一種多套燃料電池、多套儲能裝置協(xié)調(diào)工作的混合動力系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多套燃料電池、多套儲能裝置協(xié)調(diào)工作的混合動力系統(tǒng)設(shè)計方案，該設(shè)計方案適用于基于燃料電池/鋰電池/超級電容的混合動力車輛的研發(fā)領(lǐng)域，尤其適用于混合動力機車的研發(fā)領(lǐng)域。
[0002]【背景技術(shù)】:
基于大功率PEMFC的混合動力機車是國內(nèi)外正在研宄的熱點。PEMFC利用氫氣和空氣通過電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，產(chǎn)物只有水，做到了真正意義的零排放。同時，PEMFC是通過溫和的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，不經(jīng)過燃燒過程，系統(tǒng)電效率高達(dá)45~50%，比內(nèi)燃機高出10個百分點以上，因而PEMFC發(fā)電系統(tǒng)在軌道交通領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。
[0003]城市有軌電車啟動加速時牽引功率需求較大，為300~600kW，而勻速行駛時需求功率較小，僅需100~200kW，全路段平均功率需求更小，只有幾十kW。這種功率需求模式非常適合構(gòu)建PEMFC混合動力系統(tǒng)，由PEMFC發(fā)電系統(tǒng)提供電車全線運行所需能量，靠蓄電池或超級電容提供啟動加速所需峰值功率需求，提高混合動力有軌電車的運行穩(wěn)定性，增加續(xù)航里程。
[0004]對于混合動力有軌電車來說，其動力系統(tǒng)的設(shè)計是確保有軌電車穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。一般來講，混合動力有軌電車動力系統(tǒng)涉及多套燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、多套鋰電池和超級電容系統(tǒng)、多個DC/DC變換器、儲氫模塊、列車硬線接口以及能量管理系統(tǒng)等部分組成，各部分之間網(wǎng)絡(luò)連接和控制策略對整車的正常運行將具有關(guān)鍵作用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]有鑒于此，確有必要為所述燃料電池/鋰電池/超級電容混合動力有軌電車動力系統(tǒng)提供一種能夠適合有軌電車應(yīng)用、滿足實際需求、設(shè)計成本較低的方案。
[0006]本發(fā)明為了實現(xiàn)上述目的采用以下技術(shù)方案:
一種多套燃料電池、多套儲能裝置協(xié)調(diào)工作的混合動力系統(tǒng)，其特征在于:
動力系統(tǒng)能量管理單元:根據(jù)車輛不同工況和各子系統(tǒng)的反饋信息確定各能量源的功率分配策略，并通過動力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將控制信號發(fā)送給各子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)根據(jù)請求功率完成相關(guān)控制；
燃料電池子系統(tǒng):根據(jù)能量管理單元發(fā)送來請求功率完成控制，使其輸出功率滿足要求，并向能量管理單元發(fā)送反饋信息；
超級電容和蓄電池子系統(tǒng):根據(jù)控制信號分為啟動/加速、勻速、制動/停車三種工況和SOC值判斷超級電容和蓄電池的充放電狀態(tài)。
[0007]上述技術(shù)方案中，燃料電池子系統(tǒng)包括燃料電池系統(tǒng)總控制器、電堆(燃料電池)及電堆內(nèi)部控制器(燃料電池內(nèi)部控制器)、單向DC/DC斬波器、電堆輔機系統(tǒng)(燃料電池輔機系統(tǒng))；其中燃料電池總控制器向電堆內(nèi)部控制器、單向DCDC斬波器發(fā)送控制指令，并且根據(jù)反饋信息控制電堆的輔機系統(tǒng)達(dá)到要求。
[0008]燃料電池輔機系統(tǒng)分為啟動、正常運行、正常停機和緊急停機四種工況，并與燃料電池內(nèi)部控制器保持通訊，向其發(fā)送請求電流。
[0009]電堆內(nèi)部控制器，用于電堆本身的一些控制，燃料電池內(nèi)部控制器根據(jù)接收到的請求電流，完成電堆內(nèi)部陰陽極的壓力的調(diào)整，并計算所需的空氣流量等信息，發(fā)送至總控制器，協(xié)調(diào)工作，最終使整套燃料電池系統(tǒng)能夠輸出期望輸出的功率。
[0010]上述技術(shù)方案中，動力系統(tǒng)能量管理單元如檢測到某套燃料電池、超級電容、蓄電池發(fā)生故障，則將其切出供電總線，并對剩余各子系統(tǒng)重新進(jìn)行能量分配，保障機車正常行駛。
[0011]上述技術(shù)方案中，動力系統(tǒng)能量管理單元將機車運行分為燃料電池啟動、機車啟動、機車加速、機車正常運行、機車制動、機車緊急制動、機車停車這幾種工況，并根據(jù)超級電容和蓄電池子系統(tǒng)的SOC范圍和燃料電池子系統(tǒng)的工作狀態(tài)來分配燃料電池子系統(tǒng)和超級電容、蓄電池子系統(tǒng)輸出功率。
[0012]上述技術(shù)方案中，超級電容和蓄電池子系統(tǒng)中將機車工況分為加速、正常運行和制動三種。
[0013]上述技術(shù)方案中，當(dāng)工況處于燃料電池啟動時，動力系統(tǒng)能量管理單元通過雙向DC/DC控制器控制蓄電池子系統(tǒng)向燃料電池輔機系統(tǒng)供電，由燃料電池子系統(tǒng)總控制器逐級完成燃料電池輔機系統(tǒng)的啟動；
在燃料電池子系統(tǒng)啟動過程中隨時檢測燃料電池的工作狀態(tài)，若燃料電池工作不正常，則停止啟動；
當(dāng)工況處于機車啟動/加速時，動力系統(tǒng)能量管理單元根據(jù)接收到的加速命令計算總的能量需求，并逐級提高燃料電池子系統(tǒng)的功率請求，在此過程中控制超級電容和蓄電池子系統(tǒng)為放電狀態(tài)，完成加速；當(dāng)超級電容和蓄電池SOC值低于保護(hù)保護(hù)值時，控制雙向DC/DC變換器將超級電容和蓄電池切出系統(tǒng)；
當(dāng)工況處于機車正常運行、即近似勻速運行時，計算所需的總能量，并逐級提升燃料電池子系統(tǒng)的輸出功率至大于需求功率，根據(jù)超級電容和蓄電池子系統(tǒng)的SOC值決定是否對其進(jìn)行充電，當(dāng)超級電容和蓄電池子系統(tǒng)的SOC值大于期望值上限后，逐級降低燃料電池子系統(tǒng)輸出功率；
當(dāng)工況處于機車制動/停車時，逐級降低燃料電池子系統(tǒng)的請求功率，并控制超級電容和蓄電池子系統(tǒng)為充電，以回收制動過程中產(chǎn)生的部分能量，此時根據(jù)超級電容和蓄電池子系統(tǒng)的SOC值來確定燃料電池是否進(jìn)入最低功率輸出或者待機狀態(tài)；
當(dāng)工況處于機車緊急急停時，首先控制燃料電池子系統(tǒng)輸出斷路器斷開，并將電堆請求電流降低為零，同時停止儲能裝置對外的供能，但保留燃料電池冷卻系統(tǒng)供電和控制系統(tǒng)供電。
[0014]上述技術(shù)方案中，在燃料電池輔機系統(tǒng)啟動階段，首先完成輔機系統(tǒng)控制供電，然后順序完成冷卻水變頻器、散熱風(fēng)機變頻器和空壓機變頻器的使能，確保燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的有效散熱，在此期間，由于電堆無法對外輸電，其輔機功耗由與之輸出并聯(lián)的鋰電池或超級電容供給，然后啟動燃料電池子系統(tǒng)的燃料電池內(nèi)部控制器，并啟動供氫電磁閥，最后向燃料電池內(nèi)部控制器發(fā)送最小請求電流；
在燃料電池輔機系統(tǒng)正常運行階段，燃料電池子系統(tǒng)總控制器接收電堆內(nèi)部控制器發(fā)來的冷卻液流量請求、空氣流量請求信號，結(jié)合外部實際工況實時調(diào)節(jié)散熱風(fēng)機變頻器輸出、冷卻液變頻器輸出和空壓機變頻器輸出；
在燃料電池輔機系統(tǒng)正常停機階段，先將請求電流逐級遞減至零，然后停止供氫，并啟動氮氣吹掃，然后依次將空壓機變頻器輸出、散熱風(fēng)機變頻器輸出和冷卻水泵變頻器輸出置零，之后按照正常啟動的逆順序關(guān)閉空壓機、散熱風(fēng)機和冷卻水泵變頻器，最后依次關(guān)閉燃料電池內(nèi)部控制器和輔機系統(tǒng)控制供電；
在燃料電池輔機系統(tǒng)故障停機階段，如檢測到故障信號有效，首先將燃料電池電堆輸出主斷路器切斷，并將請求電流強制置零，然后按照正常停機順序依次關(guān)閉相關(guān)系統(tǒng)。
[0015]上述技術(shù)方案中，當(dāng)機車處于加速工況時，判斷負(fù)載所需電流，如果超級電容實際SOC值大于期望SOC值，由超級電容放電；如果超級電容實際SOC值小于期望SOC值，且蓄電池SOC值大于期望SOC值，由蓄電池放電；如果超級電容和蓄電池SOC值均小于期望SOC值，則將二者切出供電總線；
當(dāng)機車處于正常運行工況時，若超級電容和蓄電池的SOC值小于期望SOC值，則逐級提升燃料電池請求電流，使其輸出功率大于實際電機需求功率，通過雙向DC/DC變換器將超級電容和蓄電池切入總線進(jìn)行充電，當(dāng)超級電容或者蓄電池SOC值達(dá)到預(yù)期目標(biāo)后，通過雙向DC/DC變換器控制超級電容或者蓄電池處于放電狀態(tài)或者緩慢充電狀態(tài)。
[0016]當(dāng)機車處于制動工況時，電機由電動機轉(zhuǎn)為發(fā)電機，控制雙向DC/DC系統(tǒng)將超級電容和蓄電池處于充電狀態(tài)，回收總線電能，首先由超級電容回收，然后由蓄電池回收，如果此時制動輸出功率仍大于超級電容和蓄電池所能回收的總和，則控制制動電阻投入。
[0017]因為本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，因此具備以下有益效果:
該動力系統(tǒng)必須要保障動力系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地運行，同時也要對燃料電池/動力鋰電池/進(jìn)行保護(hù)，延長其使用壽命，提高燃料電池的利用效率；該動力