CN117584815A - 调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法 - Google Patents

调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法，能量控制方法包括：设置燃料电池的作业内容，设置燃料电池的目标功率，在每一种作业内容下，调车机车的微机根据司控器级位N、级位时间T和动力电池SOC值实时计算燃料电池的运行模式；燃料电池执行当前相匹配的运行模式，输出目标功率；故障保护方法包括机车微机实时监测燃料电池与储氢系统的故障信息，并根据故障信息指令燃料电池与储氢系统进行分级保护。本公开能量控制方法使燃料电池与储氢系统的能量控制策略匹配调车机车的各类工况，保障了燃料电池始终处于能量转换的最高效率点，降低氢气消耗；故障保护方法对燃料电池与储氢系统进行故障分级，进一步降低维护成本。

Description

调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法
技术领域
本公开涉及机车的燃料电池技术领域，尤其涉及一种调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法。
背景技术
现有机车的燃料电池能量管理控制策略多以储能系统SOC、司控器级位作为参考因素，通过储能系统作为机车峰值功率和快速加减载工况的补充，满足大功率、长时间的功率需求等情况，从而导致燃料电池在启动后需要始终满功率运行。此外，由于燃料电池的运行通常需要搭配储氢瓶使用。储氢瓶装机个数越多，整车的续航里程更长，随之使机车系统结构变得更加复杂，各类型故障易导致燃料电池停机保护。
因此，现有燃料电池与储氢系统的能量控制策略不匹配调车机车的运行场景，不能保障燃料电池始终处在最佳运行工况造成氢气的浪费，且频繁不合理的燃料电池的启停机造成使用寿命的下降，导致维护成本的提升，进而降低了燃料电池系统的经济性。
现有技术1提出了一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法(CN113968170A)，根据司机控制器极位、机车运行工况、储能系统状态等多种因素，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，提高了燃料电池混合动力系统的工况适应性。其存在以下缺点:未考虑储氢系统运行状态和燃料电池不同功率等级下能量转换最佳效率等因素，且不适用于调车机车作业工况。该方法适用于低功率的燃料电池系统，因此运行时始终需处于最大功率，才能满足机车能量需求，造成氢气的浪费，再有未考虑储氢系统的控制影响，不对多组氢瓶的进行故障分级，会导致燃料电池因供氢不畅易造成故障停机，进一步影响系统寿命；该方法仅提供了大功率与长时间的运行工况，场景局限，不适用于调车机车类产品。
现有技术2提出了一种燃料电池车辆能量管理控制方法及燃料电池车辆(CN115431837 A)，在燃料电池运行时，根据动力电池的SOC，每隔T时间进行数的统计，控制燃料电池输出该区段匹配的功率，该方法基于运行工况对燃料电池输出功率进行自适应调节，减少了开关机次数和变载次数。其存在以下缺点:也未考虑储氢系统运行状态和燃料电池不同功率等级下能量转换最佳效率等因素，且不适用于调车机车作业工况。该方法仅基于动力电池的SOC作为考虑因素，临近满电情况下，会直接造成燃料电池的频繁启停；并且时控制燃料电池功率频繁变换，会使具有DC/DC会频繁正反向多次变换，也会使燃料电池反复调节比例阀，造成氢燃料运行效率变低，进一步影响系统寿命，其考虑的运行场景局限，不适用于调车机车类产品。
因此，现有技术有待改进。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法，能量控制方法使燃料电池与储氢系统的能量控制策略匹配调车机车的各类工况，保障了燃料电池始终处于能量转换的最高效率点，降低氢气消耗；故障保护方法对燃料电池与储氢系统进行故障分级，降低燃料电池紧急停机的概率，完成燃料电池必须的停机吹扫作业，提升了燃料电池核心部件的使用寿命，有效提升了各类型燃料电池与储氢系统的兼容性，进一步降低维护成本。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
根据本发明的方面，提供了一种调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法，能量控制方法包括：
设置燃料电池的作业内容，作业内容包括：短时高功率模式、间歇作业模式和长时低功率模式；
设置燃料电池的目标功率，目标功率包括燃料电池不需要关机吹扫时所维持的最低运行功率PMin、燃料电池转换的最高效率点对应的功率PN和燃料电池最大额定功率PMax，且PMin<PN<PMax；
在每一种作业内容下，调车机车的微机根据司控器级位N、级位时间T和动力电池SOC值实时计算燃料电池的运行模式；
燃料电池执行当前相匹配的运行模式，输出目标功率；
故障保护方法包括：
依据故障严重程度对燃料电池与储氢系统的故障进行分级为:A类紧急故障、B类故障和C类警告，机车微机实时监测燃料电池与储氢系统的故障信息，并根据故障信息指令燃料电池与储氢系统进行分级保护。
在本发明的一个实施例中，司控器级位N包括NL和NH，且NL<NH；级位时间T包括TLL和TH且TL>TH；动力电池SOC值包括XL和XH，动力电池SOC值低于XL时动力电池亏电，动力电池SOC值高于XH时动力电池满电。
在本发明的一个实施例中，在短时高功率模式下：
当NL<N<NH且T>TL时，或当N>NH且T>TH时，或动力电池SOC值低于XL时，燃料电池启动并以PMax运行；
当动力电池SOC值高于于XH后，燃料电池降低至PMin运行并直至作业结束。
在本发明的一个实施例中，在间歇作业模式下：
当NL<N<NH且T>TL时，或当N>NH且T>TH时，或当动力电池SOC值低于XL时，燃料电池启动并以PMax运行；
当司控器手柄N<NL时，燃料电池降低至PN运行；
当动力电池SOC值高于XH时，燃料电池降低至PMin运行并直至作业结束。
在本发明的一个实施例中，在长时间低功率模式下：燃料电池以PN运行，
当动力电池SOC值低于XL时，燃料电池降低至PMax运行；
当动力电池SOC值高于于XH后，燃料电池可以停机吹扫。
在本发明的一个实施例中，当储氢系统或燃料电池发出紧急故障信息时，按照A类紧急故障处理，储氢系统与燃料电池紧急停机。
在本发明的一个实施例中，当储氢系统或燃料电池系统发出停机故障信息时，按照B类故障处理，关闭燃料电池系统工作，待燃料电池完成正确停机吹扫后，停止储氢系统运行。
在本发明的一个实施例中，当燃料电池发出限功信息时，按照C类警告处理，仅在机车显示屏报警提示信息内容。
在本发明的一个实施例中，当储氢系统或燃料电池系统发出警告信息时，按照C类警告处理，仅在机车显示屏报警提示信息内容。
在本发明的一个实施例中，当机车微机检测到燃料电池与氢储能系统影响整车安全的的故障信息时，或司机操作紧急停机时，储氢系统与燃料电池紧急停机。
通过采用上述技术方案，本发明相比现有技术具有如下优点：
1、能量控制方法适配于所有调车机车，在不需要额外增加电气设备的情况下，可以大幅度减少燃料电池启停次数，进而减少燃料电池长时间吹扫时所消耗的氢气损耗；
2、能量控制方法满足调车机车各类场景的使用需求，同时保障燃料电池始终处能量转换的最高效率点，降低氢气消耗；
3、故障保护方法降低了燃料电池紧急停机的概率，保障燃料电池完成必须的停机吹扫作业；
4、故障保护方法提升了燃料电池的使用寿命，又提升了各类型燃料电池系统与储氢系统的兼容性，进一步降低维护成本。
附图说明
图1示出了本发明实施例提供的能量控制方法流程图；
图2示出了本发明实施例提供的故障保护方法流程图；
图3示出了本发明实施例提供的短时高功率模式流程图；
图4示出了本发明实施例提供的间歇作用模式流程图；
图5示出了本发明实施例提供的长时间低功率模式流程图。
具体实施方式
应当理解，在示例性实施例中所示的本发明的实施例仅是说明性的。虽然在本发明中仅对少数实施例进行了详细描述，但本领域技术人员很容易领会在未实质脱离本发明主题的教导情况下，多种修改是可行的。相应地，所有这样的修改都应当被包括在本发明的范围内。在不脱离本发明的主旨的情况下，可以对以下示例性实施例的设计、操作条件和参数等做出其他的替换、修改、变化和删减。
如图1和图2所示，本发明提供了一种调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法，能量控制方法包括：
设置燃料电池的作业内容，作业内容包括：短时高功率模式、间歇作业模式和长时低功率模式；
设置燃料电池的目标功率，目标功率包括燃料电池不需要关机吹扫时所维持的最低运行功率PMin、燃料电池转换的最高效率点对应的功率PN和燃料电池最大额定功率PMax，且PMin<PN<PMax；
在每一种作业内容下，调车机车的微机根据司控器级位N、级位时间T和动力电池SOC值实时计算燃料电池的运行模式；
燃料电池执行当前相匹配的运行模式，输出目标功率；
故障保护方法包括：
依据故障严重程度对燃料电池与储氢系统的故障进行分级为:A类紧急故障、B类故障和C类警告，机车微机实时监测燃料电池与储氢系统的故障信息，并根据故障信息指令燃料电池与储氢系统进行分级保护。
本发明的上述技术方案，通过能量控制方法使燃料电池与储氢系统的能量控制策略匹配调车机车的各类工况，保障了燃料电池始终处于能量转换的最高效率点，降低氢气消耗；通过故障保护方法对燃料电池与储氢系统进行故障分级，降低燃料电池紧急停机的概率，完成燃料电池必须的停机吹扫作业，提升了燃料电池核心部件的使用寿命，有效提升了各类型燃料电池与储氢系统的兼容性，进一步降低维护成本。
在上述方法中，司控器级位N包括NL和NH，且NL<NH；级位时间T包括和TH且TL>TH；动力电池SOC值包括XL和XH，动力电池SOC值低于XL时动力电池亏电，动力电池SOC值高于XH时动力电池满电。
在上述方法中，如图3所示，在短时高功率模式下：
当NL<N<NH且T>TL时，或当N>NH且T>TH时，或动力电池SOC值低于XL时，燃料电池启动并以PMax运行；
当动力电池SOC值高于于XH后，燃料电池降低至PMin运行并直至作业结束。
在上述方法中，如图4所示，在间歇作业模式下：
当NL<N<NH且T>TL时，或当N>NH且T>TH时，或当动力电池SOC值低于XL时，燃料电池启动并以PMax运行；
当司控器手柄N<NL时，燃料电池降低至PN运行；
当动力电池SOC值高于XH时，燃料电池降低至PMin运行并直至作业结束。
在上述方法中，如图5所示，在长时间低功率模式下：燃料电池以PN运行，
当动力电池SOC值低于XL时，燃料电池降低至PMax运行；
当动力电池SOC值高于于XH后，燃料电池可以停机吹扫。
在上述方法中，当储氢系统或燃料电池发出紧急故障信息时，按照A类紧急故障处理，储氢系统与燃料电池紧急停机。
在上述方法中，当储氢系统或燃料电池系统发出停机故障信息时，按照B类故障处理，关闭燃料电池系统工作，待燃料电池完成正确停机吹扫后，停止储氢系统运行。
在上述方法中，当燃料电池发出限功信息时，按照C类警告处理，仅在机车显示屏报警提示信息内容。
在上述方法中，当储氢系统或燃料电池系统发出警告信息时，按照C类警告处理，仅在机车显示屏报警提示信息内容。
在上述方法中，当机车微机检测到燃料电池与氢储能系统影响整车安全的的故障信息时，或司机操作紧急停机时，储氢系统与燃料电池紧急停机。
下面通过具体实施例来对本发明的上述技术方案进行详细说明。
燃料电池系统总计200Kw，能量转换的最高效率点所对应的功率为60Kw，司控器级位总计8档，动力电池约200度，整车最大功率1000Kw。调车机车作业的主要内容包括推峰/客车推拉、编组牵出和小运转三种作业内容，其对应短时高功率、间歇作业和长时间低功率三种燃料电池运用方式。
实施例1
进行推峰/客车推拉作业，调车机车需要满足短时较高且频繁的牵引功率需求。司机操作司控器级位N处于5档位,微机网络系统设置的NL为3档、NH为4档。并以5档位操作了10分钟以上时，微机网络系统设置的TL为30秒，TH为5分钟。满足了微机系统判断调车机车需要燃料电池升功作业情况。此时微机对燃料电池发出启动指令，并发出最大额定功率PMax为200Kw运行。当司机完成作业，司控器手柄N回零后，燃料电池均仍以PMax为200Kw运行。当动力电池SOC值高于于XH为90以上时，微机判断调车机车以完成动力电池充电，燃料电池不停机吹扫，功率降低至PMin为10Kw维持运行，直至作业结束后停机结束，整个过程燃料电池系统启停总计为1次。
实施例2
进行编组牵出作业，调车机车需要满足短时较高的牵引功率需求，燃料电池要时刻参与能量输出，司机操作司控器级位N处于6档位运行,微机网络系统设置的NL为3档、NH为4档。并以6档位操作了10分钟以上时，微机网络系统设置的TL为30秒，TH为5分钟。满足了微机系统判断调车机车需要燃料电池升功作业情况。此时微机对燃料电池发出启动指令，并发出最大额定功率PMax为200Kw运行。随后司机降低档位至1档继续移车作业，此时燃料电池相应功率变化至PN为60Kw继续运行。当动力电池SOC值高于于XH为90以上时，燃料电池不停机吹扫，功率降低至PMin为10Kw维持运行，直至作业结束后停机结束，整个过程燃料电池系统启停总计为1次。
实施例3
进行“小运转”作业内容，调车机车需要移送至不同站点，需要满足长时间较低的牵引功率需求，燃料电池需要长时间保持低功率输出，司机操作司控器级位N处于2档位运行2小时以上，燃料电池系统保持PN为60Kw运行功率，当动力电池SOC值高于于XH为90以上时，微机发出燃料电池系统停机吹扫指令，前往站点所需能量由动力电池提供。整个过程燃料电池系统启停总计为1次。
实施例4
调车机车在某次作业过程中燃料电池系统报“水泵控制器温度超温”故障，此故障在设计时归类于B类故障信息，此时微机系统对燃料电池系统发出正常停机控制指令，燃料电池依照工作流程，使用氢气吹扫持续十分钟后关机，反馈已完成关机指令。微机判断待燃料电池完成正确停机吹扫后，停止储氢系统运行，对氢瓶发出关闭瓶阀指令。氢瓶控制器随之关闭所有氢瓶阀，整个运行过程中，整车总需求80Kw功率，剩余的20Kw能量由动力电池吸收，但由于燃料电池故障减少了100Kw的能量输出。发生故障时，其能量缺口由动力电池补充能，动力电池从充电状态转换至放电状态，维持调车机车正常作业需求不降功，母线电压不卸载，未影响司机正常作业。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法，其特征在于，能量控制方法包括：
设置燃料电池的作业内容，所述作业内容包括：短时高功率模式、间歇作业模式和长时低功率模式；
设置燃料电池的目标功率，所述目标功率包括燃料电池不需要关机吹扫时所维持的最低运行功率PMin、燃料电池转换的最高效率点对应的功率PN和燃料电池最大额定功率PMax，且PMin<PN<PMax；
在每一种所述作业内容下，调车机车的微机根据司控器级位N、级位时间T和动力电池SOC值实时计算燃料电池的运行模式；
燃料电池执行当前相匹配的运行模式，输出目标功率；
故障保护方法包括：
依据故障严重程度对燃料电池与储氢系统的故障进行分级为:A类紧急故障、B类故障和C类警告，机车微机实时监测燃料电池与储氢系统的故障信息，并根据故障信息指令燃料电池与储氢系统进行分级保护。
2.根据权利要求1所述的调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法，其特征在于，所述司控器级位N包括NL和NH，且NL<NH；所述级位时间T包括TLL和TH且TL>TH；所述动力电池SOC值包括XL和XH，所述动力电池SOC值低于XL时动力电池亏电，所述动力电池SOC值高于XH时动力电池满电。
3.根据权利要求2所述的调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法，其特征在于，在所述短时高功率模式下：
当NL<N<NH且T>TL时，或当N>NH且T>TH时，或动力电池SOC值低于XL时，燃料电池启动并以PMax运行；
当动力电池SOC值高于于XH后，燃料电池降低至PMin运行并直至作业结束。
4.根据权利要求2所述的调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法，其特征在于，在所述间歇作业模式工况下：
当NL<N<NH且T>TL时，或当N>NH且T>TH时，或当动力电池SOC值低于XL时，燃料电池启动并以PMax运行；
当司控器手柄N<NL时，燃料电池降低至PN运行；
当动力电池SOC值高于XH时，燃料电池降低至PMin运行并直至作业结束。
5.根据权利要求2所述的调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法，其特征在于，在所述长时间低功率模式下：燃料电池以PN运行，
当动力电池SOC值低于XL时，燃料电池降低至PMax运行；
当动力电池SOC值高于于XH后，燃料电池可以停机吹扫。
6.根据权利要求1所述的调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法，其特征在于，当储氢系统或燃料电池发出紧急故障信息时，按照所述A类紧急故障处理，储氢系统与燃料电池紧急停机。
7.根据权利要求1所述的调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法，其特征在于，当储氢系统或燃料电池系统发出停机故障信息时，按照所述B类故障处理，关闭燃料电池系统工作，待燃料电池完成正确停机吹扫后，停止储氢系统运行。
8.根据权利要求1所述的调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法,其特征在于，当燃料电池发出限功信息时，按照所述C类警告处理，仅在机车显示屏报警提示信息内容。
9.根据权利要求1所述的调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法,其特征在于，当储氢系统或燃料电池系统发出警告信息时，按照所述C类警告处理，仅在机车显示屏报警提示信息内容。
10.根据权利要求1所述的调车机车燃料电池与储氢系统的能量控制和故障保护方法,其特征在于，当机车微机检测到燃料电池与氢储能系统影响整车安全的故障信息时，或司机操作紧急停机时，储氢系统与燃料电池紧急停机。
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