一种燃料电池混合动力机车能量管理系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，包括基于DC/DC变换模块并且与燃料电池发电系统级联的单向DC/DC变换器、基于DC/DC变换模块并且与蓄电池组级联的双向DC/DC变换器、基于DC/DC变换模块并且与超级电容组级联的双向DC/DC变换器、制动电阻单元、能量管理单元、电压采集电路、电流采集电路及负载接口。本发明专利技术根据牵引电机的需求、燃料电池输出特性、蓄电池组和超级电容组的电气特性，实现制动能量回收。本发明专利技术是基于DC/DC变换模块的燃料电池混合动力机车能量管理系统，本发明专利技术使燃料电池工作于“高氢效模式”，维持蓄电池的荷电状态在一定范围内，能够延长蓄电池的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于混合动力机车能量管理
，具体涉及一种燃料电池混合动力机车能量管理系统。
技术介绍
当今世界能源缺乏日趋严重，新能源作为一种有效的解决途径，已逐渐成为当今世界各国研究的热点。风能，太阳能以及氢能等可再生能源的开发已成为全球能源发展的必然趋势，其中以氢能作为动力的燃料电池具有高效、安全、环保和功率密度高等突出优点，已经被各国广泛研究，但是燃料电池瞬时响应能力低且动态响应慢，所以燃料电池和辅助能源结合的混合动力系统受到了各国的广泛关注。为了解决燃料电池输出无法满足快速变化的负载，主要采取的措施为在燃料电池级联的单向DC/DC输出端并联辅助能源，到达快速响应负载变化的目的。燃料电池混合动力系统的关键技术是能量管理策略，燃料电池混合动力系统能量管理的主要目标是在满足系统动态性能要求的前提下，提高燃料的利用率，延长燃料电池使用寿命，延长辅助能源使用寿命。目前，混合动力系统的能量管理技术主要包括：等效最小耗量控制策略、效率映射控制策略、自适应控制策略、模糊逻辑控制策略、智能小波变换策略、随机动态可编程控制与近似最优控制器相结合的控制策略等，上述这些能量管理策略有助于系统的实际运行控制，都是对混合动力系统的局部进行优化，且对控制器性能要求较高。目前国内外已经开展了有关燃料电池混合动力机车能量管理方法的研究，同时也提出很多能量管理实现方法，一些学者提出基于粒子群算法的模糊控制能量管理策略，该策略是针对由燃料电池与蓄电池组成的混合动力机车，通过基于粒子群算法的模糊控制能量管理策略可以满足机车的动态性能，而且也降低了燃料的损耗，但是机车产生制动能量时，对蓄电池的充电功率要求较高，而且对蓄电池的充放电程度较大，导致蓄电池的使用寿命缩短。有些学者在研究燃料电池混合动力系统过程中提出了一种能量管理方法，使燃料电池切换于最大输出功率、额定功率、最大效率三种模式，可满足负载需求，也可实现蓄电池的充放电，但是该种控制策略对蓄电池的容量要求较大，增加了蓄电池的成本，而且蓄电池充电过程不能直接控制蓄电池充电电流，控制相对复杂。
技术实现思路
为了克服现有技术方法的不足，本专利技术的目的在于提出一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，本专利技术在燃料电池混合动力机车满足系统动态性能要求的前提下，确保燃料电池混合动力机车正常、稳定、高效的运行，同时实现燃料经济性，降低系统成本且延长辅助蓄电池的使用寿命。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，包括能量管理系统、燃料电池发电系统、蓄电池组、超级电容组和机车牵引电机模块；所述能量管理系统包括：基于DC/DC变换模块并且与燃料电池发电系统级联的单向DC/DC变换器、用于检测直流母线电压的直流母线电压采集电路、用于检测直流母线电流的直流母线电流采集电路；基于DC/DC变换模块并且与蓄电池组级联的双向DC/DC变换器、用于检测蓄电池组电压的蓄电池组电压采集电路、用于检测蓄电池组电流的蓄电池组电流采集电路；基于DC/DC变换模块并且与超级电容组级联的双向DC/DC变换器、用于检测超级电容组电压的超级电容组电压采集电路、用于检测超级电容组电流的超级电容组电流采集电路；用于消耗过多的制动能量的制动电阻电路，用于综合处理各采集电路反馈的电压、电流信息以及向各个DC/DC变换器发送动作指令的主控电路；燃料电池发电系统输出电源接口、蓄电池组电源接口、超级电容组电源接口以及机车牵引电机模块接口。进一步的是，所述主控电路能够处理各采集电路反馈的电压、电流信息，使燃料电池工作于“高氢效模式”，该模式主要设定了燃料电池的三个电流工作点：1)最大功率工作电流点；2)额定功率工作电流点；3)最大效率工作电流点，保证了燃料的利用率。进一步的是，所述主控电路能够处理各采集电路反馈的电压、电流信息，在满足负载动态需求的前提下，使蓄电池组的荷电状态保持在一定范围，保持对蓄电池组的浅充浅放。进一步的是，所述能量管理系统内部的单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器都是由DC/DC变换模块搭建而成。另一方面，本专利技术还提供了一种燃料电池混合动力机车能量管理方法，所述能量管理方法是根据DC/DC变换模块特性而设计，包括步骤：步骤1：初始化系统；设置母线电流阀值、蓄电池组荷电状态阀值、超级电容组荷电状态阀值以及用于判定机车制动功率大小的电压值，设置单向、双向DC/DC变换器输出电压值以及极限电流值，使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率点。步骤2：判断机车是否处于制动状态；若机车处于制动状态则根据机车制动功率以及蓄电池组、超级电容组的荷电状态，对蓄电池组、超级电容组进行充电或者启动制动电阻消耗剩余的制动能量；若机车不处于制动状态，则转入步骤3。步骤3：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率点且需要辅助电源供电的条件；若是，燃料电池工作于最大功率点，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电；若否，则转入步骤4。步骤4：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率点且可对辅助电源充电的条件；若是，燃料电池工作于最大功率点，根据蓄电池组的荷电状态对蓄电池充电，蓄电池组充电过程中，若达到最大荷电状态则转入步骤5；若否，则转入步骤5。步骤5：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的额定功率点且需要辅助电源供电的条件；若是，燃料电池工作于额定功率点，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电，蓄电池组放电过程中，若荷电状态较低则转入步骤4；若否，则转入步骤6。步骤6：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的额定功率点且可对辅助电源充电的条件；若是，燃料电池工作于额定功率点，根据蓄电池组的荷电状态对蓄电池充电，
蓄电池组充电过程中，若达到最大荷电状态则转入步骤7；若否，则转入步骤7。步骤7：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大效率点且需要辅助电源供电的条件；若是，燃料电池工作于最大效率点，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电，蓄电池组放电过程中，若荷电状态较低则转入步骤6；若否，则转入步骤8。步骤8：判定母线电流值是否达到使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大效率点且可对辅助电源充电的条件；若是，燃料电池工作于最大效率点，根据蓄电池组的荷电状态对蓄电池充电，蓄电池组充电过程中，若达到最大荷电状态则转入步骤9；若否，则转入步骤9。步骤9：判定母线电流值是否达到可关闭燃料电池输出，仅由辅助电源供电的条件；若是，关闭燃料电池输出，根据超级电容组的荷电状态先对超级电容放电，在超级电容荷电状态较低的情况下对蓄电池组放电，蓄电池组放电过程中，若荷电状态较低则打开燃料电池输出且转入步骤8；若否，则转入步骤2。进一步的是，在机车正常运行时，燃料电池输出功率不足情况下，优先使超级电容放电，而在机车制动时优先对超级电容充电，尽可能地减少对蓄电池组频繁充放电。进一步的是，在机车制动时，在超级电容组、蓄电池组安全充电的范围，以最大的充电功率充电，回本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，其特征在于，包括能量管理系统(200)、燃料电池发电系统(300)、蓄电池组(400)、超级电容组(500)和机车牵引电机模块(600)；所述能量管理系统(200)包括：基于DC/DC变换模块并且与燃料电池发电系统级联的单向DC/DC变换器(010)、用于检测直流母线电压的直流母线电压采集电路(110)、用于检测直流母线电流的直流母线电流采集电路(100)；基于DC/DC变换模块并且与蓄电池组级联的双向DC/DC变换器(040)、用于检测蓄电池组电压的蓄电池组电压采集电路(030)、用于检测蓄电池组电流的蓄电池组电流采集电路(020)；基于DC/DC变换模块并且与超级电容组级联的双向DC/DC变换器(070)、用于检测超级电容组电压的超级电容组电压采集电路(060)、用于检测超级电容组电流的超级电容组电流采集电路(050)；用于消耗过多的制动能量的制动电阻电路(080)；用于综合处理各采集电路反馈的电压、电流信息以及向各个DC/DC变换器发送动作指令的主控电路(090)；燃料电池发电系统输出电源接口(001、002)、蓄电池组电源接口(003、004)、超级电容组电源接口(005、006)以及机车牵引电机模块接口(007、008)。...

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，其特征在于，包括能量管理系统(200)、燃料电池发电系统(300)、蓄电池组(400)、超级电容组(500)和机车牵引电机模块(600)；所述能量管理系统(200)包括：基于DC/DC变换模块并且与燃料电池发电系统级联的单向DC/DC变换器(010)、用于检测直流母线电压的直流母线电压采集电路(110)、用于检测直流母线电流的直流母线电流采集电路(100)；基于DC/DC变换模块并且与蓄电池组级联的双向DC/DC变换器(040)、用于检测蓄电池组电压的蓄电池组电压采集电路(030)、用于检测蓄电池组电流的蓄电池组电流采集电路(020)；基于DC/DC变换模块并且与超级电容组级联的双向DC/DC变换器(070)、用于检测超级电容组电压的超级电容组电压采集电路(060)、用于检测超级电容组电流的超级电容组电流采集电路(050)；用于消耗过多的制动能量的制动电阻电路(080)；用于综合处理各采集电路反馈的电压、电流信息以及向各个DC/DC变换器发送动作指令的主控电路(090)；燃料电池发电系统输出电源接口(001、002)、蓄电池组电源接口(003、004)、超级电容组电源接口(005、006)以及机车牵引电机模块接口(007、008)。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，其特征在于，所述主控电路(090)能够处理各采集电路反馈的电压、电流信息，使燃料电池工作于“高氢效模式”，该模式主要设定了燃料电池的三个电流工作点：1)最大功率工作电流点；2)额定功率工作电流点；3)最大效率工作电流点，保证了燃料的利用率。3.根据权利要求2所述的一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，其特征在于，所述主控电路(090)能够处理各采集电路反馈的电压、电流信息，在满足负载动态需求的前提下，使蓄电池组的荷电状态保持在一定范围，保持对蓄电池组的浅充浅放。4.根据权利要求1所述的一种燃料电池混合动力机车能量管理系统，其特征在于，所述能量管理系统内部的单向DC/DC变换器(010)和双向DC/DC变换器都是由DC/DC变换模块搭建而成。5.一种燃料电池混合动力机车能量管理方法，其特征在于，所述能量管理方法是根据DC/DC变换模块特性而设计，包括步骤：步骤1：初始化系统；设置母线电流阀值、蓄电池组荷电状态阀值、超级电容组荷电状态阀值以及用于判定机车制动功率大小的电压值，设置单向、双向DC/DC变换器的输出电压值以及极限电流值，使燃料电池工作于“高氢效模式”中的最大功率点；步骤2：判断机车是否处于制动状态；若机车处于制动状态则根据机车制动功率以及蓄电池组、超级电容组的荷电状态，对蓄电池组、超级电容组进行充电或者启动制动电...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪志湖，韩莹，王天宏，李奇，陈维荣，戴朝华，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51