[发明专利]一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法

说明书

本发明公开一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法，将燃料电池系统的功率输出作为控制方法的主体、储能系统作为机车峰值功率和快速加减载工况的补充，降低了混合动力系统对储能系统的功率要求，在同等机车功率的情况下能够减小储能系统的体积和重量，从而降低混合动力系统成本、提高混合动力系统应用价值。综合考虑司机控制器极位、机车运行工况、储能系统状态等多种因素进行燃料电池混合动力系统能量管理，能够更好地应对机车运用过程中突然出现的大功率、长时间的功率需求等情况，因此该方法能够满足机车运行过程中各种运行工况的动力需求，提高了燃料电池混合动力系统的工况适应性。

技术领域

本发明属于机车燃料电池技术领域，特别是涉及一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法。

背景技术

燃料电池系统由燃料电池、储氢系统及相关电气设备组成，通过氢气和氧气发生电化学反应将燃料中的化学能转换为电能和热，并结合变换器等相关电气设备为负载供能，具有发电效率高(40％～60％)、无污染、安全可靠、燃料补充速率快、续航时间长等特点，具有相当广泛的应用场景。质子交换膜电池(PEMFC)凭借其低温起动、快速起动的特性在车用燃料电池领域占有绝对的份额，在应用于机车车辆时，相对于传统内燃动力可实现机车无碳化、清洁化、低噪声化，能够有效解决传统内燃机车尾气排放(特别是隧道内)和运行噪音对相关人员的影响，改善作业条件、提高作业人员的舒适性。

此外，燃料电池系统由于其特性较软，对负载功率变化的响应较慢，因此在实际使用时往往需要储能系统、超级电容等具有快速调节输出功率能力的储能系统来辅助配合，补充燃料电池动力系统的瞬时响应能力，并且燃料电池系统在起动时需要外部电源提供空压机、水泵等辅助部件的用电，在起动后燃料电池系统自身输出电能后才能不依靠外部供电运行，因此燃料电池动力系统往往需要都搭配储能系统或超级电容等储能设备形成混合动力系统，其能量管理就成了一个关键的环节。

现有的管理方法中，以储能系统SOC为主进行燃料电池混合动力调车机车的能量管理，但该方法要求储能系统能够覆盖机车的全功率范围，对储能系统的功率要求较高，因此储能系统的体积重量较大，且控制方法单一，难以满足复杂的机车车辆运行工况。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法，将燃料电池系统的功率输出作为控制方法的主体、储能系统作为机车峰值功率和快速加减载工况的补充，综合考虑司机控制器极位、机车运行工况、储能系统状态等多种因素进行燃料电池混合动力系统的能量管理，降低混合动力系统对储能系统的要求，提高燃料电池混合动力系统的工况适应性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种机车用燃料电池混合动力系统能量管理方法，将燃料电池系统的功率输出作为控制主体、储能系统作为机车峰值功率和快速加减载工况的补充，综合附属因素包括司机控制器极位、机车运行工况和储能系统状态进行燃料电池混合动力系统能量管理：

在牵引状态下，机车需求功率主要由燃料电池系统提供，需求功率高于燃料电池额定功率时由储能系统进行补充；此外，面对燃料电池特性较软，燃料电池系统对机车需求功率的变化通过对多堆燃料电池功率控制和加减载方式进行响应，在响应不及时时由储能系统进行充放电快速调节；

在惰行或制动工况下，机车所需辅助功率由储能系统或再生制动能量提供，燃料电池系统则根据储能系统SOC状态控制输出功率为储能系统充电。

进一步的是，当牵引电机工作在电动机状态时，牵引电机提供牵引力，机车处于牵引工况，此时司机控制器处在牵引区域。

进一步的是，由于电力机车牵引特性在低速时为恒牵引力控制，机车在起动加速时，机车需求功率不断升高：若机车起动时燃料电池系统还未起动，则机车起动功率由储能系统单独提供；若燃料电池系统已起动，机车起动功率由燃料电池和储能系统共同提供，或燃料电池为储能系统和负载提供电能；