本實(shí)用新型屬于混合動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于千瓦級(jí)燃料電池的有軌電車用混合動(dòng)力系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

化石燃料的大量使用造成環(huán)境污染嚴(yán)重，另外隨著化石能源的大力開(kāi)采，傳統(tǒng)能源日益減少，對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)和利用受到各個(gè)國(guó)家的高度重視。在眾多新能源應(yīng)用中，氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉春腿祟悜?zhàn)略能源的發(fā)展方向，是車用新能源中最具潛力的優(yōu)選對(duì)象。氫燃料電池是以氫氣為燃料的能量轉(zhuǎn)換裝置，其主要有不受卡諾循環(huán)限制，工作溫度低，能量轉(zhuǎn)換效率高，噪聲低、清潔、無(wú)污，染排放物只有水等顯著優(yōu)點(diǎn)，受到了世界各國(guó)的高度重視和大力資助。

針對(duì)由燃料電池/鋰電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)負(fù)載功率需求和鋰電池SOC狀態(tài)的辨識(shí)，觸發(fā)相應(yīng)的控制策略，控制燃料電池輸出滿足負(fù)載和鋰電池要求的功率。該方式雖然能提高蓄電池的使用壽命和氫能的利用率，但是該方式主要是以鋰電池荷電狀態(tài)為主，負(fù)載工況改變引起的狀態(tài)切換會(huì)比較遲緩導(dǎo)致能量管理策略響應(yīng)速度慢，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

現(xiàn)有的混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)負(fù)載提供能量的速度較慢，大大降低了系統(tǒng)響應(yīng)負(fù)載的速度；且無(wú)法有效回收制動(dòng)功率，大大浪費(fèi)了制動(dòng)功率，降低了燃料電池的利用率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)方法的不足，本實(shí)用新型的目的在于提出一種基于千瓦級(jí)燃料電池的有軌電車用混合動(dòng)力系統(tǒng)，能夠保證系統(tǒng)能快速對(duì)負(fù)載供能，提高系統(tǒng)響應(yīng)負(fù)載速度，能盡可能地回收制動(dòng)功率，提高燃料利用率，實(shí)現(xiàn)燃料經(jīng)濟(jì)性的目的，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，降低成本。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型采用技術(shù)方案是：一種基于千瓦級(jí)燃料電池的有軌電車用混合動(dòng)力系統(tǒng)，包括燃料電池陣列發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池供電儲(chǔ)能系統(tǒng)、超級(jí)電容供電系統(tǒng)、電壓電流采集電路、弱電供電單元和控制器；

燃料電池陣列發(fā)電系統(tǒng)，包括主要由燃料電池和與燃料電池級(jí)聯(lián)的單向隔離型直直變換器組成的燃料電池發(fā)電單元，多個(gè)燃料電池發(fā)電單元相互串聯(lián)或并聯(lián)連接；所述燃料電池陣列發(fā)電系統(tǒng)的輸出端分別連接至負(fù)載和制動(dòng)電阻；制動(dòng)電阻用于消耗系統(tǒng)多余的電能。

蓄電池供電儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括蓄電池和與蓄電池級(jí)聯(lián)的雙向隔離型直直變換器Ⅰ；所述蓄電池供電儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出端與燃料電池陣列發(fā)電系統(tǒng)的輸出端相互并聯(lián)；

超級(jí)電容供電系統(tǒng)，包括超級(jí)電容和與超級(jí)電容級(jí)聯(lián)的雙向隔離型直直變換器Ⅱ；所述超級(jí)電容供電系統(tǒng)的輸出端與所述蓄電池供電儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出端相互并聯(lián)；

電壓電流采集電路，所述電壓電流采集電路分別連接至所述燃料電池陣列發(fā)電系統(tǒng)中的每塊燃料電池、蓄電池供電儲(chǔ)能系統(tǒng)中的蓄電池和超級(jí)電容供電系統(tǒng)中超級(jí)電容；電壓電流采集電路的通訊端連接至控制器；采集電壓信號(hào)和電流信號(hào)，并將采集的電信號(hào)傳輸給控制器；

弱電供電單元，所述弱電供電單元的輸入端與所述蓄電池供電儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出端相連，所述弱電供電單元的輸出端與系統(tǒng)中所有組件弱電相連；所述弱電供電單元主要用于將蓄電池輸出的電壓降至不同的穩(wěn)定的低電壓為系統(tǒng)中所有組件弱電供電；

控制器，控制端口分別連接至各單向隔離型直直變換器、雙向隔離型直直變換器Ⅰ和雙向隔離型直直變換器Ⅱ；通過(guò)控制單向隔離型直直變換器、雙向隔離型直直變換器Ⅰ和雙向隔離型直直變換器Ⅱ的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能量管理。

進(jìn)一步的是，所述單向隔離型直直變換器為基于全橋零電壓零電流開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的是，所述雙向隔離型直直變換器Ⅰ為基于全橋零電壓零電流開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；所述雙向隔離型直直變換器Ⅱ?yàn)榛谌珮蛄汶妷毫汶娏鏖_(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

采用零電壓零電流全橋開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于減少功率損耗，提高系統(tǒng)效率。

進(jìn)一步的是，所述超級(jí)電容包括多個(gè)超級(jí)電容單體依次串聯(lián)；擴(kuò)大超級(jí)電容供電系統(tǒng)的容量。

采用本技術(shù)方案的有益效果：

本實(shí)用新型采用燃料電池陣列作為主動(dòng)力源，蓄電池以及超級(jí)電容作為輔助動(dòng)力源，取長(zhǎng)補(bǔ)短，結(jié)合多種電源的優(yōu)點(diǎn)；考慮到燃料電池輸出特性軟、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等特點(diǎn)，結(jié)合蓄電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、超級(jí)電容可快速充放電等優(yōu)點(diǎn)，采用蓄電池和超級(jí)電容作為輔助動(dòng)力源，燃料電池作為主動(dòng)力源的供電方式，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”作用；

單堆燃料電池輸出電壓較低，通常單堆燃料電池不能滿足實(shí)際情況需求；本實(shí)用新型采用串并的形式，即可增加燃料電池電壓等級(jí)和容量，同時(shí)也能在保證其中某個(gè)電堆在出問(wèn)題的情況下系統(tǒng)正常工作，提高穩(wěn)定性；

能夠保證系統(tǒng)能快速對(duì)負(fù)載供能，提高系統(tǒng)響應(yīng)負(fù)載速度，能盡可能地回收制動(dòng)功率，提高燃料利用率，實(shí)現(xiàn)燃料經(jīng)濟(jì)性的目的，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，降低成本。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的一種有軌電車的混合動(dòng)力能量管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)圖；

其中，001是燃料電池陣列發(fā)電系統(tǒng)，002是蓄電池供電儲(chǔ)能系統(tǒng)，003是超級(jí)電容供電系統(tǒng)，004是電壓電流采集電路，005是弱電供電單元，006是控制器，007是負(fù)載，008是制動(dòng)電阻；

011、012、013和014是燃料電池，111、121、131和141是單向隔離型直直變換器；021是蓄電池，211是雙向隔離型直直變換器Ⅰ，022和023是蓄電池供電儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出端，015和016是燃料電池陣列發(fā)電系統(tǒng)的輸出端；031是超級(jí)電容，311是雙向隔離型直直變換器Ⅱ，032和033是超級(jí)電容供電系統(tǒng)的輸出端；024和025是弱電供電單元的輸入端；

100是混合動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)，200是能量管理系統(tǒng)，300是有軌電車牽引模塊。

具體實(shí)施方式

為了使實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步闡述。

在本實(shí)施例中，參見(jiàn)圖1所示，一種基于千瓦級(jí)燃料電池的有軌電車用混合動(dòng)力系統(tǒng)，包括燃料電池陣列發(fā)電系統(tǒng)001、蓄電池供電儲(chǔ)能系統(tǒng)002、超級(jí)電容供電系統(tǒng)003、電壓電流采集電路004、弱電供電單元005和控制器006；

燃料電池陣列發(fā)電系統(tǒng)001，包括主要由燃料電池011、012、013和014，和分別與燃料電池011、012、013和014級(jí)聯(lián)的單向隔離型直直變換器111、121、131和141組成的燃料電池發(fā)電單元；

本實(shí)施例采用四個(gè)燃料電池發(fā)電單元相互串聯(lián)構(gòu)成燃料電池陣列發(fā)電系統(tǒng)001；所述燃料電池陣列發(fā)電系統(tǒng)001的輸出端分別連接至負(fù)載007和制動(dòng)電阻008；

蓄電池供電儲(chǔ)能系統(tǒng)002，包括蓄電池021和與蓄電池021級(jí)聯(lián)的雙向隔離型直直變換器Ⅰ211；所述蓄電池供電儲(chǔ)能系統(tǒng)002的輸出端022和023與燃料電池陣列發(fā)電系統(tǒng)001的輸出端015和016相互并聯(lián)；

超級(jí)電容供電系統(tǒng)003，包括超級(jí)電容031和與超級(jí)電容031級(jí)聯(lián)的雙向隔離型直直變換器Ⅱ311；所述超級(jí)電容供電系統(tǒng)003的輸出端032和033與所述蓄電池供電儲(chǔ)能系統(tǒng)002的輸出端022和023相互并聯(lián)；

電壓電流采集電路004，所述電壓電流采集電路004分別連接至所述燃料電池陣列發(fā)電系統(tǒng)001中的每塊燃料電池、蓄電池供電儲(chǔ)能系統(tǒng)002中的蓄電池021和超級(jí)電容供電系統(tǒng)003中超級(jí)電容031；采集電壓信號(hào)和電流信號(hào)，并將采集的電信號(hào)傳輸給控制器006；

弱電供電單元005，所述弱電供電單元005的輸入端024和025與所述蓄電池供電儲(chǔ)能系統(tǒng)002的輸出端022和023相連，所述弱電供電單元005的輸出端與系統(tǒng)中所有組件弱電相連；

控制器006，所述控制器006的控制端口分別連接至各單向隔離型直直變換器111、121、131和141，雙向隔離型直直變換器Ⅰ211，和雙向隔離型直直變換器Ⅱ311。

在實(shí)施例2中，如圖2所示，負(fù)載007為有軌電車，本實(shí)用新型中燃料電池陣列混合動(dòng)力有軌電車系統(tǒng)主要由以下3個(gè)部分組成：混合動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)100、能量管理系統(tǒng)200、有軌電車牽引模塊300；

其中，混合動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)100包括：燃料電池陣列發(fā)電系統(tǒng)001、蓄電池儲(chǔ)能供電系統(tǒng)002、超級(jí)電容儲(chǔ)能供電系統(tǒng)003；

其中，能量管理系統(tǒng)200包括：基于DSP控制器的能量管理單元062、基于FPGA控制器的接口擴(kuò)展單元061、用于采集系統(tǒng)電壓電流信號(hào)的電壓電流采集電路004、以及為系統(tǒng)所有弱電單元供電的弱電供電單元005。

作為上述實(shí)施例的優(yōu)化方案，所述單向隔離型直直變換器為基于全橋零電壓零電流開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

所述雙向隔離型直直變換器Ⅰ211為基于全橋零電壓零電流開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；所述雙向隔離型直直變換器Ⅱ311為基于全橋零電壓零電流開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

作為上述實(shí)施例的優(yōu)化方案，所述超級(jí)電容031包括多個(gè)超級(jí)電容單體依次串聯(lián)。

為了更好的理解本實(shí)用新型，下面對(duì)本實(shí)用新型的工作原理作一次完整的描述：

由電壓電流采集電路004采集每塊燃料電池、蓄電池021和超級(jí)電容031的電壓信號(hào)和電流信號(hào)；控制器006通過(guò)處理采集到的電壓信號(hào)和電流信號(hào)，分析燃料電池工作性能，判斷負(fù)載007工況以及蓄電池021和超級(jí)電容031的SOC，進(jìn)而有控制器006觸發(fā)相應(yīng)的能量管理策略控制相應(yīng)變換器的工作狀態(tài)。

以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理、主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。