一种氢能火车配置的方法与流程

本发明涉及一种氢能火车配置的方法，属于氢能领域。

背景技术：

1、当今，碳排放带来的全球气候问题越来越受到重视，相比于传统的化石能源，氢的燃烧产物只有水，不会带来任何碳排放以及其他污染物。另外，氢的能量密度高于化石燃料，且燃料电池的效率也远高于内燃机。同时，氢能还是一种可再生能源，可与电能相互转化，其产量可控，不容易受到国际政治因素的影响，是一种十分有潜力且可靠的燃料资源。目前，在氢能汽车领域已有大量的尝试，然而，氢气储备与氢气输送等问题很大程度上限制了氢能汽车的续航能力。

2、铁路运输是一种可靠、高效且低成本的运输方式。相比汽车，火车有更大的空间可以用于储存氢，特别是储存液态氢而不是氢气时。当氢能与火车结合时，将不再有氢能汽车所面对的低续航能力问题。另外，氢能机车结构上与柴电机车相似，完全可以由已有的柴电机车改装而成，节约制造成本。由于氢燃料电池需要使用氢气，而为了长途运输的需要火车上运载的氢燃料储备最好为液态，火车的配置方法需要解决如何安全有效地携带运输氢、将液态氢转化为氢气、并送至氢燃料电池中。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种氢能火车配置的方法，对液氢的运载与使用能够很好地解决使用氢气运载不便，续航能力差的问题。

2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明为一种氢能火车配置的方法，其包含一组电牵引力马达、第一和第二燃料电池电源模块以通过氢气与空气的反应提供牵引力所需电力、一个热交换系统、一个空气系统为燃料电池提供空气、一个冷却系统以冷却燃料电池发电机、用于存储燃料电池发电机所产生的电能的一组电池、一个电子流程系统、以及储存大量液氢的储罐车与相应的输氢装置。该方法包括以下流程的执行：

3、1)接收向牵引力马达的一定能量请求；

4、2)确定产生请求能量所需的电流；

5、3)将所需电流分配给第一和第二燃料电池电源模块；

6、4)确定供给第一及第二燃料电池电源模块所需的空气质量流量以产生相应部分的所需电流；

7、5)使用压缩机向第一和第二燃料电池电源模块提供所需空气质量流以产生相应部分的所需电流；

8、6)利用第一及第二静态控制阀平衡通过第一和第二燃料电池的空气质量流量；

9、7)为冷却液通路中的散热器设定散热器风扇速度，该冷却液通路为选定的燃料电池的一个冷却出口和选定燃料电池的冷却入口间提供冷却流，从而控制散热器冷却出口温度；

10、8)通过选定燃料电池冷却出口和选定燃料电池冷却入口间的分流液体通路，有选择性地分流一部分冷却器周围的冷却流，以控制选定燃料电池冷却出口的温度；

11、9)通过直流到直流转换器系统控制从燃料电池发电机到电池的电能传递，该转换器系统包括耦合到燃料电池发电机的燃料电池总线接口的第一直流到直流转换器和耦合到电池总线接口的第二直流到直流转换器；

12、10)当氢气储罐中的压强小于一个设定值时，由液氢储罐车向位于机车的氢气罐输氢，直到储氢罐中的压强高于一个设定值时停止输氢。

13、作为优选，该方法更进一步包含以下流程：

14、1)测量冷却系统中散热器出口温度，散热器入口接收由燃料电池电源模块出口流出的冷却剂，并有选择性地向燃料电池电源模块入口提供冷却剂。

15、2)当散热器出口温度低于某个选定温度时，设置一个冷却器风扇并调整到预热温度。

16、3)当散热器出口温度高于某个选定温度时，基于燃料电池电源模块上的热负载在最小风扇速度和最大风扇速度之间进行线性插值以确定开环风扇速度。

17、4)测量散热器冷却剂出口温度，并且作为响应利用处理系统对开环风扇速度执行闭环校正以设置运行模式下的风扇速度。

18、作为优选，该方法更进一步包含以下流程：

19、1)测量燃料电池电源模块冷却入口处的冷却剂温度。

20、2)当燃料电池电源模块冷却入口处的冷却剂温度低于某个选定温度时，关闭一个散热器的出口阀门并打开一个分流阀以分流冷却液，从而使得从燃料电池电源模块冷却出口流出的冷却剂再流入燃料电池的冷却入口。

21、3)当燃料电池电源模块冷却入口处的冷却剂温度高于某个选定温度时，打开冷却器出口阀。

22、4)测量冷却器入口温度。

23、5)如果冷却器入口温度低于某个选定的燃料电池电源模块冷却入口温度时，打开分流阀。

24、6)如果冷却器入口温度高于某个选定的燃料电池电源模块冷却入口温度时，按冷却入口温度和电源模块入口设定点之差与冷却器入口温度和冷却器出口温度差比值的一定比例关小分流阀。

25、作为优选，燃料电池包含第一和第二两个电源模块，每个燃料电池模块包括一个静态控制阀以平衡第一和第二燃料电池电源模块的空气流动。该方法进一步包含与系统处理器一起执行：

26、1)确定一个所需电流；

27、2)从所需电流确定第一和第二电源模块中的对应化学计量比；

28、3)将一部分所需电流分配给第一和第二电源模块；

29、4)根据相应分配电流、相应静态设置点，为第一和第二电源模块分别确定一个空气质量流量设置点；

30、5)根据测量到的电源模块的空气质量流量与测量到的第一和第二电源模块的空气质量流量的总和的比率确定空气质量流量设定点；

31、6)对于第一和第二电源模块，分别从测量到的电源模块的空气质量流量与测量的第一和第二电源模块的空气质量流量的总和的比率确定过程变量；

32、7)对于第一和第二电源模块，分别用相应的过程变量校正相应的空气质量流量设定点以生成一个命令来指挥所选电源模块的静态阀打开或关闭。

33、作为优选，该机车包含一组用于存储电源模块产生电力的电池、电气设备和一个用于电源模块与电池和电气设备连接的直流/直流交换器。该方法进一步包含用处理器执行：

34、1)在启动模式下，通过中压总线将能量从电池传输到电气设备；

35、2)在行驶模式下，通过电池总线将能量从电源模块传输到电池，并从电源模块通过中压总线连接到设备；

36、3)在停机模式的初始阶段，通过中压总线将能量从电源模块传输到设备，在停机模式的后续阶段，通过中压总线将能量从电池传输到设备。

37、作为优选，包含与处理系统一起管理运行模式期间从电源模块提供给电池的电力，包含：

38、1)通过确定可从当前空气质量流向电源模块的电流来确定可从电源模块获得的总功率；

39、2)通过从可用功率总功率中减去中压总线上设备所需的功率来确定电池可用的净功率；

40、3)根据可用的净功率设置直流/直流转换器的设定点，用于控制从电源模块通过电池总线传输到电池的能量量。

41、作为优选，进一步包含为处理系统确定一个最大允许功率：

42、1)通过默认最大允许功率与功率因子的乘积计算来自电源模块的最大允许功率；

43、2)计算一个总允许功率，该功率为最大允许功率和所需功率中的最小值。

44、作为优选，进一步包含通过以下方法确定氢余量：

45、1)记录当前氢气储罐中最小氢气量与液态氢储罐车中液氢剩余量

46、2)根据燃料电池产生的电流以及氢气流入燃料电池的流量计算氢气消耗量

47、3)根据氢气使用量计算氢余量

48、作为优选，热交换系统进一步包含氢气热交换器和燃料电池冷却液热交换器，其中：

49、1)氢气热交换器为机车空调系统提供冷量，并进一步包含以下流程：

50、i.输氢装置中的低温氢气进入氢气热交换器，通过氢气热交换器后再流入氢气储罐；

51、ii.当机车内气温高于设定温度1℃时，打开一个分流阀，使空调液流入氢气热交换器；

52、iii.当机车内气温等于设定温度时，关闭分流阀；

53、2)冷却液热交换器为机车空调提供热量，并进一步包含以下流程：

54、i.冷却液由燃料电池冷却出口流出，经过冷却液热交换器并流入冷却器；

55、ii.当机车内气温低于设定温度1℃时，打开一个分流阀，使空调液流入冷却液热交换器；

56、iii.当机车内气温等于设定温度时，关闭分流阀。

57、作为优选，液氢储罐车进一步包含：

58、1)与机车相连；

59、2)一个双层外壁结构，两层中间为真空以保持其中液氢温度，防止泄露；

60、3)一个增压泵以提供输氢时所需的额外压强；

61、4)与输氢装置相连。

62、作为优选，输氢装置包含入口阀、液氢输送管、气化装置、氢气热交换器、液氢输送管加压泵、出口阀、压力表，其中：

63、1)入口阀与液氢储罐车的储氢罐以及液氢输送管1相连；

64、2)液氢输送管有一个双层外壁结构，两层中间为真空以保持其中液氢温度，防止泄露；

65、3)加压泵连接液氢输送管1和液氢输送管2；

66、4)气化装置与液氢输送管2相连，液态氢在气化装置内加热气化；

67、5)氢气输送管1位于机车与液氢储罐车之间；

68、6)氢气输送管1为一密封金属软管，以便于在火车的两节车厢之间输送氢气；

69、7)氢气输送管1具有双层外壁结构，两层中间为真空以保持其中低温氢气的温度；

70、8)氢气热交换器通过氢气输送管1与液态氢气化装置相连；

71、9)氢气热交换器通过氢气输送管2与出口阀相连；

72、10)出口阀与氢气输送管2和位于机车的氢气储罐相连。

73、作为优选，其中的气化装置包含：

74、1)一个有双层外壁的容器，两层中间为真空以防止与外界的热量交换；

75、2)一个加热器；

76、3)当容器中压强小于一个设定值时，打开加热器；

77、4)当容器中压强大于一个设定值时，关闭加热器。

78、作为优选，其中的液态氢气化装置可采用管式结构将氢气带有的冷量转移到空调冷却液中。

79、作为优选，进一步包含以下加氢流程：

80、1)当位于机车的氢气储罐中压强低于一个设定值时，输氢装置收到加氢请求；

81、2)入口阀开启；

82、3)加压泵开启；

83、4)出口阀开启；

84、5)当位于机车的氢气储罐中的压强高于一个设定值时，输氢装置收到一个停止加氢请求；

85、6)入口阀关闭；

86、7)位于液氢输送管中的液氢排空且加热器中压强稳定后，关闭出口阀；

87、8)关闭加压泵。

88、在本发明中，测量冷却系统中散热器出口温度，散热器入口接收由燃料电池电源模块出口流出的冷却剂，并有选择性地向燃料电池电源模块入口提供冷却剂；当散热器出口温度低于某个选定温度时，设置一个冷却器风扇并调整到预热温度；当散热器出口温度高于某个选定温度时，基于燃料电池电源模块上的热负载在最小风扇速度和最大风扇速度之间进行线性插值以确定开环风扇速度；测量散热器冷却剂出口温度，并且作为响应利用处理系统对开环风扇速度执行闭环校正以设置运行模式下的风扇速度。

89、在本发明中，测量燃料电池电源模块冷却入口处的冷却剂温度；当燃料电池电源模块冷却入口处的冷却剂温度低于某个选定温度时，关闭一个散热器的出口阀门并打开一个分流阀以分流冷却液，从而使得从燃料电池电源模块冷却出口流出的冷却剂再流入燃料电池的冷却入口；当燃料电池电源模块冷却入口处的冷却剂温度高于某个选定温度时，打开冷却器出口阀；测量冷却器入口温度；如果冷却器入口温度低于某个选定的燃料电池电源模块冷却入口温度时，打开分流阀；如果冷却器入口温度高于某个选定的燃料电池电源模块冷却入口温度时，按冷却入口温度和电源模块入口设定点之差与冷却器入口温度和冷却器出口温度差比值的一定比例关小分流阀。

90、在本发明中，燃料电池包含第一和第二两个电源模块，每个燃料电池模块包括一个静态控制阀以平衡第一和第二模块的空气流动。该方法进一步包含与系统处理器一起执行如下流程，确定一个所需电流；从所需电流确定第一和第二电源模块中的对应化学计量比；将一部分所需电流分配给第一和第二电源模块；根据相应分配电流、相应静态设置点，为第一和第二电源模块分别确定一个空气质量流量设置点；根据测量到的电源模块的空气质量流量与测量到的第一和第二电源模块的空气质量流量的总和的比率；对于第一和第二电源模块，分别从测量到的电源模块的空气质量流量与测量的第一和第二电源模块的空气质量流量的总和的比率确定过程变量；对于第一和第二电源模块，分别用相应的过程变量校正相应的空气质量流量设定点以生成一个命令来指挥所选电源模块的静态阀打开或关闭。

91、在本发明中，该机车包含一组用于存储燃料电池产生电力的电池、电气设备和一个用于电源模块与电池和电气设备连接的直流/直流交换器。该方法进一步包含用处理器执行如下流程，在启动模式下，通过中压总线将能量从电池传输到电气设备；在行驶模式下，通过电池总线将能量从电源模块传输到电池，并从电源模块通过中压总线连接到设备；在停机模式的初始阶段，通过中压总线将能量从电源模块传输到设备，在停机模式的后续阶段，通过中压总线将能量从电池传输到设备。与处理系统一起管理运行模式期间从电源模块提供给电池的电力，通过确定可从当前空气质量流向电源模块的电流来确定可从电源模块获得的总功率；通过从可用功率总功率中减去中压总线上设备所需的功率来确定电池可用的净功率；根据可用的净功率设置直流/直流转换器的设定点，用于控制从电源模块通过电池总线传输到电池的能量。为处理系统确定一个最大允许功率，方法如下，通过默认最大允许功率与功率因子的乘积计算来自电源模块的最大允许功率，计算一个总允许功率，该功率为最大允许功率和所需功率中的最小值。

92、在本发明中，该配置方法包含热交换系统，进一步包含氢气热交换器和燃料电池冷却液热交换器，其中氢气热交换器为火车空调系统提供冷量，并进一步包含以下流程，液氢储罐车出口流出的液氢经气化形成的低温氢气进入氢气热交换器，通过氢气热交换器后再流入氢气储罐；当机车内气温高于设定温度1℃时，打开一个分流阀，使空调液流入氢气热交换器；当火车内气温等于设定温度时，关闭分流阀。其中冷却液热交换器为机车空调提供热量，并进一步包含以下流程，冷却液由燃料电池电源模块冷却出口流出，经过冷却液热交换器并流入冷却器；当机车内气温低于设定温度1℃时，打开一个分流阀，使空调液流入冷却液热交换器；当机车内气温等于设定温度时，关闭分流阀。

93、在本发明中，该配置方法中的液氢储罐车包含：与机车相连；一个双层外壁结构，两层中间为真空以保持其中液氢温度，防止泄露；一个增压泵以提供输氢时所需的额外压强；与输氢装置相连。该输氢装置包含入口阀、液氢输送管、气化装置、氢气热交换器、液氢输送管加压泵、出口阀、压力表，其中入口阀与液氢储罐车的储氢罐以及液氢输送管1相连；液氢输送管有一个双层外壁结构，两层中间为真空以保持其中液氢温度，防止泄露；加压泵连接液氢输送管1和液氢输送管2；气化装置与液氢输送管2相连，液态氢在气化装置内加热气化；氢气热交换器通过氢气输送管1与液态氢气化装置相连；液态氢气化装置通过氢气输送管2与出口阀相连；出口阀与氢气输送管和位于机车的氢气储罐相连。其中的气化装置包含一个有双层外壁的容器，两层中间为真空以防止与外界的热量交换；一个加热器。当容器中压强小于一个设定值时，打开加热器；当容器中压强大于一个设定值时，关闭加热器。液态氢气化装置可采用管式结构将氢气带有的冷量转移到空调冷却液中。输氢装置包含以下加氢流程：(1)当位于机车的氢气储罐中压强低于一个设定值时，输氢装置收到加氢请求；(2)入口阀开启；(3)加压泵开启；(4)出口阀开启；(5)氢气输送管1位于机车与液氢储罐车之间；6)氢气输送管1为一密封金属软管，以便于在火车的两节车厢之间输送氢气；7)氢气输送管1具有双层外壁结构，两层中间为真空以保持其中低温氢气的温度；8)氢气热交换器通过氢气输送管1与液态氢气化装置相连；9)氢气热交换器通过氢气输送管2与出口阀相连；10)出口阀与氢气输送管2和位于机车的氢气储罐相连。

94、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

95、(1)提供了一种氢能火车的配置方案，该方案使用液态氢而非氢气作为火车的运载燃料，使得氢能火车的续航能力大幅增强。同时，由于液氢储存时的压强为一个大气压，相比于高压氢气，液氢在运输过程中更加安全可靠。(2)引入了一个从液氢储罐车到氢气储罐的输氢装置，解决了燃料电池需要使用氢气作为燃料而运输燃料为液氢的问题。该输氢装置采取先气化再输送至机车的方式，减少了输氢的成本也增加了输氢的安全性。(3)将液氢的多余冷量利用在机车的空调系统中，进一步减少能耗。