CN107244326A - 一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制***及方法，包括燃料电池***、蓄电池组、机车牵引***、主控制器、制动能量消耗***和采集电路；主控制器对***状态进行检测，通过分级控制，对***进行能量管理；所述燃料电池***和蓄电池组为所述机车牵引***提供能量，所述制动能量消耗***用于车制动能量的消耗。本发明能够保证***安全可靠，同时减少***能量损失；有效降低燃料电池***成本，避免资源浪费；维持蓄电池SOC，延长蓄电池使用寿命；同时优化燃料电池阵列中各燃料电池子单元的输出功率，提高燃料电池***效率，实现燃料经济性。

Description

一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制***及方法
技术领域
本发明属于混合动力技术领域，特别是涉及一种基于燃料电池阵列的机车用 混合动力控制***及方法。
背景技术
随着全球环境污染问题逐步加重，开发利用清洁能源已经成为了一种解决环 境问题的有效方式。在众多清洁能源中，氢能是一种具有高效、可靠、无污染和 安全等特点的能源，而且燃料电池作为氢能利用的一种典型应用实例，目前已被 广泛的研究。燃料电池能够高效的将氢能转换为电能为用电设备提供能量，但是 燃料电池对负载功率变化的跟随能力相对较弱，因此在许多应用中，燃料电池均 与储能设备组成混合动力***为负载供电。
目前国内外已经将燃料电池混合动力***广泛应用于各种应用，如：机车、 汽车、船舶、飞行器等。当前燃料电池机车中均使用大功率燃料电池并联组成燃 料电池***，若使用大功率燃料电池到不同功率等级的机车应用时会遇到功率等 级不品配等问题，造成资源浪费，因此，功率相对较小燃料电池子***可灵活地 组合成不同功率等级的燃料电池***，有效降低燃料电池***成本，此外，多个 功率相对较小的燃料电池子***组并联使用可提高燃料电池***的可靠性。
针对目前的燃料电池机车研究领域，将燃料电池阵列应用于机车的研究相对 较少，因此，针对燃料电池阵列混合动力***的能量管理方法相对较为简单且数 量较少。且现有的对于机车用的燃料电池阵列混合动力***的能量管理，无法有 效实现燃料电池***和蓄电池组的能量分配最优化，存在燃料电池***成本高且 燃料电池的效率低，造成资源浪费量较大，蓄电池使用寿命低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力 控制***及方法，能够保证***安全可靠，同时减少***能量损失；有效降低燃 料电池***成本，避免资源浪费；维持蓄电池SOC，延长蓄电池使用寿命；同时 优化燃料电池阵列中各燃料电池子单元的输出功率，提高燃料电池***效率，实 现燃料经济性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制***，包括燃料电池***、蓄 电池组、机车牵引***、主控制器、制动能量消耗***和采集电路；
所述燃料电池***输出端的直流母线分别连接至蓄电池组、机车牵引***和 制动能量消耗***，所述主控器分别连接燃料电池***、制动能量消耗***和采 集电路，所述采集电路设置在直流母线及直流母线的分支线路上；
所述主控制器对***状态进行检测，通过分级控制，对***进行能量管理； 所述燃料电池***和蓄电池组为所述机车牵引***提供能量，所述制动能量消耗 ***用于车制动能量的消耗。
进一步的是，所述燃料电池***包括多个相互并联的燃料电池子单元，所述 燃料电池子单元包括多个相互串联的燃料电池子模组，燃料电池子模组包括燃料 电池电堆、辅机设备和单向DC/DC变换器，所述辅机设备和单向DC/DC变换器分 别与燃料电池电堆连接，相邻燃料电池子模组中的单向DC/DC变换器相互串联， 相邻燃料电池子模组中的辅机设备相互并联后并联至燃料电池子单元的输出线 路上，所述各燃料电池子单元的输出线路并联连接后作为所述燃料电池***输出 端连接至直流母线；所述主控制器分别连接至每个所述单向DC/DC变换器。
进一步的是，所述燃料电池***包括n×m个燃料电池子单元，所述燃料电 池电堆中的燃料电池单体功率大于等于30Kw；n个串联的燃料电池子模组输出功 率及***状态保持一致，m个并联的燃料电池子单元输出功率根据优化结果而 定。
由于通过功率相对较小的燃料电池子模组可灵活地组合成不同功率等级的 燃料电池***，所以通过建立燃料电池子模组和燃料电池子单元的配置，可有效 降低燃料电池***的成本，提高燃料电池***的利用率，减少资源浪费。
进一步的是，所述机车牵引***包括多个机车牵引单元，所述机车牵引单元 包括相互连接的牵引逆变器和牵引电机；
所述制动能量消耗***包括多组制动单元，所述制动单元包括相互连接的斩 波器和制动电阻；所述主控制器分别连接至每个斩波器；通过斩波器和制动电阻 的配合，增强了制动能量的消耗效率。
进一步的是，所述主控制器实现两级控制包括***级控制和燃料电池模组级 控制。
进一步的是，所述主控制器对***中的能量进行分配包括：主控制器对燃料 电池***和蓄电池组的能量分配；主控制器通过控制蓄电池组进行能量回收；主 控制器通过控制制动能量消耗***进行能量消耗。
进一步的是，所述采集电路包括均连接至主控制器的电流采集电路Ⅰ、电压 采集电路、电流采集电路Ⅱ和电流采集电路Ⅲ；所述电流采集电路Ⅰ和电压采集 电路设置在所述直流母线上，所述电流采集电路Ⅱ设置在直流母线至蓄电池组的 分支线路上，所述电流采集电路Ⅲ设置在蓄电池组至机车牵引***之间的直流母 线上；检测***工作状态，并将数据反送至主控制器中。
另一方面，本发明还提供了一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制方 法，包括***级控制和燃料电池模组级控制。
进一步的是，所述***级控制包括步骤：
步骤1.1，***初始化；
设定***直流母线电压处于制动状态的阀值，设定燃料电池***单位时间内 功率变动极限值，设定蓄电池组的目标SOC值，设定蓄电池组最小充电电流值， 设定燃料电池子单元的最小输出功率，启动燃料电池***；
步骤1.2，检测机车牵引***是否处于制动状态；
若机车处于制动状态，则使燃料电池***的输出功率逐步逼近最小输出功率 值并且蓄电池组进行充电，根据蓄电池组的SOC计算当前荷电状态下蓄电池组的 最大充电功率，其次根据制动能量大小决定是否启动制动能量消耗***进行制动 能量消耗，执行完上述步骤，回到步骤1.2；若机车不处于制动状态，则进入步 骤1.3；
步骤1.3，检测燃料电池***当前输出功率与机车牵引***需求功率的差值 的绝对值是否大于设定极限值；
若大于，则根据机车牵引***变动情况，燃料电池***在约束条件内跟随机 车牵引***的功率变化；若燃料电池***输出功率仍小于机车牵引***功率，则 蓄电池组放电补偿；若燃料电池***输出功率仍大于机车牵引***功率，则蓄电 池组充电补偿；执行完上述步骤，回到步骤1.2；若不大于，则进入步骤1.4；
步骤1.4，检测蓄电池组的SOC是否大于目标值；
若蓄电池组的SOC大于目标值，则调整燃料电池***输出功率小于负载功 率，对蓄电池进行浅放电；
若蓄电池组的SOC小于目标值，则调整燃料电池***输出功率大于负载功 率，对蓄电池进行浅充电；
执行完上述步骤，回到步骤1.2。
进一步的是，由所述***级控制得到燃料电池***的目标输出功率，所述目 标输出功率为每一个燃料电池子单元输出功率的总和；由所述燃料电池模组级控 制对m个燃料电池子单元输出功率进行优化；
所述燃料电池模组级控制包括步骤：
步骤2.1：判定燃料电池***的目标输出功率是否小于最小输出功率；若是， 则使m个燃料电池子单元以最小输出功率输出；若否而进入步骤2.2；
步骤2.2：判定燃料电池***的目标输出功率值是否小于预设的第1个优化 功率点；若是，则使第2至第m个燃料电池子单元以最小输出功率输出，第2 至第m个燃料电池子单元输出功率总和为(m-1)倍的最小输出功率，而第1个燃 料电池子单元输出功率值为目标输出功率(m-1)倍的最小输出功率之差；若否， 则转入步骤2.3；
步骤2.3：判定燃料电池***的目标输出功率值是否小于预设的第2个优化 功率点；若是，则使第3至第m个燃料电池子单元以最小输出功率输出，而第1 和第2个燃料电池子单元输出功率通过基于燃料电池***效率的瞬时优化方法 得到，所述瞬时优化方法的目标为使燃料电池***效率最高；若否则，进入步骤 2.4；
步骤2.4：判定燃料电池***的目标输出功率值是否小于预设的第3个优化 功率点；
若是，则使第4至第m个燃料电池子单元以最小输出功率输出，而第1至第 3个燃料电池子单元输出功率需要通过基于燃料电池***效率的瞬时优化方法 得到，所述瞬时优化方法的目标为使燃料电池***效率最高；若否，则进入步骤 2.5；
步骤2.5:按照步骤2.3和步骤2.4，依次类推直至步骤2.m；
步骤2.m+1：判定燃料电池***的目标输出功率值是否小于预设的第m个优 化功率点；若是，第1至第m个燃料电池子单元输出功率需要通过基于燃料电池 ***效率的瞬时优化方法得到，所述瞬时优化方法的目标为使燃料电池***效率 最高；若否，则第1至第m个燃料电池子单元输出功率为目标输出功率除以m。
采用本技术方案的有益效果：
本发明所提出的***拓扑结构相对简单，燃料电池***和蓄电池***并联为 机车牵引***提供能量，而制动能量消耗***可配合蓄电池组进行制动能量的安 全回收，保证***安全可靠，同时减少***能量的损失；
此外，本发明所提出的控制方法在满足负载动态需求的前提下，能够维持蓄 电池SOC，延长蓄电池使用寿命；并且通过燃料电池***效率的瞬时优化方法对 燃料电池子单元的输出功率进行优化，提高燃料电池***的效率，实现燃料经济 性；
本发明专利提出了一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力***的控制方 法，在进行能量管理时分为两级控制：(1)***级控制主要控制燃料电池***和 蓄电池组的能量分配满足负载功率需求，同时进行制动能量的回收以及蓄电池 SOC的维持；(2)燃料电池***级控制主要控制燃料电池***中燃料电池子单元 的能量分配，目的在于提高燃料电池***的效率，实现燃料经济性。
附图说明
图1为本发明的一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制***的结构 示意图；
图2为本发明中***级控制的流程示意图；
图3为本发明中燃料电池模组级的流程示意图；
其中，010是燃料电池子模组，011是燃料电池电堆，012是辅机设备，013 是单向DC/DC变换器，020是电流采集电路Ⅰ，021是电压采集电路，022是电流 采集电路Ⅱ，023是电流采集电路Ⅲ，001是主控制器，030是蓄电池组，040是 机车牵引***，041是机车牵引单元，042是牵引逆变器，050是制动能量消耗系 统，051是斩波器，052制动电阻，060是燃料电池子单元，070是燃料电池***。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作 进一步阐述。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种基于燃料电池阵列的机车 用混合动力控制***，包括燃料电池***070、蓄电池组030、机车牵引***040、 主控制器001、制动能量消耗***050和采集电路；
所述燃料电池***070输出端的直流母线分别连接至蓄电池组030、机车牵 引***040和制动能量消耗***050，所述主控器分别连接燃料电池***070、 制动能量消耗***050和采集电路，所述采集电路设置在直流母线及直流母线的 分支线路上；
所述主控制器001对***状态进行检测，通过分级控制，对***进行能量管 理；所述燃料电池***070和蓄电池组030为所述机车牵引***040提供能量， 所述制动能量消耗***050用于车制动能量的消耗。
作为上述实施例的优化方案，所述燃料电池***070包括多个相互并联的燃 料电池子单元060，所述燃料电池子单元060包括多个相互串联的燃料电池子模 组010，燃料电池子模组010包括燃料电池电堆011、辅机设备012和单向DC/DC 变换器013，所述辅机设备012和单向DC/DC变换器013分别与燃料电池电堆011 连接，相邻燃料电池子模组010中的单向DC/DC变换器013相互串联，相邻燃料 电池子模组010中的辅机设备012相互并联后并联至燃料电池子单元060的输出 线路上，所述各燃料电池子单元060的输出线路并联连接后作为所述燃料电池系 统070输出端连接至直流母线；所述主控制器001分别连接至每个所述单向 DC/DC变换器013。
所述燃料电池***070包括n*m个燃料电池子单元060，所述燃料电池电堆 011中的燃料电池单体功率大于等于30Kw；n个串联的燃料电池子模组010输出 功率及***状态保持一致，m个并联的燃料电池子单元060输出功率根据优化结 果而定。
由于通过功率相对较小的燃料电池子模组010可灵活地组合成不同功率等 级的燃料电池***070，所以通过建立燃料电池子模组010和燃料电池子单元060 的配置，可有效降低燃料电池***070的成本，提高燃料电池***070的利用率， 减少资源浪费。
作为上述实施例的优化方案，所述机车牵引***040包括多个机车牵引单元 041，所述机车牵引单元041包括相互连接的牵引逆变器042和牵引电机；
所述制动能量消耗***050包括多组制动单元，所述制动单元包括相互连接 的斩波器051和制动电阻052；所述主控制器001分别连接至每个斩波器051； 通过斩波器051和制动电阻052的配合，增强了制动能量的消耗效率。
作为上述实施例的优化方案，所述主控制器001实现两级控制包括***级控 制和燃料电池模组级控制。
所述主控制器001对***中的能量进行分配包括：主控制器001对燃料电池 ***070和蓄电池组030的能量分配；主控制器001通过控制蓄电池组030进行 能量回收；主控制器001通过控制制动能量消耗***050进行能量消耗。
作为上述实施例的优化方案，所述采集电路包括均连接至主控制器001的电 流采集电路Ⅰ020、电压采集电路021、电流采集电路Ⅱ022和电流采集电路Ⅲ 023；所述电流采集电路Ⅰ020和电压采集电路021设置在所述直流母线上，所 述电流采集电路Ⅱ022设置在直流母线至蓄电池组030的分支线路上，所述电流 采集电路Ⅲ023设置在蓄电池组030至机车牵引***040之间的直流母线上；检 测***工作状态，并将数据反送至主控制器001中。
为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，本发明还提供了一种基于 燃料电池阵列的机车用混合动力控制方法，包括***级控制和燃料电池模组级控 制。
如图2所示，所述***级控制包括步骤1.1-1.4。
步骤1.1，***初始化；
设定***直流母线电压处于制动状态的阀值Uset和Uset_min，设定燃料电池系 统单位时间内功率变动极限值ΔPfcs_set，设定蓄电池组的目标SOC值SOCobj，设定 蓄电池组最小充电电流值Iset，设定燃料电池子单元的最小输出功率Pfcs_min，启动 燃料电池***。
步骤1.2，检测机车牵引***是否处于制动状态；
若机车处于制动状态，则使燃料电池***的输出功率逐步逼近最小输出功率Pfcs_min并且蓄电池组进行充电；
根据蓄电池组的SOC计算当前荷电状态下蓄电池组的最大充电功率，其次根 据制动能量大小决定是否启动制动能量消耗***进行制动能量消耗；
具体为，根据当前蓄电池组荷电状态计算蓄电池组的最大充电功率，根据直 流母线对蓄电池组进行充电；若蓄电池组充电过程中充电功率已经达到最大充电 功率，则启动制动能量消耗***；若机车退出蓄电池组充电状态则需满足3个条 件：⑴制动能量消耗***已经退出能量消耗过程；⑵母线电压值小于设定阀值电 压；⑶蓄电池组充电电流小于设定值，执行完上述步骤，若机车退出蓄电池充电 状态则回到步骤1.2，否则继续给蓄电池组充电，直至机车退出蓄电池充电状态 才回到步骤1.2；
执行完上述步骤，回到步骤1.2；
若机车不处于制动状态，则进入步骤1.3。
步骤1.3，检测燃料电池***当前输出功率与机车牵引***需求功率的差值 的绝对值是否大于设定极限值；
若大于，则根据机车牵引***变动情况，燃料电池***在约束条件内跟随机 车牵引***的功率变化；若燃料电池***输出功率仍小于机车牵引***功率，则 蓄电池组放电补偿；若燃料电池***输出功率仍大于机车牵引***功率，则蓄电 池组充电补偿；
具体分为两种情况：⑴燃料电池***当前输出功率与负载需求功率的差值大 于设定极限值，燃料电池***在约束条件内尽量跟随负载功率，蓄电池组对燃料 电池***输出功率的缺额进行放电补偿；⑵燃料电池***当前输出功率与负载需 求功率的差值不大于设定极限值，燃料电池***在约束条件内尽量跟随负载功 率，蓄电池组对燃料电池***输出功率的多余部分进行充电补偿；
执行完上述步骤，回到步骤1.2；
若不大于，则进入步骤1.4。
步骤1.4，检测蓄电池组的SOC是否大于目标值；
若蓄电池组的SOC大于目标值，则调整燃料电池***输出功率小于负载功 率，对蓄电池进行浅放电补偿功率缺额；
若蓄电池组的SOC小于目标值，则调整燃料电池***输出功率大于负载功 率，对蓄电池进行浅充电；
执行完上述步骤，回到步骤1.2。
由所述***级控制得到燃料电池***的目标输出功率Pfcs_all，所述目标输出 功率Pfcs_all为每一个燃料电池子单元输出功率的总和；由所述燃料电池模组级控 制对m个燃料电池子单元输出功率P1到Pm进行优化。
如图3所示，所述燃料电池模组级控制，包括以下m+1个步骤。
步骤2.1：判定燃料电池***的目标输出功率是否小于最小输出功率；若是， 则使m个燃料电池子单元以最小输出功率输出Pfcs_min，即P1到Pm均等于Pfcs_min；
而每个燃料电池子模组的输出功率由公式(1)得到：
若否而进入步骤2.2。
步骤2.2：判定燃料电池***的目标输出功率值是否小于预设的第1个优化 功率点；
若Pfcs_all<mPfcs_min+ΔPeff，则使第2至第m个燃料电池子单元以最小输出功率Pfcs_min输出，第2至第m个燃料电池子单元输出功率总和为(m-1)倍的最小输出功 率，即(m-1)Pfcs_min；而第1个燃料电池子单元输出功率值为目标输出功率(m-1) 倍的最小输出功率之差，即Pfcs_all-(m-1)Pfcs_min；每个燃料电池子模组的功率由(1) 式得到；
若否，则转入步骤2.3。
步骤2.3：判定燃料电池***的目标输出功率值是否小于预设的第2个优化 功率点；
若Pfcs_all<mPfcs_min+2ΔPeff，则使第3至第m个燃料电池子单元以最小输出功率Pfcs_min输出，而第1和第2个燃料电池子单元输出功率通过基于燃料电池***效 率的瞬时优化方法得到，所述瞬时优化方法的目标为使燃料电池***效率最高； 每个燃料电池子模组的功率由(1)式得到；
若否则，进入步骤2.4；
其中，基于燃料电池阵列效率的瞬时优化方法具体为：
公式(2)中η函数为燃料电池子单元的效率函数，J为优化目标函数，Pfcs_max为燃料电池子单元最大输出功率。
步骤2.4：判定燃料电池***的目标输出功率值是否小于预设的第3个优化 功率点；
若是，则使第4至第m个燃料电池子单元以最小输出功率输出，而第1至第 3个燃料电池子单元输出功率需要通过基于燃料电池***效率的瞬时优化方法 得到，所述瞬时优化方法的目标为使燃料电池***效率最高；若否，则进入步骤 2.5。
步骤2.5:按照步骤2.3和步骤2.4，依次类推直至步骤2.m。
步骤2.4至步骤2.m的优化过程类似，取其中步骤2.k+1说明优化方法，k+1 值大于等于4且小于等于m；
步骤2.k+1：判定燃料电池***的目标输出功率是否小于第k个优化功率点；
若Pfcs_all<mPfcs_min+kΔPeff，则使第k+1至第m个个燃料电池子单元输出最小功 率Pfcs_min，第1至第k个燃料电池子单元输出功率由以下基于燃料电池阵列效率 的瞬时优化方法得到：
公式(3)中ηk-1函数为k-1个燃料电池子单元并联后的效率函数，Pc(k-1)为 k-1个燃料电池子单元输出功率之和；
根据公式(3)得到Pc(k-1)和Pk的值，则P1到Pk-1由公式(4)得到
每个燃料电池子模组的功率由(1)式得到；若否而进入步骤k+2。
步骤2.m+1：判定燃料电池***的目标输出功率值是否小于预设的第m个优 化功率点；
若Pfcs_all<mPfcs_min+mΔPeff，第1至第m个燃料电池子单元输出功率需要通过基 于燃料电池***效率的瞬时优化方法得到，所述瞬时优化方法的目标为使燃料电 池***效率最高；其优化过程与步骤2.k+1类似；
若否，则第1至第m个燃料电池子单元输出功率为目标输出功率除以m。由 公式(5)得到：
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的 技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有 各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求 保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制***，其特征在于，包括燃料电池***(070)、蓄电池组(030)、机车牵引***(040)、主控制器(001)、制动能量消耗***(050)和采集电路；
所述燃料电池***(070)输出端的直流母线分别连接至蓄电池组(030)、机车牵引***(040)和制动能量消耗***(050)，所述主控器分别连接燃料电池***(070)、制动能量消耗***(050)和采集电路，所述采集电路设置在直流母线及直流母线的分支线路上；
所述主控制器(001)对***状态进行检测，通过分级控制，对***进行能量管理；所述燃料电池***(070)和蓄电池组(030)为所述机车牵引***(040)提供能量，所述制动能量消耗***(050)用于机车制动能量的消耗。
2.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制***，其特征在于，所述燃料电池***(070)包括多个相互并联的燃料电池子单元(060)，所述燃料电池子单元(060)包括多个相互串联的燃料电池子模组(010)，所述燃料电池子模组(010)包括燃料电池电堆(011)、辅机设备(012)和单向DC/DC变换器(013)，所述辅机设备(012)和单向DC/DC变换器(013)分别与燃料电池电堆(011)连接，相邻燃料电池子模组(010)中的单向DC/DC变换器(013)相互串联，相邻燃料电池子模组(010)中的辅机设备(012)相互并联后并联至燃料电池子单元(060)的输出线路上，所述各燃料电池子单元(060)的输出线路并联后作为所述燃料电池***(070)输出端连接至直流母线；所述主控制器(001)分别连接至每个所述单向DC/DC变换器(013)。
3.根据权利要求2所述的一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制***，其特征在于，所述燃料电池***(070)包括n×m个燃料电池子单元(060)，所述燃料电池电堆(011)中的燃料电池单体功率大于等于30Kw；n个串联的燃料电池子模组(010)输出功率与***状态保持一致，m个并联的燃料电池子单元(060)输出功率根据优化结果而定。
4.根据权利要求3所述的一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制***，其特征在于，所述机车牵引***(040)包括多个机车牵引单元(041)，所述机车牵引单元(041)包括相互连接的牵引逆变器(042)和牵引电机；所述制动能量消耗***(050)包括多组制动单元，所述制动单元包括相互连接的斩波器(051)和制动电阻(052)；所述主控制器(001)分别连接至每个斩波器(051)。
5.根据权利要求4所述的一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制***，其特征在于，所述主控制器(001)实现两级控制包括***级控制和燃料电池模组级控制。
6.根据权利要求5所述的一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制***，其特征在于，所述主控制器(001)对***中的能量进行分配包括：主控制器(001)对燃料电池***(070)和蓄电池组(030)的能量分配；主控制器(001)通过控制蓄电池组(030)进行能量回收；主控制器(001)通过控制制动能量消耗***(050)进行能量消耗。
7.根据权利要求6所述的一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制***，其特征在于，所述采集电路包括均连接至主控制器(001)的电流采集电路Ⅰ(020)、电压采集电路(021)、电流采集电路Ⅱ(022)和电流采集电路Ⅲ(023)；所述电流采集电路Ⅰ(020)和电压采集电路(021)设置在所述直流母线上，所述电流采集电路Ⅱ(022)设置在直流母线至蓄电池组(030)的分支线路上，所述电流采集电路Ⅲ(023)设置在蓄电池组(030)至机车牵引***(040)之间的直流母线上。
8.一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制方法，其特征在于，包括***级控制和燃料电池模组级控制。
9.根据权利要求8所述的一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制方法，其特征在于，所述***级控制包括步骤：
步骤1.1，***初始化；
设定***直流母线电压处于制动状态的阀值，设定燃料电池***单位时间内功率变动极限值，设定蓄电池组的目标SOC值，设定蓄电池组最小充电电流值，设定燃料电池子单元的最小输出功率，启动燃料电池***；
步骤1.2，检测机车牵引***是否处于制动状态；
若机车处于制动状态，则使燃料电池***的输出功率逐步逼近最小输出功率值并且蓄电池组进行充电，根据蓄电池组的SOC计算当前荷电状态下蓄电池组的最大充电功率，其次根据制动能量大小决定是否启动制动能量消耗***进行制动能量消耗，执行完上述步骤，回到步骤1.2；
若机车不处于制动状态，则进入步骤1.3；
步骤1.3，检测燃料电池***当前输出功率与机车牵引***需求功率的差值的绝对值是否大于设定极限值；
若大于，则根据机车牵引***变动情况，燃料电池***在约束条件内跟随机车牵引***的功率变化；若燃料电池***输出功率仍小于机车牵引***功率，则蓄电池组放电补偿；若燃料电池***输出功率仍大于机车牵引***功率，则蓄电池组充电补偿；执行完上述步骤，回到步骤1.2；
若不大于，则进入步骤1.4；
步骤1.4，检测蓄电池组的SOC是否大于目标值；
若蓄电池组的SOC大于目标值，则调整燃料电池***输出功率小于负载功率，对蓄电池进行浅放电；
若蓄电池组的SOC小于目标值，则调整燃料电池***输出功率大于负载功率，对蓄电池进行浅充电；
执行完上述步骤，回到步骤1.2。
10.根据权利要求9所述的一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制方法，其特征在于，
由所述***级控制得到燃料电池***的目标输出功率，所述目标输出功率为每一个燃料电池子单元输出功率的总和；
由所述燃料电池模组级控制对m个燃料电池子单元输出功率进行优化，燃料电池模组级控制包括步骤：
步骤2.1：判定燃料电池***的目标输出功率是否小于最小输出功率；若是，则使m个燃料电池子单元以最小输出功率输出；若否而进入步骤2.2；
步骤2.2：判定燃料电池***的目标输出功率值是否小于预设的第1个优化功率点；若是，则使第2至第m个燃料电池子单元以最小输出功率输出，第2至第m个燃料电池子单元输出功率总和为(m-1)倍的最小输出功率，而第1个燃料电池子单元输出功率值为目标输出功率(m-1)倍的最小输出功率之差；若否，则转入步骤2.3；
步骤2.3：判定燃料电池***的目标输出功率值是否小于预设的第2个优化功率点；若是，则使第3至第m个燃料电池子单元以最小输出功率输出，而第1和第2个燃料电池子单元输出功率通过基于燃料电池***效率的瞬时优化方法得到，所述瞬时优化方法的目标为使燃料电池***效率最高；若否则，进入步骤2.4；
步骤2.4：判定燃料电池***的目标输出功率值是否小于预设的第3个优化功率点；
若是，则使第4至第m个燃料电池子单元以最小输出功率输出，而第1至第3个燃料电池子单元输出功率需要通过基于燃料电池***效率的瞬时优化方法得到，所述瞬时优化方法的目标为使燃料电池***效率最高；若否，则进入步骤2.5；
步骤2.5:按照步骤2.3和步骤2.4，依次类推直至步骤2.m；
步骤2.m+1：判定燃料电池***的目标输出功率值是否小于预设的第m个优化功率点；若是，第1至第m个燃料电池子单元输出功率需要通过基于燃料电池***效率的瞬时优化方法得到，所述瞬时优化方法的目标为使燃料电池***效率最高；若否，则第1至第m个燃料电池子单元输出功率为目标输出功率除以m。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108215894A (zh) * 2017-12-28 2018-06-29 同济大学 一种复合燃料电池电源***及控制方法
CN110843558A (zh) * 2019-11-28 2020-02-28 福州大学 一种优化燃料电池电-电混合电源***综合效率的方法
WO2020198774A1 (de) * 2019-04-02 2020-10-08 Mate Gmbh Schienenverfahrbare schienenbearbeitungsmaschine
CN111942234A (zh) * 2020-08-20 2020-11-17 中车大同电力机车有限公司 机车动力装置的控制方法、机车动力装置和机车
CN114274785A (zh) * 2021-12-15 2022-04-05 无锡江南智造科技股份有限公司 自动驾驶中长距离持续下坡制动的控制***及控制方法
US11552315B2 (en) 2020-12-31 2023-01-10 Industrial Technology Research Institute Control system and method of fuel cell stacks

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10223117A1 (de) * 2002-05-24 2003-12-04 Ballard Power Systems Verfahren und Anordnung zur Steuerung der Energieversorgung eines elektrischen Antriebs mit einem hybriden Energieversorgungssystem in einem Fahrzeug
WO2008073353A2 (en) * 2006-12-08 2008-06-19 Alternative Hybrid Locomotive Technologies Hybrid propulsion system and method
US20080277175A1 (en) * 2007-05-07 2008-11-13 Ise Corporation Fuel Cell Hybrid-Electric Heavy-Duty Vehicle Drive System and Method
US20100133029A1 (en) * 2009-09-24 2010-06-03 Ise Corporation System and Method for Initiating Operation of a Fuel Cell Hybrid Vehicle
CN101855764A (zh) * 2007-11-14 2010-10-06 戴姆勒股份公司 用于机动车辆的燃料电池驱动***
US20100275810A1 (en) * 2009-05-01 2010-11-04 Barbee Gibson V battery-powered all-electric locomotive and related locomotive and train configurations
CN103121453A (zh) * 2013-03-14 2013-05-29 永济新时速电机电器有限责任公司 燃料电池机车
US20130167752A1 (en) * 2009-05-01 2013-07-04 Gibson V. Barbee Battery-Powered All-Electric and/or Hybrid Locomotive and Related Locomotive and Train Configurations
CN104786862A (zh) * 2015-04-15 2015-07-22 西南交通大学 一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力***
CN105904976A (zh) * 2016-04-28 2016-08-31 西南交通大学 一种燃料电池混合动力机车能量管理***
CN106828126A (zh) * 2017-03-09 2017-06-13 西南交通大学 一种有轨电车的混合动力能量管理***及控制方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10223117A1 (de) * 2002-05-24 2003-12-04 Ballard Power Systems Verfahren und Anordnung zur Steuerung der Energieversorgung eines elektrischen Antriebs mit einem hybriden Energieversorgungssystem in einem Fahrzeug
WO2008073353A2 (en) * 2006-12-08 2008-06-19 Alternative Hybrid Locomotive Technologies Hybrid propulsion system and method
US20080277175A1 (en) * 2007-05-07 2008-11-13 Ise Corporation Fuel Cell Hybrid-Electric Heavy-Duty Vehicle Drive System and Method
CN101855764A (zh) * 2007-11-14 2010-10-06 戴姆勒股份公司 用于机动车辆的燃料电池驱动***
US20100275810A1 (en) * 2009-05-01 2010-11-04 Barbee Gibson V battery-powered all-electric locomotive and related locomotive and train configurations
US20130167752A1 (en) * 2009-05-01 2013-07-04 Gibson V. Barbee Battery-Powered All-Electric and/or Hybrid Locomotive and Related Locomotive and Train Configurations
US20100133029A1 (en) * 2009-09-24 2010-06-03 Ise Corporation System and Method for Initiating Operation of a Fuel Cell Hybrid Vehicle
CN103121453A (zh) * 2013-03-14 2013-05-29 永济新时速电机电器有限责任公司 燃料电池机车
CN104786862A (zh) * 2015-04-15 2015-07-22 西南交通大学 一种多套燃料电池、多套储能装置协调工作的混合动力***
CN105904976A (zh) * 2016-04-28 2016-08-31 西南交通大学 一种燃料电池混合动力机车能量管理***
CN106828126A (zh) * 2017-03-09 2017-06-13 西南交通大学 一种有轨电车的混合动力能量管理***及控制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李奇: "质子交换膜燃料电池***建模及其控制方法研究", 《中国优秀博士论文期刊工程科技Ⅰ辑》 *
韩庆军等: "氢燃料电池有轨电车结构设计及控制方法研究", 《机车电传动》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108215894A (zh) * 2017-12-28 2018-06-29 同济大学 一种复合燃料电池电源***及控制方法
WO2020198774A1 (de) * 2019-04-02 2020-10-08 Mate Gmbh Schienenverfahrbare schienenbearbeitungsmaschine
US11498423B2 (en) 2019-04-02 2022-11-15 Mate Gmbh Rail treatment machine able to be moved on rails
CN110843558A (zh) * 2019-11-28 2020-02-28 福州大学 一种优化燃料电池电-电混合电源***综合效率的方法
CN110843558B (zh) * 2019-11-28 2021-03-30 福州大学 一种优化燃料电池电-电混合电源***综合效率的方法
CN111942234A (zh) * 2020-08-20 2020-11-17 中车大同电力机车有限公司 机车动力装置的控制方法、机车动力装置和机车
US11552315B2 (en) 2020-12-31 2023-01-10 Industrial Technology Research Institute Control system and method of fuel cell stacks
CN114274785A (zh) * 2021-12-15 2022-04-05 无锡江南智造科技股份有限公司 自动驾驶中长距离持续下坡制动的控制***及控制方法

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