[实用新型]一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制系统

说明书

技术领域

本实用新型属于混合动力技术技术领域，尤其涉及一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制系统。

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系统为负载供电。

目前国内外已经将燃料电池混合动力系统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系统，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系统可灵活地组合成不同功率等级的燃料电池系统，有效降低燃料电池系统成本，此外，多个功率相对较小的燃料电池子系统组并联使用可提高燃料电池系统的可靠性。

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系统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系统的能量管理，无法有效实现燃料电池系统和蓄电池组的能量分配最优化，存在燃料电池系统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。

实用新型内容

为了克服现有技术方法的不足，本实用新型的目的在于提出一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制系统，能够保证系统安全可靠，同时减少系统能量损失；有效降低燃料电池系统成本，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，提高燃料电池系统效率，实现燃料经济性。

为实现以上目的，本实用新型采用技术方案是：一种基于燃料电池阵列的机车用混合动力控制系统，包括燃料电池系统、蓄电池组、机车牵引系统、主控制器、制动能量消耗系统和采集电路；

所述燃料电池系统输出端的直流母线分别连接至蓄电池组、机车牵引系统和制动能量消耗系统，所述主控器分别连接燃料电池系统、制动能量消耗系统和采集电路，所述采集电路设置在直流母线及直流母线的分支线路上。

进一步的是，所述燃料电池系统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系统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。

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系统，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系统的成本，提高燃料电池系统的利用率，减少资源浪费。

进一步的是，所述机车牵引系统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。

进一步的是，所述制动能量消耗系统包括多组制动单元，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系统之间的直流母线上；检测系统工作状态，并将数据反送至主控制器中。

采用本技术方案的有益效果：

本实用新型所提出的系统拓扑结构相对简单，燃料电池系统和蓄电池系统并联为机车牵引系统提供能量，而制动能量消耗系统可配合蓄电池组进行制动能量的安全回收，保证系统安全可靠，同时减少系统能量的损失；

此外，本实用新型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；并且通过燃料电池系统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，提高燃料电池系统的效率，实现燃料经济性。

附图说明