CN108340788A - 一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***及方法，包括燃料电池供电回路、锂离子电池供电回路、超级电容供电回路、牵引逆变器、牵引电机、机械制动装置、控制***、直流母线和制动电阻。本发明在保证燃料电池混合动力对有轨电车负载的可靠供电的同时，实现最优制动及制动能量回收最大化；保证***制动性能前提下，实现回馈制动、能耗制动和机械制动联合的最优制动，尽可能地回收制动能量，提高燃料利用率，实现燃料经济性的目的，延长储能装置使用寿命，降低成本。

Description

一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***及方法
技术领域
本发明属于燃料电池混合动力技术领域，特别是涉及一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***及方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展，城市人口密集度和流动人口日益增加，现有的城市交通已不堪重负，交通不便利成为制约社会经济发展的一大因素，同时造成大中城市居民行车难坐车难的现象。私家车辆的增长，使交通更加拥堵，同时造成了大气污染和噪声污染。城市轨道交通车辆具有运输量大、行车速度快、舒适性好、建造成本低等优点，加之混合动力有轨电车采用燃料电池/蓄电池/超级电容驱动，清洁无污染，因此成为城市优先选择的交通工具。有轨电车不仅在发达国家的大都市得到广泛的应用，而且在新兴的发展中国家如中国、印度和巴西的大都市得到快速的应用，并凸显出城市轨道交通独具魅力的优势。截至2017年2月，中国共有大连、天津、上海、沈阳、长春、苏州、南京、广州、淮安、青岛10座城市开通运营了15条有轨电车线路，并且有40余座城市正在规划和设计有轨电车交通***，线路规划长度近6000km。随着城市轨道交通网络的快速发展及有轨电车相关技术的日趋成熟，城市交通运输***中的车辆本体制造技术、车辆和车站的自动化控制技术、城市轨道交通车辆调度和运行管理***的技术水平都得到了大幅度提升。人们在关注城市轨道交通车辆舒适性和自动化程度的同时，也逐渐意识到燃料电池混合动力有轨电车的环境效益和节能问题的重要性。
城市轨道交通车辆具有站间距离短、车辆运行密度高等特点，在频繁启动与制动的过程中会产生数量可观的制动能量，一般城市轨道交通车辆再生制动反馈能量占牵引吸收能量的40％-50％，此反馈比例与车辆的特性、线路特征息息相关。制动过程中产生的能量会使牵引网电压升高，若不采取任何吸收或消耗措施，将导致牵引网压超过规定值，造成其他供电设备的损坏。目前，我国城市轨道交通再生制动较多采用电阻制动，电阻制动设备简单、控制方法简单可靠，但电阻制动不仅造成能源的浪费，而且电阻耗能以热量的形式散发，造成通风散热能耗增加。若采用车载式电阻制动，造成机车自重变大等一系列不良影响。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***及方法，在保证燃料电池混合动力对有轨电车负载的可靠供电的同时，实现最优制动及制动能量回收最大化；保证***制动性能前提下，实现回馈制动、能耗制动和机械制动联合的最优制动，尽可能地回收制动能量，提高燃料利用率，实现燃料经济性的目的，延长储能装置使用寿命，降低成本。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***，包括燃料电池、燃料电池供电回路、锂离子电池、锂离子电池供电回路、超级电容、超级电容供电回路、牵引逆变器、牵引电机、机械制动装置、控制***、直流母线和制动电阻；
燃料电池供电回路，所述燃料电池供电回路的输入端与燃料电池相连，所述燃料电池供电回路的输出端与直流母线相连；所述燃料电池供电回路将电能从所述燃料电池供电回路单向传递电能；
锂离子电池供电回路，所述锂离子电池供电回路的第一端与锂离子电池相连，锂离子电池供电回路的第二端与所述燃料电池供电回路的输出端并联相连，从而连接至所述直流母线；所述锂离子电池供电回路双向传递电能；
超级电容供电回路，所述超级电容供电回路的第一端与超级电容相连，超级电容供电回路的第二端与所述燃料电池供电回路及锂离子电池供电回路的输出端并联相连，从而连接至所述直流母线；所述超级电容供电回路双向传递电能；
牵引逆变器，所述牵引逆变器的第一端连接至直流母线，所述牵引逆变器的第二端与牵引电机相连；所述牵引逆变器在不同状态下，将电能从牵引逆变器的第一端逆变后传送至牵引逆变器的第二端，或从牵引逆变器的第二端整流后回馈至牵引逆变器的第一端；
机械制动装置，连接至所述牵引电机；通过制动总泵将机械能转化成液压能，再通过制动轮缸将液压能转换成机械能，实现平稳制动，机械制动装置包括行车制动、驻车制动和应急制动三种工作状态；
制动电阻，连接至所述直流母线；
控制***，分别与所述燃料电池供电回路、锂离子电池供电回路、超级电容供电回路、牵引逆变器、制动电阻和机械制动装置的控制端相连。
进一步的是，所述控制***包括能量控制模块、制动控制模块和变频回馈制动模块；所述能量控制模块包括燃料电池功率控制单元、锂离子电池功率控制单元和超级电容功率控制单元；四平市制动控制模块包括机械制动装置控制单元；所述变频回馈制动模块包括牵引逆变器控制单元；
燃料电池功率控制单元，与所述燃料电池供电回路相连；通过检测所述燃料电池的状态，从而产生燃料电池状态的第一状态信号；
锂离子电池功率控制单元，与所述锂离子电池供电回路相连；通过检测所述锂离子电池的状态，从而产生锂离子电池状态的第二状态信号；
超级电容功率控制单元，与所述超级电容供电回路相连；通过检测所述超级电容的状态，从而产生所述超级电容状态的第三状态信号；
牵引逆变器控制单元，与所述牵引逆变器相连；通过检测牵引电机运行状态信号，从而产生所述牵引逆变器的控制信号；
机械制动装置控制单元，与所述机械制动装置相连；用于检测计算减速或制动时机车***所需制动力，从而产生所述机械制动装置的控制信号；
所述燃料电池功率控制单元、锂离子电池功率控制单元和超级电容功率控制单元相互连接，所述锂离子电池功率控制单元和所述超级电容功率控制单元分别将所述第二状态信号和第三状态信号传送给所述燃料电池功率控制单元；所述燃料电池功率控制单元将所述第一状态信号分别传送给所述锂离子电池功率控制单元和所述超级电容功率控制单元；所述燃料电池功率控制单元根据所述第一状态信号、第二状态信号和第三状态信号控制所述燃料电池供电回路传送的电能；所述锂离子电池功率控制单元根据所述第一状态信号和第二状态信号控制所述锂离子电池供电回路中的电能功率和传递方向；所述超级电容功率控制单元根据所述第一状态信号和第三状态信号控制所述超级电容供电回路中的电能功率和传递方向；所述机械制动装置控制单元根据所述第二状态信号、第三状态信号和牵引电机运行状态信号控制***中机械制动装置的投切。
进一步的是，还包括辅助供电电源；所述辅助供电电源从所述直流母线处获得电能，并给所述燃料电池功率控制单元、所述锂离子电池功率控制单元、所述超级电容功率控制单元、所述双向牵引逆变器控制单元和所述机械制动装置控制单元提供弱电。
进一步的是，所述燃料电池供电回路包括DC/DC变换器、第一开关、燃料电池电流检测电路、燃料电池电压检测电路和***输出电压检测电路：
DC/DC变换器，实现电压转换；
第一开关，连接于所述DC/DC变换器和所述燃料电池之间；
燃料电池电流检测电路，连接于所述DC/DC变换器和燃料电池之间，用于产生表示流经所述燃料电池的电流的第一电流信号；
燃料电池电压检测电路，连接于所述DC/DC变换器和燃料电池之间，用于产生表示所述燃料电池的电压的第一电压信号；
输出电压检测电路，与所述DC/DC变换器的输出端相连，用于产生表示所述燃料电池供电回路的输出端电压的第四电压信号；
所述燃料电池功率控制单元根据所述第一电流信号、所述第一电压信号和所述第四电压信号产生所述第一状态信号。
进一步的是，所述锂离子电池供电回路包括双向DC/DC变换器Ⅰ、第二开关、锂离子电池电压检测电路和锂离子电池电流检测电路；
双向DC/DC变换器Ⅰ，当所述锂离子电池处于充电状态时，所述双向DC/DC变换器Ⅰ将电能从所述锂离子电池供电回路的第二端传送至锂离子电池供电回路的第一端，为锂离子电池充电；当所述锂离子电池处于放电状态时，所述双向DC/DC变换器Ⅰ将电能从所述锂离子电池供电回路的第一端传送至锂离子电池供电回路的第二端，使所述锂离子电池放电；
第二开关，连接于所述双向DC/DC变换器Ⅰ和所述锂离子电池之间；
锂离子电池电压检测电路，与所述锂离子电池相连，用于检测所述锂离子电池的电压，并根据所述锂离子电池的电压产生第二电压信号；
锂离子电池电流检测电路，与所述锂离子电池相连，用于检测所述锂离子电池的电流，并根据所述锂离子电池的电流产生第二电流信号；
所述锂电池功率控制单元根据第二电流信号和第二电压信号产生所述第二状态信号。
进一步的是，所述超级电容供电回路包括双向DC/DC变换器Ⅱ、第三开关、超级电容电压检测电路和超级电容电流检测电路；
双向DC/DC变换器Ⅱ，当所述超级电容处于充电状态时，所述双向DC/DC变换器Ⅱ将电能从所述超级电容供电回路第二端传送至超级电容供电回路第一端，为超级电容充电；当所述超级电容处于放电状态时，所述双向DC/DC变换器Ⅱ将电能从所述超级电容供电回路第一端传送至超级电容供电回路第二端，使超级电容放电；
第三开关，连接于所述双向DC/DC变换器和所述超级电容之间；
超级电容电压检测电路，与所述超级电容相连，用于检测所述超级电容的电压，并根据所述超级电容的电压产生第三电压信号；
超级电容电流检测电路，与所述超级电容相连，用于检测所述超级电容的电流，并根据所述超级电容的电流产生第三电流信号；
所述超级电容功率控制单元根据第三电流信号和第三电压信号产生所述第三状态信号。
另一方面，本发明还提供了一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动方法，包括步骤：
步骤100，检测牵引电机运行的状态，并产生牵引电机运行状态信号；检测燃料电池的状态，并产生表示燃料电池状态的一状态信号；检测锂离子电池的状态，并产生表示锂离子电池状态的第二状态信号；检测超级电容的状态，并产生表示超级电容状态的第三状态信号；
步骤200，基于能量管理策略和制动控制策略，根据所述第一状态信号、第二状态信号和牵引电机运行状态信号控制锂离子电池供电回路中的电能功率和传递方向，根据所述第一状态信号、第三状态信号和牵引电机运行状态信号控制超级电容供电回路中的电能功率和传递方向，根据所述第一状态信号、所述第二状态信号、第三状态信号和牵引电机运行状态信号控制制动电阻的投切，根据所述牵引电机运行状态信号控制SVPWM波从而实现变频回馈制动，根据所述第一状态信号和牵引电机运行状态信号控制机械制动装置。
进一步的是，所述步骤200中，
根据所述第一电流信号和所述第一电压信号计算燃料电池的电荷状态值SOC；根据所述第一电流信号、所述第一电压信号和所述第三电压信号判断燃料电池的工作状态，通过改变DC/DC变换器的占空比实现对燃料电池的能量管理和运行保护；
根据所述第二电流信号和所述第二电压信号计算锂离子电池的电荷状态值SOC，根据该电荷状态值SOC判断锂离子电池的工作状态；
根据所述第三电流信号和所述第三电压信号计算超级电容的电荷状态值SOC，根据该电荷状态值SOC判断超级电容的工作状态；
根据牵引电机运行状态信号控制控制***中SVPWM发生器发出的SVPWM波，实现变频回馈制动；当所述牵引电机运行状态信号处于减速制动时，所述牵引逆变器控制单元根据牵引电机的转速控制SVPWM波，以控制牵引逆变器输出信号的频率，从而实现***变频回馈制动。
进一步的是，所述制动控制策略，包括步骤：
当牵引电机运行状态信号表示电机运行在制动状态、第二状态信号表示锂离子电池处于欠压状态和第三状态信号表示超级电容处于欠压状态，则电机回馈制动优先；若不满足制动需求，投入制动电阻，机械制动装置补充制动力需求缺额；
当牵引电机运行状态信号表示电机运行在制动状态、第二状态信号表示锂离子电池处于欠压状态和第三状态信号表示超级电容处于正常状态，则电机回馈制动优先；若不满足制动需求，投入制动电阻，机械制动装置补充制动力需求缺额；
当牵引电机运行状态信号表示电机运行在制动状态、第二状态信号表示锂离子电池处于正常状态和第三状态信号表示超级电容处于正常状态，则能耗制动优先；若不满足制动需求，机械制动装置投入补充制动力需求缺额。
进一步的是，所述能量管理策略，包括步骤：
当所述第一状态信号表示所述燃料电池处于正常状态且所述第二状态信号、第三状态信号分别表示所述锂离子电池、超级电容均处于欠压状态；则所述超级电容功率控制单元控制所述双向DC/DC变换器Ⅱ，以对超级电容充电；所述锂离子电池功率控制单元控制所述双向DC/DC变换器Ⅰ，以对锂离子电池充电；
当所述第一状态信号表示所述燃料电池处于正常状态且所述第二状态信号、第三状态信号分别表示所述锂离子电池、超级电容均处于正常状态；则所述锂离子电池功率控制单元控制第二开关或双向DC/DC变换器Ⅰ，以关闭锂离子电池；所述超级电容功率控制单元控制控制第三开关或双向DC/DC变换器Ⅱ，以关闭超级电容；
当所述第一状态信号表示所述燃料电池处于欠压状态且所述第二状态信号、第三状态信号分别表示所述锂离子电池、超级电容均处于正常状态；则所述锂离子电池功率控制单元控制所述双向DC/DC变换器Ⅰ将所述锂离子电池的电能传送至牵引电机，所述超级电容功率控制单元控制所述双向DC/DC变换器Ⅱ将所述超级电容的电能传送至牵引电机。
采用本技术方案的有益效果：
本发明保证***制动性能前提下，实现回馈制动、能耗制动和机械制动联合的最优制动，尽可能地回收制动能量，提高燃料利用率，实现燃料经济性的目的，延长储能装置使用寿命，降低成本；
本发明利用燃料电池电压检测电路和燃料电池电流检测电路实时监测燃料电池的输出电压电流，通过燃料电池功率控制单元实现对燃料电池的能量管理和运行保护，防止燃料电池运行在低压或过流状态，以免对燃料电池造成不可逆转的损害或降低其工作性能；
本发明中的锂离子电池功率控制单元能够实时监测锂离子电池的运行参数，预测锂离子电池，不仅能实现锂离子电池放电时的过流和低压保护，而且可以实现离子电池组自动充电管理，以维持锂离子电池组SOC动态平衡在一定的范围内，为制动能量回收留有余量；
本发明中的超级电容功率控制单元能够实时监测超级电容的运行参数，预测超级电容，不仅能实现超级电容放电时的过流和低压保护，而且可以实现超级电容自动充电管理，以维持超级电容SOC动态平衡在一定的范围内，为制动能量回收留有余量；
本发明牵引逆变器控制单元通过检测牵引电机运行状态信号，并根据驾驶指令，判断机车所需制动类型，与机械制动装置控制单元通信，以实现联合最优制动；
本发明具有高效率的DC/AC变换器，能够通过控制开关及频率实现牵引电机的启停及调速，通过控制SVPWM波实现牵引与制动回馈；具有高效率的DC/DC变换器，在能量管理策略的作用下，使燃料电池供电成为主要供电方式，锂离子电池、超级电容作为辅助供电和功率补偿，有利于实现制动能量回收最大化，延长离子电池组的使用寿命，节约燃料，增加续驶里程。
附图说明
图1为本发明的一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***的结构示意图；
图2为本发明实施例中一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***的拓扑结构示意图；
图3为本发明实施例中一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动方法的流程示意图。
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和图2所示，本发明提出了一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***，包括燃料电池、燃料电池供电回路、锂离子电池、锂离子电池供电回路、超级电容、超级电容供电回路、牵引逆变器、牵引电机、机械制动装置、控制***、直流母线和制动电阻；
燃料电池供电回路，所述燃料电池供电回路的输入端与燃料电池相连，所述燃料电池供电回路的输出端与直流母线相连；所述燃料电池供电回路将电能从所述燃料电池供电回路单向传递电能；
锂离子电池供电回路，所述锂离子电池供电回路的第一端与锂离子电池相连，锂离子电池供电回路的第二端与所述燃料电池供电回路的输出端并联相连，从而连接至所述直流母线；所述锂离子电池供电回路双向传递电能；
超级电容供电回路，所述超级电容供电回路的第一端与超级电容相连，超级电容供电回路的第二端与所述燃料电池供电回路及锂离子电池供电回路的输出端并联相连，从而连接至所述直流母线；所述超级电容供电回路双向传递电能；
牵引逆变器，所述牵引逆变器的第一端连接至直流母线，所述牵引逆变器的第二端与牵引电机相连；所述牵引逆变器在不同状态下，将电能从牵引逆变器的第一端逆变后传送至牵引逆变器的第二端，或从牵引逆变器的第二端整流后回馈至牵引逆变器的第一端；
机械制动装置，连接至所述牵引电机；通过制动总泵将机械能转化成液压能，再通过制动轮缸将液压能转换成机械能，实现平稳制动，机械制动装置包括行车制动、驻车制动和应急制动三种工作状态；
制动电阻，连接至所述直流母线；
控制***，分别与所述燃料电池供电回路、锂离子电池供电回路、超级电容供电回路、牵引逆变器、制动电阻和机械制动装置的控制端相连。
作为上述实施例的优化方案，所述控制***包括能量控制模块、制动控制模块和变频回馈制动模块；所述能量控制模块包括燃料电池功率控制单元、锂离子电池功率控制单元和超级电容功率控制单元；所述制动控制模块包括机械制动装置控制单元；所述变频回馈制动模块包括牵引逆变器控制单元；
燃料电池功率控制单元，与所述燃料电池供电回路相连；通过检测所述燃料电池的状态，从而产生燃料电池状态的第一状态信号；
锂离子电池功率控制单元，与所述锂离子电池供电回路相连；通过检测所述锂离子电池的状态，从而产生锂离子电池的状态的第二状态信号；
超级电容功率控制单元，与所述超级电容供电回路相连；通过检测所述超级电容的状态，从而产生超级电容状态的第三状态信号；
牵引逆变器控制单元，与所述牵引逆变器相连；通过速度检测单元检测牵引电机运行状态信号，从而产生所述牵引逆变器的控制信号；
机械制动装置控制单元，与所述机械制动装置相连；用于检测计算减速或制动时，机车***所需制动力，以及产生所述机械制动装置的控制信号；
所述燃料电池功率控制单元、锂离子电池功率控制单元和超级电容功率控制单元相互连接，所述锂离子电池功率控制单元和所述超级电容功率控制单元分别将所述第二状态信号和第三状态信号传送给所述燃料电池功率控制单元；所述燃料电池功率控制单元将所述第一状态信号分别传送给所述锂离子电池功率控制单元和所述超级电容功率控制单元；所述燃料电池功率控制单元根据所述第一状态信号、第二状态信号和第三状态信号控制所述燃料电池供电回路传送的电能；所述锂离子电池功率控制单元根据所述第一状态信号和第二状态信号控制所述锂离子电池供电回路中的电能功率和传递方向；所述超级电容功率控制单元根据所述第一状态信号和第三状态信号控制所述超级电容供电回路中的电能功率和传递方向；所述机械制动装置控制单元根据所述第二状态信号、第三状态信号和牵引电机运行状态信号控制***中机械制动装置的投切。
作为上述实施例的优化方案，还包括辅助供电电源，辅助供电电源从所述直流母线处获得电能，并给所述燃料电池功率控制单元、所述锂离子电池功率控制单元、所述超级电容功率控制单元、所述双向牵引逆变器控制单元和所述机械制动装置控制单元提供弱电。
作为上述实施例的优化方案，所述燃料电池供电回路包括DC/DC变换器、第一开关、燃料电池电流检测电路、燃料电池电压检测电路和***输出电压检测电路：
DC/DC变换器，实现电压转换；
第一开关，连接于所述DC/DC变换器和所述燃料电池之间；
燃料电池电流检测电路，连接于所述DC/DC变换器和燃料电池之间，用于产生表示流经所述燃料电池的电流的第一电流信号；
燃料电池电压检测电路，连接于所述DC/DC变换器和燃料电池之间，用于产生表示所述燃料电池的电压的第一电压信号；
输出电压检测电路，与所述DC/DC变换器的输出端相连，用于产生表示所述燃料电池供电回路的输出端电压的第四电压信号；
所述燃料电池功率控制单元根据所述第一电流信号、所述第一电压信号和所述第四电压信号产生所述第一状态信号。
所述锂离子电池供电回路包括双向DC/DC变换器Ⅰ、第二开关、锂离子电池电压检测电路和锂离子电池电流检测电路；
双向DC/DC变换器Ⅰ，当所述锂离子电池处于充电状态时，所述双向DC/DC变换器Ⅰ将电能从所述锂离子电池供电回路的第二端传送至锂离子电池供电回路的第一端，为锂离子电池充电；当所述锂离子电池处于放电状态时，所述双向DC/DC变换器Ⅰ将电能从所述锂离子电池供电回路的第一端传送至锂离子电池供电回路的第二端，使所述锂离子电池放电；
第二开关，连接于所述双向DC/DC变换器Ⅰ和所述锂离子电池之间；
锂离子电池电压检测电路，与所述锂离子电池相连，用于检测所述锂离子电池的电压，并根据所述锂离子电池的电压产生第二电压信号；
锂离子电池电流检测电路，与所述锂离子电池相连，用于检测所述锂离子电池的电流，并根据所述锂离子电池的电流产生第二电流信号；
所述锂电池功率控制单元根据第二电流信号和第二电压信号产生所述第二状态信号。
所述超级电容供电回路包括双向DC/DC变换器Ⅱ、第三开关、超级电容电压检测电路和超级电容电流检测电路；
双向DC/DC变换器Ⅱ，当所述超级电容处于充电状态时，所述双向DC/DC变换器Ⅱ将电能从所述超级电容供电回路第二端传送至超级电容供电回路第一端，为超级电容充电；当所述超级电容处于放电状态时，所述双向DC/DC变换器Ⅱ将电能从所述超级电容供电回路第一端传送至超级电容供电回路第二端，使超级电容放电；
第三开关，连接于所述双向DC/DC变换器和所述超级电容之间；
超级电容电压检测电路，与所述超级电容相连，用于检测所述超级电容的电压，并根据所述超级电容的电压产生第三电压信号；
超级电容电流检测电路，与所述超级电容相连，用于检测所述超级电容的电流，并根据所述超级电容的电流产生第三电流信号；
所述超级电容功率控制单元根据第三电流信号和第三电压信号产生所述第三状态信号。
为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图3所示，本发明还提供了一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动方法，包括步骤：
步骤100，检测牵引电机运行的状态，并产生牵引电机运行状态信号；检测燃料电池的状态，并产生表示燃料电池状态的一状态信号；检测锂离子电池的状态，并产生表示锂离子电池状态的第二状态信号；检测超级电容的状态，并产生表示超级电容状态的第三状态信号；
步骤200，基于能量管理策略和制动控制策略，根据所述第一状态信号、第二状态信号和牵引电机运行状态信号控制锂离子电池供电回路中的电能功率和传递方向，根据所述第一状态信号、第三状态信号和牵引电机运行状态信号控制超级电容供电回路中的电能功率和传递方向，根据所述第一状态信号、第二状态信号、第三状态信号和牵引电机运行状态信号控制制动电阻的投切，根据牵引电机运行状态信号控制SVPWM波从而实现变频回馈制动，根据所述第一状态信号和牵引电机运行状态信号控制机械制动装置。
作为上述实施例的优化方案，所述步骤200中，
根据所述第一电流信号和所述第一电压信号计算燃料电池的电荷状态值SOC；根据所述第一电流信号、所述第一电压信号和所述第三电压信号判断燃料电池的工作状态，通过改变DC/DC变换器的占空比实现对燃料电池的能量管理和运行保护；
根据所述第二电流信号和所述第二电压信号计算锂离子电池的电荷状态值SOC，根据该电荷状态值SOC判断锂离子电池的工作状态；
根据所述第三电流信号和所述第三电压信号计算超级电容的电荷状态值SOC，根据该电荷状态值SOC判断超级电容的工作状态；
根据牵引电机运行状态信号控制控制***中SVPWM发生器发出的SVPWM波，实现变频回馈制动；当所述牵引电机运行状态信号处于减速制动时，所述牵引逆变器控制单元根据牵引电机的转速控制SVPWM波，以控制牵引逆变器输出信号的频率，从而实现***变频回馈制动。
具体为，当所述燃料电池处于所述正常状态且当所述燃料电池的输出电压小于预设电压阈值时，所述燃料电池功率控制单元减小所述DC/DC变换器的占空比，以增加所述燃料电池的输出电压；当所述燃料电池的处于所述正常状态且当所述燃料电池的输出电流大于预设电流阈值时，所述燃料电池功率控制单元增加所述DC/DC变换器的占空比，以减小所述燃料电池的输出电流；当所述锂离子电池处于所述正常状态且当所述锂离子电池的输出电压小于预设电压阈值时，所述锂离子电池功率控制单元减小所述DC/DC变换器的占空比，以增加所述锂离子电池的输出电压；当所述锂离子电池的处于所述正常状态且当所述锂离子电池的输出电流大于预设电流阈值时，所述锂离子电池功率控制单元增加所述DC/DC变换器的占空比，以减小所述锂离子电池的输出电流。
作为上述实施例的优化方案，所述制动控制策略，包括步骤：
当牵引电机运行状态信号表示电机运行在制动状态、第二状态信号表示锂离子电池处于欠压状态和第三状态信号表示超级电容处于欠压状态，则电机回馈制动优先；若不满足制动需求，投入制动电阻，机械制动装置补充制动力需求缺额；
当牵引电机运行状态信号表示电机运行在制动状态、第二状态信号表示锂离子电池处于欠压状态和第三状态信号表示超级电容处于正常状态，则电机回馈制动优先；若不满足制动需求，投入制动电阻，机械制动装置补充制动力需求缺额；
当牵引电机运行状态信号表示电机运行在制动状态、第二状态信号表示锂离子电池处于正常状态和第三状态信号表示超级电容处于正常状态，则能耗制动优先；若不满足制动需求，机械制动装置投入补充制动力需求缺额。
所述能量管理策略，包括步骤：
当所述第一状态信号表示所述燃料电池处于正常状态且所述第二状态信号、第三状态信号分别表示所述锂离子电池、超级电容均处于欠压状态；则所述超级电容功率控制单元控制所述双向DC/DC变换器Ⅱ，以对超级电容充电；所述锂离子电池功率控制单元控制所述双向DC/DC变换器Ⅰ，以对锂离子电池充电；
当所述第一状态信号表示所述燃料电池处于正常状态且所述第二状态信号、第三状态信号分别表示所述锂离子电池、超级电容均处于正常状态；则所述锂离子电池功率控制单元控制第二开关或双向DC/DC变换器Ⅰ，以关闭锂离子电池；所述超级电容功率控制单元控制控制第三开关或双向DC/DC变换器Ⅱ，以关闭超级电容；
当所述第一状态信号表示所述燃料电池处于欠压状态且所述第二状态信号、第三状态信号分别表示所述锂离子电池、超级电容均处于正常状态；则所述锂离子电池功率控制单元控制所述双向DC/DC变换器Ⅰ将所述锂离子电池的电能传送至牵引电机，所述超级电容功率控制单元控制所述双向DC/DC变换器Ⅱ将所述超级电容的电能传送至牵引电机，为机车供电。
最优制动方法是通过复合制动控制***检测计算整列车的目标制动力，根据每车在整列车重中所占比例，按载重反比分配每车制动力。最优制动方法的制动控制方式采用动车电制动优先的控制原则，当电制动力小于目标制动力时，将制动力缺额按照各车载重实现反比分配。
所述的复合制动控制***根据所述的锂离子电池单元的第二状态信号、超级电容单元第三状态信号、车载荷信号及机车驾驶指令控制制动装置，以实现联合最优制动。
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)

1.一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***，其特征在于，包括燃料电池、燃料电池供电回路、锂离子电池、锂离子电池供电回路、超级电容、超级电容供电回路、牵引逆变器、牵引电机、机械制动装置、控制***、直流母线和制动电阻；
燃料电池供电回路，所述燃料电池供电回路的输入端与燃料电池相连，所述燃料电池供电回路的输出端与直流母线相连；所述燃料电池供电回路将电能从所述燃料电池供电回路单向传递电能；
锂离子电池供电回路，所述锂离子电池供电回路的第一端与锂离子电池相连，锂离子电池供电回路的第二端与所述燃料电池供电回路的输出端并联相连，从而连接至所述直流母线；所述锂离子电池供电回路双向传递电能；
超级电容供电回路，所述超级电容供电回路的第一端与超级电容相连，超级电容供电回路的第二端与所述燃料电池供电回路及锂离子电池供电回路的输出端并联相连，从而连接至所述直流母线；所述超级电容供电回路双向传递电能；
牵引逆变器，所述牵引逆变器的第一端连接至直流母线，所述牵引逆变器的第二端与牵引电机相连；所述牵引逆变器在不同状态下，将电能从牵引逆变器的第一端逆变后传送至牵引逆变器的第二端，或从牵引逆变器的第二端整流后回馈至牵引逆变器的第一端；
机械制动装置，连接至所述牵引电机；
制动电阻，连接至所述直流母线；
控制***，分别与所述燃料电池供电回路、锂离子电池供电回路、超级电容供电回路、牵引逆变器、制动电阻和机械制动装置的控制端相连。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***，其特征在于，所述控制***包括能量控制模块、制动控制模块和变频回馈制动模块；所述能量控制模块包括燃料电池功率控制单元、锂离子电池功率控制单元和超级电容功率控制单元；所述制动控制模块包括机械制动装置控制单元；所述变频回馈制动模块包括牵引逆变器控制单元；
燃料电池功率控制单元，与所述燃料电池供电回路相连；通过检测所述燃料电池的状态，从而产生燃料电池状态的第一状态信号；
锂离子电池功率控制单元，与所述锂离子电池供电回路相连；通过检测所述锂离子电池的状态，从而产生锂离子电池状态的第二状态信号；
超级电容功率控制单元，与所述超级电容供电回路相连；通过检测所述超级电容的状态，从而产生超级电容状态的第三状态信号；
牵引逆变器控制单元，与所述牵引逆变器相连；通过检测牵引电机运行状态信号，从而产生所述牵引逆变器的控制信号；
机械制动装置控制单元，与所述机械制动装置相连；通过速度检测单元检测计算减速或制动时机车***所需制动力，从而产生所述机械制动装置的控制信号；
所述燃料电池功率控制单元、锂离子电池功率控制单元和超级电容功率控制单元相互连接，所述锂离子电池功率控制单元和所述超级电容功率控制单元分别将所述第二状态信号和第三状态信号传送给所述燃料电池功率控制单元；所述燃料电池功率控制单元将所述第一状态信号分别传送给所述锂离子电池功率控制单元和所述超级电容功率控制单元；所述燃料电池功率控制单元根据所述第一状态信号、第二状态信号和第三状态信号控制所述燃料电池供电回路传送的电能；所述锂离子电池功率控制单元根据所述第一状态信号和第二状态信号控制所述锂离子电池供电回路中的电能功率和传递方向；所述超级电容功率控制单元根据所述第一状态信号和第三状态信号控制所述超级电容供电回路中的电能功率和传递方向；所述机械制动装置控制单元根据所述第二状态信号、第三状态信号和牵引电机运行状态信号控制***中机械制动装置的投切。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***，其特征在于，还包括辅助供电电源；辅助供电电源从所述直流母线处获得电能，并给所述燃料电池功率控制单元、所述锂离子电池功率控制单元、所述超级电容功率控制单元、所述双向牵引逆变器控制单元和所述机械制动装置控制单元提供弱电。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***，其特征在于，所述燃料电池供电回路包括DC/DC变换器、第一开关、燃料电池电流检测电路、燃料电池电压检测电路和***输出电压检测电路：
DC/DC变换器，实现电压转换；
第一开关，连接于所述DC/DC变换器和所述燃料电池之间；
燃料电池电流检测电路，连接于所述DC/DC变换器和燃料电池之间，用于产生表示流经所述燃料电池的电流的第一电流信号；
燃料电池电压检测电路，连接于所述DC/DC变换器和燃料电池之间，用于产生表示所述燃料电池的电压的第一电压信号；
输出电压检测电路，与所述DC/DC变换器的输出端相连，用于产生表示所述燃料电池供电回路的输出端电压的第四电压信号；
所述燃料电池功率控制单元根据所述第一电流信号、所述第一电压信号和所述第四电压信号产生所述第一状态信号。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***，其特征在于，所述锂离子电池供电回路包括双向DC/DC变换器Ⅰ、第二开关、锂离子电池电压检测电路和锂离子电池电流检测电路；
双向DC/DC变换器Ⅰ，当所述锂离子电池处于充电状态时，所述双向DC/DC变换器Ⅰ将电能从所述锂离子电池供电回路的第二端传送至锂离子电池供电回路的第一端，为锂离子电池充电；当所述锂离子电池处于放电状态时，所述双向DC/DC变换器Ⅰ将电能从所述锂离子电池供电回路的第一端传送至锂离子电池供电回路的第二端，使所述锂离子电池放电；
第二开关，连接于所述双向DC/DC变换器Ⅰ和所述锂离子电池之间；
锂离子电池电压检测电路，与所述锂离子电池相连，用于检测所述锂离子电池的电压，并根据所述锂离子电池的电压产生第二电压信号；
锂离子电池电流检测电路，与所述锂离子电池相连，用于检测所述锂离子电池的电流，并根据所述锂离子电池的电流产生第二电流信号；
所述锂电池功率控制单元根据第二电流信号和第二电压信号产生所述第二状态信号。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动***，其特征在于，所述超级电容供电回路包括双向DC/DC变换器Ⅱ、第三开关、超级电容电压检测电路和超级电容电流检测电路；
双向DC/DC变换器Ⅱ，当所述超级电容处于充电状态时，所述双向DC/DC变换器Ⅱ将电能从所述超级电容供电回路第二端传送至超级电容供电回路第一端，为超级电容充电；当所述超级电容处于放电状态时，所述双向DC/DC变换器Ⅱ将电能从所述超级电容供电回路第一端传送至超级电容供电回路第二端，使超级电容放电；
第三开关，连接于所述双向DC/DC变换器和所述超级电容之间；
超级电容电压检测电路，与所述超级电容相连，用于检测所述超级电容的电压，并根据所述超级电容的电压产生第三电压信号；
超级电容电流检测电路，与所述超级电容相连，用于检测所述超级电容的电流，并根据所述超级电容的电流产生第三电流信号；
所述超级电容功率控制单元根据第三电流信号和第三电压信号产生所述第三状态信号。
7.一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动方法，其特征在于，包括步骤：
步骤100，检测牵引电机运行的状态，并产生牵引电机运行状态信号；检测燃料电池的状态，并产生表示燃料电池状态的一状态信号；检测锂离子电池的状态，并产生表示锂离子电池状态的第二状态信号；检测超级电容的状态，并产生表示超级电容状态的第三状态信号；
步骤200，基于能量管理策略和制动控制策略，根据所述第一状态信号、第二状态信号和牵引电机运行状态信号控制锂离子电池供电回路中的电能功率和传递方向，根据所述第一状态信号、第三状态信号和牵引电机运行状态信号控制超级电容供电回路中的电能功率和传递方向，根据所述第一状态信号、第二状态信号、第三状态信号和牵引电机运行状态信号控制制动电阻的投切，根据所述牵引电机运行状态信号控制SVPWM波从而实现变频回馈制动，根据所述第一状态信号和牵引电机运行状态信号控制机械制动装置。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动方法，其特征在于，所述步骤200中，
根据所述第一电流信号和所述第一电压信号计算燃料电池的电荷状态值SOC；根据所述第一电流信号、所述第一电压信号和所述第三电压信号判断燃料电池的工作状态，通过改变DC/DC变换器的占空比实现对燃料电池的能量管理和运行保护；
根据所述第二电流信号和所述第二电压信号计算锂离子电池的电荷状态值SOC，根据该电荷状态值SOC判断锂离子电池的工作状态；
根据所述第三电流信号和所述第三电压信号计算超级电容的电荷状态值SOC，根据该电荷状态值SOC判断超级电容的工作状态；
根据牵引电机运行状态信号控制控制***中SVPWM发生器发出的SVPWM波，实现变频回馈制动；当所述牵引电机运行状态信号处于减速制动时，所述牵引逆变器控制单元根据牵引电机的转速控制SVPWM波，以控制牵引逆变器输出信号的频率，从而实现***变频回馈制动。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动方法，其特征在于，所述制动控制策略，包括步骤：
当牵引电机运行状态信号表示电机运行在制动状态、第二状态信号表示锂离子电池处于欠压状态和第三状态信号表示超级电容处于欠压状态，则电机回馈制动优先；若不满足制动需求，投入制动电阻，机械制动装置补充制动力需求缺额；
当牵引电机运行状态信号表示电机运行在制动状态、第二状态信号表示锂离子电池处于欠压状态和第三状态信号表示超级电容处于正常状态，则电机回馈制动优先；若不满足制动需求，投入制动电阻，机械制动装置补充制动力需求缺额；
当牵引电机运行状态信号表示电机运行在制动状态、第二状态信号表示锂离子电池处于正常状态和第三状态信号表示超级电容处于正常状态，则能耗制动优先；若不满足制动需求，机械制动装置投入补充制动力需求缺额。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池混合动力有轨电车联合制动方法，其特征在于，所述能量管理策略，包括步骤：
当所述第一状态信号表示所述燃料电池处于正常状态且所述第二状态信号、第三状态信号分别表示所述锂离子电池、超级电容均处于欠压状态；则所述超级电容功率控制单元控制所述双向DC/DC变换器Ⅱ，以对超级电容充电；所述锂离子电池功率控制单元控制所述双向DC/DC变换器Ⅰ，以对锂离子电池充电；
当所述第一状态信号表示所述燃料电池处于正常状态且所述第二状态信号、第三状态信号分别表示所述锂离子电池、超级电容均处于正常状态；则所述锂离子电池功率控制单元控制第二开关或双向DC/DC变换器Ⅰ，以关闭锂离子电池；所述超级电容功率控制单元控制控制第三开关或双向DC/DC变换器Ⅱ，以关闭超级电容；
当所述第一状态信号表示所述燃料电池处于欠压状态且所述第二状态信号、第三状态信号分别表示所述锂离子电池、超级电容均处于正常状态；则所述锂离子电池功率控制单元控制所述双向DC/DC变换器Ⅰ将所述锂离子电池的电能传送至牵引电机，所述超级电容功率控制单元控制所述双向DC/DC变换器Ⅱ将所述超级电容的电能传送至所述牵引电机。
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