一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统设计方案，该设计方案适用于基于燃料电池/锂电池/超级电容的混合动力车辆的研发领域，尤其适用于混合动力机车的研发领域。
[0002]【背景技术】:
基于大功率PEMFC的混合动力机车是国内外正在研宄的热点。PEMFC利用氢气和空气通过电化学反应发电，产物只有水，做到了真正意义的零排放。同时，PEMFC是通过温和的电化学反应发电，不经过燃烧过程，系统电效率高达45~50%，比内燃机高出10个百分点以上，因而PEMFC发电系统在轨道交通领域有着巨大的应用前景。
[0003]城市有轨电车启动加速时牵引功率需求较大，为300~600kW，而匀速行驶时需求功率较小，仅需100~200kW，全路段平均功率需求更小，只有几十kW。这种功率需求模式非常适合构建PEMFC混合动力系统，由PEMFC发电系统提供电车全线运行所需能量，靠蓄电池或超级电容提供启动加速所需峰值功率需求，提高混合动力有轨电车的运行稳定性，增加续航里程。
[0004]对于混合动力有轨电车来说，其动力系统的设计是确保有轨电车稳定运行的关键。一般来讲，混合动力有轨电车动力系统涉及多套燃料电池发电系统、多套锂电池和超级电容系统、多个DC/DC变换器、储氢模块、列车硬线接口以及能量管理系统等部分组成，各部分之间网络连接和控制策略对整车的正常运行将具有关键作用。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，确有必要为所述燃料电池/锂电池/超级电容混合动力有轨电车动力系统提供一种能够适合有轨电车应用、满足实际需求、设计成本较低的方案。
[0006]本发明为了实现上述目的采用以下技术方案:
一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力系统，其特征在于:
动力系统能量管理单元:根据车辆不同工况和各子系统的反馈信息确定各能量源的功率分配策略，并通过动力系统网络将控制信号发送给各子系统，各子系统根据请求功率完成相关控制；
燃料电池子系统:根据能量管理单元发送来请求功率完成控制，使其输出功率满足要求，并向能量管理单元发送反馈信息；
超级电容和蓄电池子系统:根据控制信号分为启动/加速、匀速、制动/停车三种工况和SOC值判断超级电容和蓄电池的充放电状态。
[0007]上述技术方案中，燃料电池子系统包括燃料电池系统总控制器、电堆(燃料电池)及电堆内部控制器(燃料电池内部控制器)、单向DC/DC斩波器、电堆辅机系统(燃料电池辅机系统)；其中燃料电池总控制器向电堆内部控制器、单向DCDC斩波器发送控制指令，并且根据反馈信息控制电堆的辅机系统达到要求。
[0008]燃料电池辅机系统分为启动、正常运行、正常停机和紧急停机四种工况，并与燃料电池内部控制器保持通讯，向其发送请求电流。
[0009]电堆内部控制器，用于电堆本身的一些控制，燃料电池内部控制器根据接收到的请求电流，完成电堆内部阴阳极的压力的调整，并计算所需的空气流量等信息，发送至总控制器，协调工作，最终使整套燃料电池系统能够输出期望输出的功率。
[0010]上述技术方案中，动力系统能量管理单元如检测到某套燃料电池、超级电容、蓄电池发生故障，则将其切出供电总线，并对剩余各子系统重新进行能量分配，保障机车正常行驶。
[0011]上述技术方案中，动力系统能量管理单元将机车运行分为燃料电池启动、机车启动、机车加速、机车正常运行、机车制动、机车紧急制动、机车停车这几种工况，并根据超级电容和蓄电池子系统的SOC范围和燃料电池子系统的工作状态来分配燃料电池子系统和超级电容、蓄电池子系统输出功率。
[0012]上述技术方案中，超级电容和蓄电池子系统中将机车工况分为加速、正常运行和制动三种。
[0013]上述技术方案中，当工况处于燃料电池启动时，动力系统能量管理单元通过双向DC/DC控制器控制蓄电池子系统向燃料电池辅机系统供电，由燃料电池子系统总控制器逐级完成燃料电池辅机系统的启动；
在燃料电池子系统启动过程中随时检测燃料电池的工作状态，若燃料电池工作不正常，则停止启动；
当工况处于机车启动/加速时，动力系统能量管理单元根据接收到的加速命令计算总的能量需求，并逐级提高燃料电池子系统的功率请求，在此过程中控制超级电容和蓄电池子系统为放电状态，完成加速；当超级电容和蓄电池SOC值低于保护保护值时，控制双向DC/DC变换器将超级电容和蓄电池切出系统；
当工况处于机车正常运行、即近似匀速运行时，计算所需的总能量，并逐级提升燃料电池子系统的输出功率至大于需求功率，根据超级电容和蓄电池子系统的SOC值决定是否对其进行充电，当超级电容和蓄电池子系统的SOC值大于期望值上限后，逐级降低燃料电池子系统输出功率；
当工况处于机车制动/停车时，逐级降低燃料电池子系统的请求功率，并控制超级电容和蓄电池子系统为充电，以回收制动过程中产生的部分能量，此时根据超级电容和蓄电池子系统的SOC值来确定燃料电池是否进入最低功率输出或者待机状态；
当工况处于机车紧急急停时，首先控制燃料电池子系统输出断路器断开，并将电堆请求电流降低为零，同时停止储能装置对外的供能，但保留燃料电池冷却系统供电和控制系统供电。
[0014]上述技术方案中，在燃料电池辅机系统启动阶段，首先完成辅机系统控制供电，然后顺序完成冷却水变频器、散热风机变频器和空压机变频器的使能，确保燃料电池发电系统的有效散热，在此期间，由于电堆无法对外输电，其辅机功耗由与之输出并联的锂电池或超级电容供给，然后启动燃料电池子系统的燃料电池内部控制器，并启动供氢电磁阀，最后向燃料电池内部控制器发送最小请求电流；
在燃料电池辅机系统正常运行阶段，燃料电池子系统总控制器接收电堆内部控制器发来的冷却液流量请求、空气流量请求信号，结合外部实际工况实时调节散热风机变频器输出、冷却液变频器输出和空压机变频器输出；
在燃料电池辅机系统正常停机阶段，先将请求电流逐级递减至零，然后停止供氢，并启动氮气吹扫，然后依次将空压机变频器输出、散热风机变频器输出和冷却水泵变频器输出置零，之后按照正常启动的逆顺序关闭空压机、散热风机和冷却水泵变频器，最后依次关闭燃料电池内部控制器和辅机系统控制供电；
在燃料电池辅机系统故障停机阶段，如检测到故障信号有效，首先将燃料电池电堆输出主断路器切断，并将请求电流强制置零，然后按照正常停机顺序依次关闭相关系统。
[0015]上述技术方案中，当机车处于加速工况时，判断负载所需电流，如果超级电容实际SOC值大于期望SOC值，由超级电容放电；如果超级电容实际SOC值小于期望SOC值，且蓄电池SOC值大于期望SOC值，由蓄电池放电；如果超级电容和蓄电池SOC值均小于期望SOC值，则将二者切出供电总线；
当机车处于正常运行工况时，若超级电容和蓄电池的SOC值小于期望SOC值，则逐级提升燃料电池请求电流，使其输出功率大于实际电机需求功率，通过双向DC/DC变换器将超级电容和蓄电池切入总线进行充电，当超级电容或者蓄电池SOC值达到预期目标后，通过双向DC/DC变换器控制超级电容或者蓄电池处于放电状态或者缓慢充电状态。
[0016]当机车处于制动工况时，电机由电动机转为发电机，控制双向DC/DC系统将超级电容和蓄电池处于充电状态，回收总线电能，首先由超级电容回收，然后由蓄电池回收，如果此时制动输出功率仍大于超级电容和蓄电池所能回收的总和，则控制制动电阻投入。
[0017]因为本发明采用上述技术方案，因此具备以下有益效果:
该动力系统必须要保障动力系统能够稳定可靠地运行，同时也要对燃料电池/动力锂电池/进行保护，延长其使用寿命，提高燃料电池的利用效率；该动力