增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统、方法及车辆与流程

1.本发明涉及轨道车辆混合动力技术领域，尤其涉及一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统、方法及车辆。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.目前，增程式燃料电池混合动力系统一般包括燃料电池和动力电池；通过燃料电池和动力电池的共同协调作用，保证车辆在不同的工况下正常运行。
4.由于氢燃料电池的无污染、能量密度高等优点，氢燃料电池在作为轨道车辆用备用电源领域具有重大潜力。燃料电池以氢气和氧气为反应物，生成电与水，转换效率高且完全无污染、零排放，是未来车载能源的发展方向。
5.轨道交通车辆往往需要配置大功率的氢动力系统，各氢动力系统呈模块化布局；如果某一模块组的氢动力系统中燃料电池发生故障，则可能会造成该组的动力电池深度放电，降低电池的使用寿命，还可能会因为故障组动力电池soc过低导致本组动力切除，降低列车运行性能，甚至撤线进库检修。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提出了一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统、方法及车辆，该系统能够在某组氢动力系统燃料电池故障工况下，仍可控制故障组动力电池soc处于设定的soc放电区间，避免深放工况，延长动力电池使用寿命。
7.根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统，包括：
8.两组或两组以上的动力系统，每一组动力系统包括燃料电池单元、升压电路和动力电池单元，所述燃料电池单元的输出经过升压电路后与动力电池单元连接；相邻组动力系统的燃料电池单元的输出端之间连接开关元件；
9.控制单元，被配置为当某一组动力系统的燃料电池单元故障时，选择与其相邻组的动力系统，并控制相应的开关元件闭合，以实现相邻组燃料电池单元为故障组的动力电池单元进行充电。
10.作为进一步地方案，每一组动力系统对应一套牵引变流器；每一组动力系统中，动力电池单元的放电能力能够至少满足牵引变流器的功率需求。
11.作为进一步地方案，当某一组动力系统的燃料电池单元故障时，如果车辆处于牵引工况，则由故障组动力系统的动力电池单元和相邻组燃料电池单元共同为故障组的牵引变流器提供所需功率。
12.如果车辆处于匀速、惰行或停车工况，则由相邻组的燃料电池单元为故障组的牵引变流器提供牵引供电，同时为故障组的动力电池单元和该相邻组的动力电池单元进行充
电。
13.如果车辆处于制动工况，燃料电池降载为最小输出功率，由再生制动反馈能量给动力电池单元充电。
14.作为进一步地方案，相邻组燃料电池单元的输出功率等于相邻组升压电路的给定功率与故障组升压电路的给定功率之和。
15.作为进一步地方案，相邻组升压电路的给定功率和故障组升压电路的给定功率分别依据与其连接的动力电池单元的soc大小确定。
16.作为进一步地方案，择与其相邻组的动力系统时，如果与其相邻的只有一组动力系统，则选择该组作为相邻组；如果与其相邻的有两组动力系统，则选择两组动力系统中动力电池soc大的一组作为相邻组。
17.根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制方法，包括：
18.当某一组动力系统的燃料电池单元故障时，如果车辆处于牵引工况，则由故障组动力系统的动力电池单元和相邻组燃料电池单元共同为故障组的牵引变流器提供所需功率；
19.如果车辆处于匀速、惰行或停车工况，则由相邻组的燃料电池单元为故障组的牵引变流器提供牵引供电，同时为故障组的动力电池单元和该相邻组的动力电池单元进行充电；
20.如果车辆处于制动工况，则相邻组的燃料电池单元降载为最小输出功率，由再生制动反馈能量给动力电池单元充电。
21.根据本发明实施例的第三个方面，提供了一种轨道交通车辆，包括上述的增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统；或者，采用上述的增程式燃料电池混合动力系统故障控制方法，实现对燃料电池单元的故障控制。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.(1)本发明在燃料电池故障工况下，仍可控制故障组动力电池单元soc处于设定的soc放电区间，避免深放工况，延长动力电池使用寿命。
24.同时，车辆仍可持续正常运行，而不会因为故障组动力电池单元soc过低导致本组动力切除，降低车辆运行性能，甚至撤线进库检修。
25.(2)本发明在车辆处于不同的运行工况时，采用不同的动力电池单元充电策略，既能够保证故障组动力电池单元的正常运行，又能够降低能耗，保证相邻组动力系统的正常工作。
26.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
27.图1是根据本发明实施例的增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统结构示意图；
28.图2是根据本发明实施例的另一种程式燃料电池混合动力系统故障控制系统结构示意图。
具体实施方式
29.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
30.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
31.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.实施例一
33.根据本发明实施例，提供了一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统的实施例，包括：两组或两组以上的动力系统，每一组动力系统包括燃料电池单元、升压电路和动力电池单元，所述燃料电池单元的输出经过升压电路后与动力电池单元连接；相邻组动力系统的燃料电池单元的输出端之间连接开关元件；
34.控制单元，被配置为当某一组动力系统的燃料电池单元故障时，选择与其相邻组的动力系统，并控制相应的开关元件闭合，以实现相邻组燃料电池单元为故障组的动力电池单元进行充电。
35.具体地，本实施例动力系统为氢动力系统，氢动力系统可以分布在轨道交通车辆的每一节车厢内，参照图1所示的拓扑结构，也可以将所有的动力系统均设置在同一节车厢内，参照图2所示。
36.每一组氢动力系统对应一套牵引变流器，每一套牵引变流器对应一个转向架，并且控制该转向架的所有电机。
37.每一组氢动力系统中，燃料电池单元的输出经过dc/dc升压电路后，与相对应的动力电池单元和牵引变流器分别连接。
38.正常运行工况下，各氢动力系统分别给对应牵引变流器供电，各个开关元件均处于断开状态；燃料电池单元产生的电能经过升压后，和动力电池共同为列车供电；由于燃料电池自身的特性，以及故障运行能力预留，进行氢动力系统配置时，牵引制动峰值功率可由动力电池单独提供，即动力电池放电能力可满足牵引变流器需求。
39.本实施例中，选择与其相邻组的动力系统时，如果与其相邻的只有一组动力系统，则选择该组作为相邻组；如果与其相邻的有两组动力系统，则选择两组动力系统中动力电池soc大的一组作为相邻组。
40.以图1所示的拓扑结构为例，第一氢动力系统中包含第一燃料电池单元、第一dc/dc电路和第一动力电池单元；，第二氢动力系统中包含第二燃料电池单元、第二dc/dc电路和第二动力电池单元；依此类推。
41.当第一氢动力系统的燃料电池单元发生故障时，自动切除第一燃料电池单元；同时，确定第二氢动力系统为其相邻组；闭合第一开关元件，此时，第二燃料电池单元可以同时输出给第一dc/dc电路和第二dc/dc电路，第二燃料电池单元的输出功率为第一dc/dc电
路的给定功率与第二dc/dc电路的给定功率之和。
42.该种情况下的具体控制策略如下：
43.(1)车辆处于牵引工况时，第一动力电池单元的输出即可满足牵引变流器功率需求，因此第二燃料电池单元给定功率并不会超出其最大输出能力，按照需求功率输出即可。
44.(2)车辆处于匀速、惰行或停车工况时，第二燃料电池单元提供车辆牵引供电，此时第二燃料电池单元同时给第一动力电池单元和第二动力电池单元充电；第二燃料电池单元会依据动力电池单元soc大小按照设定的不同功率等级确定输出给第一dc/dc电路和第二dc/dc电路的功率；动力电池单元的soc越小，燃料电池单元输出功率越大，直至满功率输出。
45.第一dc/dc电路和第二dc/dc电路的给定功率依据第一动力电池和第二动力电池的soc大小来确定；若第一dc/dc电路和第二dc/dc电路的给定功率之和超过第二燃料电池的最大输出功率，则第二燃料电池按照最大输出功率输出。
46.(3)车辆处于制动工况时，第二燃料电池降载为最小输出功率，由再生制动反馈能量给第一动力电池充电。
47.其中，再生制动反馈能量具体指的是，车辆制动时，车辆的动能经过电机转化为电能，该电能经过变流器反馈回高压母线，进而为动力电池进行充电。
48.此过程中，第三氢动力系统和第四氢动力系统仍然正常工作。
49.仍然以图1所示的拓扑结构为例，当第二氢动力系统发生故障时，此时，比较相邻的第一氢动力系统和第三氢动力系统中动力电池的soc大小，选择动力电池soc大的一组作为相邻组氢动力系统，本实施例选取第三氢动力系统；闭合第二氢动力系统与第三氢动力系统之间的第二开关元件。
50.其余的控制策略与上面所述的相同，此处不再赘述。
51.实施例二
52.根据本发明实施例，提供了一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制方法的实施例，包括如下过程：
53.当某一组动力系统的燃料电池单元故障时，切除该组的燃料电池单元；依据动力电池soc的大小，选择与其相邻组的动力系统；控制相邻组动力系统的燃料电池单元为故障组的动力电池单元进行充电。
54.具体的控制策略如下：
55.当某一组动力系统的燃料电池单元故障时，如果车辆处于牵引工况，则由故障组动力系统的动力电池单元和相邻组燃料电池单元共同为故障组的牵引变流器提供所需功率。
56.如果车辆处于匀速、惰行或停车工况，则由相邻组的燃料电池单元为故障组的牵引变流器提供牵引供电，同时为故障组的动力电池单元和该相邻组的动力电池单元进行充电。
57.如果车辆处于制动工况，燃料电池降载为最小输出功率，由再生制动反馈能量给动力电池单元充电。
58.上述控制策略的具体实现方式已经在实施例一中进行了说明，此处不再赘述。
59.本实施例的增程式燃料电池混合动力系统故障控制方法，能够在燃料电池故障工
况下，仍可控制故障组动力电池soc处于设定的soc放电区间，避免深放工况，延长动力电池使用寿命。同时列车仍可持续正常运行，而不会因为故障组动力电池soc过低导致本组动力切除，降低列车运行性能，甚至撤线进库检修。
60.实施例三
61.根据本发明实施例，提供了一种轨道车辆的实施例，其包括了实施例一中所述的增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统；
62.或者，采用实施例二所述的增程式燃料电池混合动力系统故障控制方法，实现对燃料电池的故障控制。
63.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统，其特征在于，包括：两组或两组以上的动力系统，每一组动力系统包括燃料电池单元、升压电路和动力电池单元，所述燃料电池单元的输出经过升压电路后与动力电池单元连接；相邻组动力系统的燃料电池单元的输出端之间连接开关元件；控制单元，被配置为当某一组动力系统的燃料电池单元故障时，选择与其相邻组的动力系统，并控制相应的开关元件闭合，以实现相邻组燃料电池单元为故障组的动力电池单元进行充电或者为故障组牵引变流器输出设定的功率。2.如权利要求1所述的一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统，其特征在于，每一组动力系统对应一套牵引变流器；每一组动力系统中，动力电池单元的放电能力能够至少满足牵引变流器的功率需求。3.如权利要求1所述的一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统，其特征在于，当某一组动力系统的燃料电池单元故障时，如果车辆处于牵引工况，则由故障组动力系统的动力电池单元和相邻组燃料电池单元共同为故障组的牵引变流器提供所需功率。4.如权利要求1所述的一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统，其特征在于，当某一组动力系统的燃料电池单元故障时，如果车辆处于匀速、惰行或停车工况，则由相邻组的燃料电池单元为故障组的牵引变流器提供牵引供电，同时为故障组的动力电池单元和该相邻组的动力电池单元进行充电。5.如权利要求4所述的一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统，其特征在于，相邻组燃料电池单元的输出功率等于所述相邻组升压电路的给定功率与故障组升压电路的给定功率之和。6.如权利要求5所述的一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统，其特征在于，相邻组升压电路的给定功率和故障组升压电路的给定功率分别依据与其连接的动力电池单元的soc大小确定。7.如权利要求1所述的一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统，其特征在于，当某一组动力系统的燃料电池单元故障时，如果车辆处于制动工况，则相邻组的燃料电池单元降载为最小输出功率，由再生制动反馈能量给动力电池单元充电。8.如权利要求1
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7任一项所述的一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统，其特征在于，选择与其相邻组的动力系统时，如果与其相邻的只有一组动力系统，则选择该组作为相邻组；如果与其相邻的有两组动力系统，则选择两组动力系统中动力电池soc大的一组作为相邻组。9.一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制方法，其特征在于，包括：当某一组动力系统的燃料电池单元故障时，选择与其相邻组的动力系统，并控制相邻组动力系统的燃料电池单元为故障组的动力电池单元进行充电。10.如权利要求9所述的一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制方法，其特征在于，当某一组动力系统的燃料电池单元故障时，如果车辆处于牵引工况，则由故障组动力系统的动力电池单元和相邻组燃料电池单元共同为故障组的牵引变流器提供所需功率；如果车辆处于匀速、惰行或停车工况，则由相邻组的燃料电池单元为故障组的牵引变流器提供牵引供电，同时为故障组的动力电池单元和该相邻组的动力电池单元进行充电；如果车辆处于制动工况，则相邻组的燃料电池单元降载为最小输出功率，由再生制动
反馈能量给动力电池单元充电。11.一种轨道交通车辆，其特征在于，包括权利要求1
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8任一项所述的增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统；或者，采用权利要求9
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10任一项所述的增程式燃料电池混合动力系统故障控制方法，实现对燃料电池单元的故障控制。
技术总结
本发明公开了一种增程式燃料电池混合动力系统故障控制系统及方法，包括：两组或两组以上的动力系统，每一组动力系统包括燃料电池单元、升压电路和动力电池单元，所述燃料电池单元的输出经过升压电路后与动力电池单元连接；相邻组动力系统的燃料电池单元的输出端之间连接开关元件；控制单元，被配置为当某一组动力系统的燃料电池单元故障时，选择与其相邻组的动力系统，并控制相应的开关元件闭合，以实现相邻组燃料电池单元为故障组的动力电池单元进行充电。本发明在燃料电池故障工况下，仍可控制故障组动力电池单元SOC处于设定的SOC放电区间，避免深放工况，延长动力电池使用寿命。寿命。寿命。


技术研发人员：刘铭 梁建英 徐磊 李艳昆 张文超 田庆 周卓敏
受保护的技术使用者：中车青岛四方机车车辆股份有限公司
技术研发日：2021.04.02
技术公布日：2021/6/29