多燃料电池的混合动力系统及其能量管理方法、装置制造方法及图纸

本申请实施例提供了一种多燃料电池的混合动力系统及其能量管理方法、装置，该混合动力系统包括：动力电池，其连接到直流母线；燃料电池系统，其包括至少两个并联的支路，每个支路中串联有至少两个燃料电池，各支路分别通过一DC/DC模块连接到所述直流母线，每个燃料电池的两端并联有旁路隔离开关，所述旁路隔离开关用于将燃料电池接入到所述燃料电池系统中进行供电或将燃料电池从所述燃料电池系统中切除。本实施例将多个燃料电池通过串、并联结合方式组成燃料电池系统，采用多串联

【技术实现步骤摘要】
多燃料电池的混合动力系统及其能量管理方法、装置


[0001]本申请涉及电池能源管理
，具体地，涉及一种多燃料电池的混合动力系统及其能量管理方法、装置。

技术介绍

[0002]轨道车辆动力系统常采用燃料电池/动力电池构成的电电混合动力系统。相比于汽车，轨道车辆混合动力系统所需功率大，一般采用定制开发的大功率燃料电池系统，成本高昂且技术成熟度低；而小功率燃料电池尽管技术成熟、可选择性强，但由于单机功率低，无法在轨道车辆上直接应用。
[0003]现有轨道车辆的混合动力系统主要采用大功率燃料电池进行简单并联供电，如图1所示。该方案中每个大功率燃料电池均通过DC/DC模块连接到直流母线，动力电池采用直挂母线的方式。采用大功率燃料电池简单并联的混合动力系统供电方案，由于单个燃料电池功率需求大，一般需要定制化开发，成本高昂；受燃料电池工作特性的影响，当车辆需求功率较小时，大功率燃料电池处在效率低点，不利于系统效率的提升；由于系统中燃料电池数量少，当两个燃料电池出现故障时，混合动力系统丧失能量源，无法持续运行。

技术实现思路

[0004]本申请实施例提供一种多燃料电池的混合动力系统及其能量管理方法、装置，以解决上述技术问题。
[0005]第一方面，本申请实施例提供一种多燃料电池的混合动力系统，包括：
[0006]动力电池，其连接到直流母线；
[0007]燃料电池系统，其包括至少两个并联的支路，每个支路中串联有至少两个燃料电池，各支路分别通过一DC/DC模块连接到所述直流母线，每个燃料电池的两端并联有旁路隔离开关，所述旁路隔离开关用于将燃料电池接入到所述燃料电池系统中进行供电或将燃料电池从所述燃料电池系统中切除。
[0008]第二方面，本申请实施例提供一种多燃料电池的混合动力系统的能量管理方法，应用于如第一方面所述的混合动力系统，所述方法包括：
[0009]获取混合动力系统当前的主状态值，所述主状态值表示混合动力系统在当前时刻的供电状态，所述供电状态由所述混合动力系统中可对外供电的电池形成的供电拓扑结构确定；
[0010]在接收到高压启动指令后，按照所述主状态值对应的预设启动策略启动所述混合动力系统中的对应电池，并根据所述主状态值和车辆需求功率对所述混合动力系统已启动的电池进行能量管理。
[0011]第三方面，本申请实施例提供一种多燃料电池的混合动力系统的能量管理装置，应用于如第一方面所述的混合动力系统，所述装置包括：
[0012]主状态确定模块，用于获取混合动力系统当前的主状态值，所述主状态值表示混
合动力系统在当前时刻的供电状态，所述供电状态由所述混合动力系统中可对外供电的电池形成的供电拓扑结构确定；
[0013]能量管理模块，用于在接收到高压启动指令后，按照所述主状态值对应的预设启动策略启动所述混合动力系统中的对应电池，并根据所述主状态值和车辆需求功率对所述混合动力系统已启动的电池进行能量管理。
[0014]通过本技术方案，可将多个小功率燃料电池进行串、并联，组合成复杂的燃料电池系统，相较于大功率燃料电池简单并联方案，可降低成本、提升系统效率；其中，综合串、并联两种连接方式的特点设计的燃料电池系统，采用多串联
‑
多并联的拓扑结构，且在串联燃料电池两端并联旁路隔离开关，以将燃料电池接入到燃料电池系统中或将燃料电池从燃料电池系统中切除，从而通过旁路隔离开关实现支路中任何一个燃料电池故障时，将故障燃料电池及时切除系统，并在故障解除后将其重新接入系统，克服了串联支路可靠性低、并联支路成本高的缺点，提高了多燃料电池耦合的燃料电池系统的可靠性，因此本方案在保证系统有较高效率、体积重量较轻的同时具有高可控性。
附图说明
[0015]此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0016]图1示出了现有技术中轨道车辆的混合动力系统的结构示意图；
[0017]图2示出了本申请实施例中轨道车辆的混合动力系统的结构示意图；
[0018]图3示出了本申请实施例提供的多燃料电池的混合动力系统的能量管理方法的流程图；
[0019]图4示出了本申请实施例中主状态值HBS_state的确定过程的流程图；
[0020]图5示出了图4中步骤220的具体过程的流程图；
[0021]图6示出了本申请实施例中根据目标输出功率控制燃料电池系统的功率输出的具体过程的流程图；
[0022]图7示出了本申请实施例提供的多燃料电池的混合动力系统的能量管理装置的示意图。
具体实施方式
[0023]以下结合附图对本申请的示例性实施例进行详细说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0024]本申请实施例将多个小功率燃料电池进行串、并联，组合成复杂燃料电池系统，图2示出了本申请实施例提供的混合动力系统的结构示意图，请参照图2，混合动力系统包括：动力电池和燃料电池系统，燃料电池系统包括至少两个并联的支路，每个支路中串联有至少两个燃料电池，各支路分别通过一DC/DC模块连接到直流母线，具体的，同一支路上的所有燃料电池串联后通过DC/DC模块连接到直流母线，动力电池连接到同一直流母线上。混合动力系统中，动力电池用于维持母线电压，其较大容量特点可防止母线电压的突变，起到削峰填谷的作用；燃料电池系统作为整个混合动力系统的最终能量来源，其输出功率可根据
动力电池的荷电状态(SOC)和车辆需求功率进行调整，是能量管理的主要控制变量。
[0025]在一种实施例中，燃料电池系统包括两个并联的支路，分别为第一支路和第二支路，每个支路中均分别串联有四个燃料电池，如图2所示，燃料电池系统为4串联
‑
2并联的拓扑结构。可以理解的，燃料电池系统也可以有三个、四个甚至更多个并联的支路，每个支路中串联的燃料电池的个数可以相等，也可以不等。
[0026]同一支路上，串联电流相等，电压为各燃料电池的电压之和，4个串联燃料电池连接到一个DC/DC模块输入端，保证DC/DC模块升压比控制在较小值，提高电
‑
电转化效率；DC/DC模块主要是升压和稳压作用，升压是由于燃料电池的输出功率达不到车辆的使用需求，燃料电池单体串联太多会出现不均衡，导致性能下降，所以燃料电池厂家设置的输出电压比较低，需要进行升压；稳压是由于燃料电池的输出特性很软，电流增大会让电压迅速下降，因此燃料电池与DC/DC模块需要配合使用。
[0027]并联支路保证车辆的功率需求，同时提高车辆的供电可靠性；在每个燃料电池的两端并联有旁路隔离开关，以将燃料电池接入到燃料电池系统中进行供电或将燃料电池从燃料电池系统中切除，因此通过旁路隔离开关实现支路中任何一个燃料电池故障时，将故障燃料电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多燃料电池的混合动力系统，其特征在于，包括：动力电池，其连接到直流母线；燃料电池系统，其包括至少两个并联的支路，每个支路中串联有至少两个燃料电池，各支路分别通过一DC/DC模块连接到所述直流母线，每个燃料电池的两端并联有旁路隔离开关，所述旁路隔离开关用于将燃料电池接入到所述燃料电池系统中进行供电或将燃料电池从所述燃料电池系统中切除。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括并联的第一支路和第二支路，且每条支路串联有四个燃料电池。3.一种多燃料电池的混合动力系统的能量管理方法，其特征在于，应用于如权利要求1或2所述的混合动力系统，所述方法包括：获取混合动力系统当前的主状态值，所述主状态值表示混合动力系统在当前时刻的供电状态，所述供电状态由所述混合动力系统中可对外供电的电池形成的供电拓扑结构确定；在接收到高压启动指令后，按照所述主状态值对应的预设启动策略启动所述混合动力系统中的对应电池，并根据所述主状态值和车辆需求功率对所述混合动力系统已启动的电池进行能量管理。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述获取混合动力系统当前的主状态值，包括：获取动力电池的故障状态值Alarm_Bat；获取燃料电池系统的状态数FCs_Hstate，FCs_Hstate表示所述燃料电池系统中可对外供电的燃料电池的总个数；根据Alarm_Bat和FCs_Hstate确定混合动力系统的主状态值HBS_state。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述获取燃料电池系统的状态数FCs_Hstate，包括：分别识别每个燃料电池的故障状态，所述故障状态包括正常或故障；根据每个燃料电池的故障状态分别统计各支路的状态参考数FCs_Hstate_i_re，FCs_Hstate_i_re表示第i个支路中故障状态为正常的燃料电池的个数；根据各支路的状态参考数FCs_Hstate_i_re确定所述状态数FCs_Hstate。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据各支路的状态参考数FCs_Hstate_i_re确定所述状态数FCs_Hstate，包括：判断所述燃料电池系统连接的储氢系统是否故障；若储氢系统未故障，则判断各支路连接的DC/DC模块是否故障；将DC/DC模块未故障的支路的状态参考数FCs_Hstate_i_re赋值给所述支路的状态目标数FCs_Hstate_i，以及将DC/DC模块故障的支路的状态目标数FCs_Hstate_i置零，FCs_Hstate_i表示第i个支路中可对外供电的燃料电池的个数；根据各支路的状态目标数FCs_Hstate_i之和得到所述状态数FCs_Hstate。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在判断所述燃料电池系统连接的储氢系统是否故障之后，所述方法还包括：若储氢系统故障，则将所述燃料电池系统的状态数FCs_Hstate直接置零。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据Alarm_Bat和FCs_Hstate确定混合动力系统的主状态值HBS_state，包括：当Alarm_Bat表示动力电池正常，且FCs_Hstate等于M时，将主状态值HBS_state赋值为目标数值，其中，M为所述燃料电池系统中包含的燃料电池总个数，目标数值对应混合动力系统的正常供电状态；当Alarm_Bat表示动力电池正常，且FCs_Hstate∈[1，M
‑
1]时，将主状态值HBS_state赋值为第一数值，第一数值对应混合动力系统的混合供电状态；当Alarm_Bat表示动力电池正常，且FCs_Hstate等于0时，将主状态值HBS_state赋值为第二数值，第二数值对应混合动力系统的单动力电池供电状态；当Alarm_Bat表示动力电池故障，且FCs_Hstate等于M时，将主状态值HBS_state赋值为第三数值，第三数值对应混合动力系统的单燃料电池供电状态；当Alarm_Bat表示动力电池故障，且FCs_Hstate∈[M
’
，M
‑
1]时，将主状态值HBS_state赋值为第四数值，其中，M
’
为满足车辆最低供电要求的燃料电池基础个数，第四数值对应混合动力系统的单燃料电池故障供电状态；当Alarm_Bat表示动力电池故障，且FCs_Hstate∈[0,M
’
)时，将主状态值HBS_state赋值为第五数值，第五数值对应混合动力系统故障状态。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述按照所述主状态值对应的预设启动策略启动所述混合动力系统中的对应电池，包括：当HBS_state等于目标数值时，依次启动动力电池、燃料电池系统中的其中一条支路和DC/DC模块，并将所述DC/DC模块设置为电流源工作模式；当HBS_state等于第一数值时，依次启动动力电池、燃料电池系统中的其中一条支路和DC/DC模块，将燃料电池系统中的故障燃料电池通过旁路隔离开关从所述燃料电池系统中切除，并将所述DC/DC模块设置为电流源工作模式；当HBS_state等于第二数值时，启动动力电池；当HBS_state等于第三数值时，依次启动燃料电池系统和DC/DC模块，并将所述DC/DC模块设置为电压源工作模式；当HBS_state等于第四数值时，依次启动燃料电池系统和DC/DC模块，将燃料电池系统中的故障燃料电池通过旁路隔离开关从所述燃料电池系统中切除，并将所述DC/DC模块设置为电压源工作模式。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，启动燃料电池系统中的其中一条支路，包括：启动燃料电池系统并联的两条支路中正常燃料电池个数更少的一条支路。11.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩国鹏，裴春兴，冯轩，王艳琴，汪星华，刘楠，赵丽丽，
申请(专利权)人：中车唐山机车车辆有限公司，
类型：发明
国别省市：