一种基于千瓦级燃料电池的有轨电车用混合动力系统的制作方法

本实用新型属于混合动力系统技术领域，尤其涉及一种基于千瓦级燃料电池的有轨电车用混合动力系统。

背景技术：

化石燃料的大量使用造成环境污染严重，另外随着化石能源的大力开采，传统能源日益减少，对新能源的开发和利用受到各个国家的高度重视。在众多新能源应用中，氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源和人类战略能源的发展方向，是车用新能源中最具潜力的优选对象。氢燃料电池是以氢气为燃料的能量转换装置，其主要有不受卡诺循环限制，工作温度低，能量转换效率高，噪声低、清洁、无污，染排放物只有水等显著优点，受到了世界各国的高度重视和大力资助。

针对由燃料电池/锂电池组成的混合动力系统，通过对负载功率需求和锂电池SOC状态的辨识，触发相应的控制策略，控制燃料电池输出满足负载和锂电池要求的功率。该方式虽然能提高蓄电池的使用寿命和氢能的利用率，但是该方式主要是以锂电池荷电状态为主，负载工况改变引起的状态切换会比较迟缓导致能量管理策略响应速度慢，不利于系统稳定。

现有的混合动力系统对负载提供能量的速度较慢，大大降低了系统响应负载的速度；且无法有效回收制动功率，大大浪费了制动功率，降低了燃料电池的利用率。

技术实现要素：

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千瓦级燃料电池的有轨电车用混合动力系统，能够保证系统能快速对负载供能，提高系统响应负载速度，能尽可能地回收制动功率，提高燃料利用率，实现燃料经济性的目的，延长蓄电池使用寿命，降低成本。

为实现以上目的，本实用新型采用技术方案是：一种基于千瓦级燃料电池的有轨电车用混合动力系统，包括燃料电池阵列发电系统、蓄电池供电储能系统、超级电容供电系统、电压电流采集电路、弱电供电单元和控制器；

燃料电池阵列发电系统，包括主要由燃料电池和与燃料电池级联的单向隔离型直直变换器组成的燃料电池发电单元，多个燃料电池发电单元相互串联或并联连接；所述燃料电池阵列发电系统的输出端分别连接至负载和制动电阻；制动电阻用于消耗系统多余的电能。

蓄电池供电储能系统，包括蓄电池和与蓄电池级联的双向隔离型直直变换器Ⅰ；所述蓄电池供电储能系统的输出端与燃料电池阵列发电系统的输出端相互并联；

超级电容供电系统，包括超级电容和与超级电容级联的双向隔离型直直变换器Ⅱ；所述超级电容供电系统的输出端与所述蓄电池供电储能系统的输出端相互并联；

电压电流采集电路，所述电压电流采集电路分别连接至所述燃料电池阵列发电系统中的每块燃料电池、蓄电池供电储能系统中的蓄电池和超级电容供电系统中超级电容；电压电流采集电路的通讯端连接至控制器；采集电压信号和电流信号，并将采集的电信号传输给控制器；

弱电供电单元，所述弱电供电单元的输入端与所述蓄电池供电储能系统的输出端相连，所述弱电供电单元的输出端与系统中所有组件弱电相连；所述弱电供电单元主要用于将蓄电池输出的电压降至不同的稳定的低电压为系统中所有组件弱电供电；

控制器，控制端口分别连接至各单向隔离型直直变换器、双向隔离型直直变换器Ⅰ和双向隔离型直直变换器Ⅱ；通过控制单向隔离型直直变换器、双向隔离型直直变换器Ⅰ和双向隔离型直直变换器Ⅱ的工作状态实现系统的能量管理。

进一步的是，所述单向隔离型直直变换器为基于全桥零电压零电流开关拓扑结构。

进一步的是，所述双向隔离型直直变换器Ⅰ为基于全桥零电压零电流开关拓扑结构；所述双向隔离型直直变换器Ⅱ为基于全桥零电压零电流开关拓扑结构。

采用零电压零电流全桥开关拓扑结构有利于减少功率损耗，提高系统效率。

进一步的是，所述超级电容包括多个超级电容单体依次串联；扩大超级电容供电系统的容量。

采用本技术方案的有益效果：

本实用新型采用燃料电池阵列作为主动力源，蓄电池以及超级电容作为辅助动力源，取长补短，结合多种电源的优点；考虑到燃料电池输出特性软、动态响应慢等特点，结合蓄电池动态响应速度快、超级电容可快速充放电等优点，采用蓄电池和超级电容作为辅助动力源，燃料电池作为主动力源的供电方式，提高系统的动态响应和稳定性，实现“削峰填谷”作用；

单堆燃料电池输出电压较低，通常单堆燃料电池不能满足实际情况需求；本实用新型采用串并的形式，即可增加燃料电池电压等级和容量，同时也能在保证其中某个电堆在出问题的情况下系统正常工作，提高稳定性；

能够保证系统能快速对负载供能，提高系统响应负载速度，能尽可能地回收制动功率，提高燃料利用率，实现燃料经济性的目的，延长蓄电池使用寿命，降低成本。

附图说明

图1为本实用新型的一种有轨电车的混合动力能量管理系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的燃料电池混合动力系统的动力装置结构图；

其中，001是燃料电池阵列发电系统，002是蓄电池供电储能系统，003是超级电容供电系统，004是电压电流采集电路，005是弱电供电单元，006是控制器，007是负载，008是制动电阻；

011、012、013和014是燃料电池，111、121、131和141是单向隔离型直直变换器；021是蓄电池，211是双向隔离型直直变换器Ⅰ，022和023是蓄电池供电储能系统的输出端，015和016是燃料电池阵列发电系统的输出端；031是超级电容，311是双向隔离型直直变换器Ⅱ，032和033是超级电容供电系统的输出端；024和025是弱电供电单元的输入端；

100是混合动力发电系统，200是能量管理系统，300是有轨电车牵引模块。

具体实施方式

为了使实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1所示，一种基于千瓦级燃料电池的有轨电车用混合动力系统，包括燃料电池阵列发电系统001、蓄电池供电储能系统002、超级电容供电系统003、电压电流采集电路004、弱电供电单元005和控制器006；

燃料电池阵列发电系统001，包括主要由燃料电池011、012、013和014，和分别与燃料电池011、012、013和014级联的单向隔离型直直变换器111、121、131和141组成的燃料电池发电单元；

本实施例采用四个燃料电池发电单元相互串联构成燃料电池阵列发电系统001；所述燃料电池阵列发电系统001的输出端分别连接至负载007和制动电阻008；

蓄电池供电储能系统002，包括蓄电池021和与蓄电池021级联的双向隔离型直直变换器Ⅰ211；所述蓄电池供电储能系统002的输出端022和023与燃料电池阵列发电系统001的输出端015和016相互并联；

超级电容供电系统003，包括超级电容031和与超级电容031级联的双向隔离型直直变换器Ⅱ311；所述超级电容供电系统003的输出端032和033与所述蓄电池供电储能系统002的输出端022和023相互并联；

电压电流采集电路004，所述电压电流采集电路004分别连接至所述燃料电池阵列发电系统001中的每块燃料电池、蓄电池供电储能系统002中的蓄电池021和超级电容供电系统003中超级电容031；采集电压信号和电流信号，并将采集的电信号传输给控制器006；

弱电供电单元005，所述弱电供电单元005的输入端024和025与所述蓄电池供电储能系统002的输出端022和023相连，所述弱电供电单元005的输出端与系统中所有组件弱电相连；

控制器006，所述控制器006的控制端口分别连接至各单向隔离型直直变换器111、121、131和141，双向隔离型直直变换器Ⅰ211，和双向隔离型直直变换器Ⅱ311。

在实施例2中，如图2所示，负载007为有轨电车，本实用新型中燃料电池阵列混合动力有轨电车系统主要由以下3个部分组成：混合动力发电系统100、能量管理系统200、有轨电车牵引模块300；

其中，混合动力发电系统100包括：燃料电池阵列发电系统001、蓄电池储能供电系统002、超级电容储能供电系统003；

其中，能量管理系统200包括：基于DSP控制器的能量管理单元062、基于FPGA控制器的接口扩展单元061、用于采集系统电压电流信号的电压电流采集电路004、以及为系统所有弱电单元供电的弱电供电单元005。

作为上述实施例的优化方案，所述单向隔离型直直变换器为基于全桥零电压零电流开关拓扑结构。

所述双向隔离型直直变换器Ⅰ211为基于全桥零电压零电流开关拓扑结构；所述双向隔离型直直变换器Ⅱ311为基于全桥零电压零电流开关拓扑结构。

作为上述实施例的优化方案，所述超级电容031包括多个超级电容单体依次串联。

为了更好的理解本实用新型，下面对本实用新型的工作原理作一次完整的描述：

由电压电流采集电路004采集每块燃料电池、蓄电池021和超级电容031的电压信号和电流信号；控制器006通过处理采集到的电压信号和电流信号，分析燃料电池工作性能，判断负载007工况以及蓄电池021和超级电容031的SOC，进而有控制器006触发相应的能量管理策略控制相应变换器的工作状态。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型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实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型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实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。