一种混合动力机车及其能量平衡控制方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种混合动力机车及其能量平衡控制方法与系统，机车混动系统包括氢燃料电池、双向DCDC变换器、动力电池以及充电机；氢燃料电池的输出端与双向DCDC变换器的第一端电连接，双向DCDC变换器的第二端分别与负载、动力电池的输出端电连接，动力电池的输入端与充电机电连接，充电机还与负载电连接；对双向DCDC变换器前端电压以及负载前端电压进行分段控制，有效分配各控制目标，保证了双向DCDC变换器前端电压和负载前端电压的稳定，避免了双向DCDC变换器前端电压与负载前端电压之间相互影响，实现了机车混动系统的能量控制与平衡，简化了控制逻辑。简化了控制逻辑。简化了控制逻辑。

【技术实现步骤摘要】
一种混合动力机车及其能量平衡控制方法与系统


[0001]本专利技术属于混合动力控制
，尤其涉及一种氢燃料与动力电池混合动力机车及其能量平衡控制方法与系统。

技术介绍

[0002]氢燃料电池以其绿色、节能、高效等特点，具有广阔的应用前景，但氢燃料电池是一种功率输出型供电系统，其功率输出需要通过控制反应电堆的氢气流量来实现，导致功率调节响应慢，通常功率调节需要数秒到十几秒，因此对时刻变化的负载无法给出及时的反馈，且负载突然的消失与激增都会对氢燃料电池造成一定损害，通常需要结合动力电池(例如锂电池)进行混合供电。
[0003]目前，氢燃料电池与动力电池的混合动力系统广泛应用于电动汽车、电动自行车等小功率车辆上，如图1所示，氢燃料电池经过内部单向升压DC/DC变换器直接输出给动力电池，氢燃料电池与动力电池的能量可以实现双向流动，通过能量自然特性实现平衡，即氢燃料电池的输出功率大于负载需求时，能量通过动力电池存储；氢燃料电池的输出功率小于负载需求时，能量通过动力电池补给。当氢燃料电池与动力电池被其他能源转换设备切断，无法实现能量的自然平衡时，就需要提出一种整体控制策略，使中间的能源转换设备进行有效的配合控制，实现功率输出和负载功率消耗的平衡。
[0004]在氢燃料
‑
动力电池混合机车的应用中，需求功率高，往往设置由多个动力电池并联构成的动力电池，动力电池的输出电压比氢燃料电池的输出电压高数倍，氢燃料电池的能量输入输出需要经过双向隔离DC/DC变换器实现，导致氢燃料电池与动力电池被其他能源转换设备切断。而由于各动力电池容量大、电压高，动力电池间存在大电流环流的隐患，动力电池能量输出回路与输入回路需要加以区分，因此在输入回路需要增加特定的充电机，如图2所示。
[0005]在氢燃料
‑
动力电池混合机车中，氢燃料电池输出功率小，存储能量大，作为主要能量来源；动力电池输出功率大，存储能量小，作为蓄能储能介质。在这种混动系统中，能量来源与储能介质被其他可控设备切断，再采用能量自然平衡控制方式已无法满足这类混动机车的有效控制。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种混合动力机车及其能量平衡控制方法与系统，以解决当氢燃料电池与动力电池被能源转换设备切断时，现有能量自然平衡控制方式无法实现对氢燃料电池
‑
动力电池混动机车能量平衡的有效控制的问题。
[0007]第一方面，本专利技术提供一种混合动力机车能量平衡控制方法，所述混合动力机车的混动系统包括氢燃料电池、双向DCDC变换器、动力电池以及充电机；所述氢燃料电池的输出端与所述双向DCDC变换器的第一端电连接，所述双向DCDC变换器的第二端分别与负载、动力电池的输出端电连接，所述动力电池的输入端与所述充电机电连接，所述充电机还与
所述负载电连接；所述控制方法包括对双向DCDC变换器前端电压的控制以及对负载前端电压的控制；
[0008]对双向DCDC变换器前端电压进行控制的具体实现过程为：
[0009]获取双向DCDC变换器前端电压；
[0010]当所述双向DCDC变换器前端电压小于预设目标范围的最小值时，所述动力电池通过所述双向DCDC变换器向所述氢燃料电池输送电能，使所述双向DCDC变换器前端电压上升，直到所述双向DCDC变换器前端电压处于预设目标范围内；
[0011]当所述双向DCDC变换器前端电压大于预设目标范围的最大值时，所述氢燃料电池通过所述双向DCDC变换器和充电机向所述负载及动力电池输送电能，使所述双向DCDC变换器前端电压下降，直到所述双向DCDC变换器前端电压处于预设目标范围内；
[0012]对负载前端电压进行控制的具体实现过程为：
[0013]获取动力电池静态电压和负载前端电压；
[0014]当所述负载前端电压大于动力电池静态电压与预设电压之和时，控制氢燃料电池的输出功率缓慢降低，同时氢燃料电池通过所述双向DCDC变换器和充电机向所述负载及动力电池输送电能，直到负载需求功率与氢燃料电池的输出功率平衡；
[0015]当所述负载前端电压小于等于动力电池静态电压与预设电压之和时，控制氢燃料电池的输出功率缓慢升高，同时控制动力电池向负载输出功率，直到负载需求功率与氢燃料电池和动力电池的输出功率平衡。
[0016]由于氢燃料电池是一种功率输出型供电系统，通过控制进入反应电堆的氢气流量实现其输出功率的控制，无固定电压，氢燃料电池的输出电压主要受后端负载(即双向DCDC变换器前端电压)的影响，双向DCDC变换器前端电压越高，氢燃料电池输出电流越小，反之，氢燃料电池输出电流越大，因此将双向DCDC变换器前端电压的稳定作为双向DCDC的控制目标；双向DCDC变换器作为一个能量传递设备，不产生或消耗能量，实际上无法实现能量平衡，双向DCDC变换器前端电压受后端负载(即负载前端电压)的影响，当负载需求功率大于氢燃料电池和动力电池的输出功率时，负载前端电压会被拉低，双向DCDC变换器前端电压也会被拉低，当负载需求功率小于氢燃料电池和动力电池的输出功率时，负载前端和双向DCDC变换器前端由于能量积累，电压均会升高；为了稳定双向DCDC变换器前端电压，并实现整个混动系统的能量平衡与稳定，需对负载前端电压进行控制；本专利技术通过对双向DCDC变换器前端电压和负载前端电压进行分段控制，有效分配各控制目标，保证了双向DCDC变换器前端电压和负载前端电压的稳定，避免了双向DCDC变换器前端电压与负载前端电压之间相互影响，实现了机车混动系统的能量控制与平衡，简化了控制逻辑；通过对双向DCDC变换器前端电压的主动控制，提高了混动系统的稳压效率，有效避免了双向DCDC变换器前端电压与负载前端电压相互影响形成的系统电压激振；通过电压控制实现能量平衡和稳定，由于电压随能量变化快，是电能最直接快速的反馈，因此提高了系统整体的响应速度。
[0017]进一步地，在获取双向DCDC变换器前端电压之前还包括启动氢燃料电池的步骤，该步骤的具体实现过程为：
[0018]控制所述氢燃料电池开启；
[0019]双向DCDC变换器启动，所述动力电池通过所述双向DCDC变换器向所述氢燃料电池输送电能，同时氢燃料电池自检无故障；
[0020]氢燃料电池正常启动，控制氢燃料电池的输出功率缓慢升高，使双向DCDC变换器前端电压上升。
[0021]进一步地，所述预设目标范围是根据氢燃料电池输出电压范围来确定的。
[0022]进一步地，所述预设目标范围为580V～620V。
[0023]进一步地，所述预设电压是根据充电机的电压控制精度和负载前端额定电压来确定的。
[0024]进一步地，所述预设电压为50V。
[0025]第二方面，本专利技术提供一种混合动力机车能量平衡控制系统，包括混动系统和控制系统，所述混动系统包括氢燃料电池、双向DCDC变换器、动力电池以及充电机；所述氢燃料电池的输出端与所述双向DCDC变换器的第一端电连接，所述双本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合动力机车能量平衡控制方法，其特征在于，所述混合动力机车的混动系统包括氢燃料电池、双向DCDC变换器、动力电池以及充电机；所述氢燃料电池的输出端与所述双向DCDC变换器的第一端电连接，所述双向DCDC变换器的第二端分别与负载、动力电池的输出端电连接，所述动力电池的输入端与所述充电机电连接，所述充电机还与所述负载电连接；所述控制方法包括对双向DCDC变换器前端电压的控制以及对负载前端电压的控制；对双向DCDC变换器前端电压进行控制的具体实现过程为：获取双向DCDC变换器前端电压；当所述双向DCDC变换器前端电压小于预设目标范围的最小值时，所述动力电池通过所述双向DCDC变换器向所述氢燃料电池输送电能，使所述双向DCDC变换器前端电压上升，直到所述双向DCDC变换器前端电压处于预设目标范围内；当所述双向DCDC变换器前端电压大于预设目标范围的最大值时，所述氢燃料电池通过所述双向DCDC变换器和充电机向所述负载及动力电池输送电能，使所述双向DCDC变换器前端电压下降，直到所述双向DCDC变换器前端电压处于预设目标范围内；对负载前端电压进行控制的具体实现过程为：获取动力电池静态电压和负载前端电压；当所述负载前端电压大于动力电池静态电压与预设电压之和时，控制氢燃料电池的输出功率缓慢降低，同时氢燃料电池通过所述双向DCDC变换器和充电机向所述负载及动力电池输送电能，直到负载需求功率与氢燃料电池的输出功率平衡；当所述负载前端电压小于等于动力电池静态电压与预设电压之和时，控制氢燃料电池的输出功率缓慢升高，同时控制动力电池向负载输出功率，直到负载需求功率与氢燃料电池和动力电池的输出功率平衡。2.如权利要求1所述的混合动力机车能量平衡控制方法，其特征在于，在获取双向DCDC变换器前端电压之前还包括启动氢燃料电池的步骤，该步骤的具体实现过程为：控制所述氢燃料电池开启；双向DCDC变换器启动，所述动力电池通过所述双向DCDC变换器向所述氢燃料电池输送电能，同时氢燃料电池自检无故障；氢燃料电池正常启动，控制氢燃料电池的输出功率缓慢升高，使双向DCDC变换器前端电压上升。3.如权利要求1或2所述的混合动力机车能量平衡控制方法，其特征在于，所述预设目标范围是根据氢燃料电池输出电压范围来确定的...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖洪涛，康明明，谢嘉欣，秦庆民，韩雷，郭婉露，
申请(专利权)人：中车株洲电力机车有限公司，
类型：发明
国别省市：