，动力电池SOC≥95％时停止充电；当机车牵引和辅助所需功率＞工作氢燃料电池100％功率和氢内燃发电机组100％功率时，动力电池输出相应功率进行补充。

2.如权利要求1所述的混合动力机车控制方法，其特征在于，所述混合动力机车控制方法包括动力电池充电控制，所述动力电池充电控制包括：

机车电阻制动工况下，通过司控器提供的制动力目标值进行制动，产生的动力制动能量先给储能动力电池充电，剩余功率由制动电阻消耗；当储能动力电池SOC≥95％时，停止给储能动力电池充电。

3.如权利要求1所述的混合动力机车控制方法，其特征在于，所述混合动力机车控制方法包括：

在牵引工况条件下，仅当氢燃料机车组中氢燃料电池故障时，才单独使用氢内燃发电机组进行牵引。

4.一种混合动力机车牵引系统，其特征在于，所述混合动力机车牵引系统包括：内燃发电机组、氢燃料电池、储能动力电池、制动电阻和牵引电机；

机车牵引时，根据机车运行线路和加速度需求控制启用氢内燃发电机组和/或氢燃料电池和储能动力电池为机车提供所需功率；制动时，采用制动产生的能量为储能动力电池充电；

所述混合动力机车牵引系统基于权利要求1至3任一项所述的混合动力机车控制方法进行机车牵引控制。

5.如权利要求4所述的混合动力机车牵引系统，其特征在于，氢燃料电池通过DC/DC模块升压后、氢内燃发电机组经AC/DC模块、储能动力电池经DC/DC模块混合并入机车的直流回路，然后通过DC/AC变频模块逆变为变频变压的三相交流电驱动机车牵引电机。

6.如权利要求4所述的混合动力机车牵引系统，其特征在于，所述储能动力电池包括但不限于为锂电池，既用作储能元件，也用作动力元件。

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