一种质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车的动力系统

1.本实用新型属于燃电池料技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车的动力系统。


背景技术：

2.随着国民经济的快速发展，城市人口逐渐增加，大城市由于越来越多的人口数量导致城市拥堵与雾霾问题日益严重。由此，为了解决日益严重的环境问题与城市拥堵，建设完备的城市轨道交通、推进新能源技术的开发与应用、提高能源利用效率和大力推广节能技术，在我国具有十分重要的战略意义。
3.传统城市轨道车辆供电系统复杂且影响城市美观，无接触网的现代城市轨道交通供电方式受到了国内外的广泛关注。由于燃料电池单堆功率逐渐增大，大功率燃料电池在轨道交通领域取得了重大突破。自2002年第一台燃料电池轨道车辆在美国诞生，日本、德国、丹麦、西班牙、中国等相关研究机构都相继制定了新一代燃料电池动力有轨电车的研发计划。质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车作为一种新能源有轨电车，采用质子交换膜燃料电池发电为系统提供能量，可以不依赖于接触网供电系统进行无网运行，同时降低了城轨项目投资成本，具有广阔的发展前景。
4.在新能源体系中，氢能是一种理想的二次能源，与其他能源相比，氢热值高，其能量密度(140mj/kg)是固体燃料(50mj/kg)的两倍多。且燃烧产物为水，是最环保的能源，既能以气、液相的形式存储在高压罐中，也能以固相的形式储存在储氢材料中。因此，氢被认为是最有希望取代传统化石燃料的能源载体。因此，氢作为能量媒介可以通过电解水(碱性液体电解、固体聚合物电解)与燃料电池技术实现高效率的互相转换，具备成比例放大到电网规模应用的潜力。
5.现有设计燃料电池混合动力系统拓扑结构各组成结构分散，整体性不强，且无法实现统一协调，无法有效为有轨电车提供可靠有效的动力。


技术实现要素：

6.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质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车的动力系统，能够有效为有轨电车提供可靠有效的动力。
7.为实现以上目的，本实用新型采用技术方案是：一种质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车的动力系统，包燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统、dc/dc变换器、直流母线以及牵引负载；
8.所述燃料电池系统作为发电装置经dc/dc变换器连接至直流母线，提供主要的输出功率与能量；
9.所述超级电容系统作为储能装置经dc/dc变换器连接至直流母线，提供频繁的变载功率与回收制动功率；
10.所述锂电池系统作为储能装置提供输出功率与回收制动能量；
11.所述牵引负载通过dc/ac变换器从直流母线上取电。
12.进一步的是，在所述能量管理系统，所述能量管理系统分别与燃料电池系统、超级电容系统和锂电池系统进行信号交互。
13.进一步的是，所述能量管理系统包括顶层管理控制器和底层控制单元，所述顶层管理控制器接收燃料电池系统、超级电容系统和牵引负载的工况信号，经过控制器处理后将控制信号传递至底层控制单元，有底层控制单元控制燃料电池系统、超级电容系统和锂电池系统的工况。
14.进一步的是，在所述底层控制单元包括燃料电池系统控制电路、锂电池系统控制电路和超级电容系统控制电路，所述燃料电池系统控制电路、锂电池系统控制电路和超级电容系统控制电路输入端分别连接至控制器，燃料电池系统控制电路、锂电池系统控制电路和超级电容系统控制电路输出端分别连接至燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统。
15.进一步的是，所述燃料电池系统控制电路和锂电池系统控制电路采用电流单环pid控制电路，所述超级电容系统采用下垂控制电路。
16.进一步的是，还包括有轨电车辅助系统，有轨电车辅助系统从直流母线上取电。
17.进一步的是，还包括有轨电车制动系统，有轨电车制动系统从直流母线上取电。
18.采用本技术方案的有益效果：
19.本实用新型通过直流母线构成分布式的整体结构，利用锂电池和超级电容对燃料电池的辅助，能够有效为有轨电车提供可靠有效的动力。
附图说明
20.图1为本实用新型的一种质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车的动力系统的结构示意图；
21.图2为本实用新型实施例中能量管理系统的结构示意图。
具体实施方式
22.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。
23.在本实施例中，参见图1所示，一种质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车的动力系统，，包燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统、dc/dc变换器、直流母线以及牵引负载；
24.所述燃料电池系统作为发电装置经dc/dc变换器连接至直流母线，提供主要的输出功率与能量；
25.所述超级电容系统作为储能装置经dc/dc变换器连接至直流母线，提供频繁的变载功率与回收制动功率；
26.所述锂电池系统作为储能装置提供输出功率与回收制动能量；
27.所述牵引负载通过dc/ac变换器从直流母线上取电。
28.作为上述实施例的优化方案，如图2所示，在所述能量管理系统，所述能量管理系统分别与燃料电池系统、超级电容系统和锂电池系统进行信号交互。
29.所述能量管理系统包括顶层管理控制器和底层控制单元，所述顶层管理控制器接
收燃料电池系统、超级电容系统和牵引负载的工况信号，经过控制器处理后将控制信号传递至底层控制单元，有底层控制单元控制燃料电池系统、超级电容系统和锂电池系统的工况。
30.在所述底层控制单元包括燃料电池系统控制电路、锂电池系统控制电路和超级电容系统控制电路，所述燃料电池系统控制电路、锂电池系统控制电路和超级电容系统控制电路输入端分别连接至控制器，燃料电池系统控制电路、锂电池系统控制电路和超级电容系统控制电路输出端分别连接至燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统。
31.所述燃料电池系统控制电路和锂电池系统控制电路采用电流单环pid控制电路，所述超级电容系统采用下垂控制电路。
32.优选的，还包括有轨电车辅助系统，有轨电车辅助系统从直流母线上取电。
33.优选的，还包括有轨电车制动系统，有轨电车制动系统从直流母线上取电。
34.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：
35.所述燃料电池系统包括相互连接的燃料电池与单向dc/dc变流器；所述锂电池系统包括相互连接的锂电池与双向dc/dc变流器；所述超级电容系统包括相互连接的超级电容与单向dc/dc变流器组；所述控制中心包括测量组件测量母线电压、需求侧功率p
req
值、锂电池系统的soc值以及超级电容soc值；所述控制中心与各系统的变流器连接并向各系统变流器输入控制信号。
36.在所述能量管理系统中：测量当前锂电池、超级电容系统状态以及需求侧运行工况；顶层系统根据测量结果，基于系统效率以及储能系统状态计算燃料电池、锂电池以及超级电容的输出功率；底层控制系统根据输出功率参考值进一步对各动力系统进行调节，控制燃料电池系统、锂电池系统以及超级电容系统的工作模式，完成燃料电池混合动力系统的能量管理。
37.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。

技术特征：
1.一种质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车的动力系统，其特征在于，包括燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统、dc/dc变换器、直流母线以及牵引负载；所述燃料电池系统作为发电装置经dc/dc变换器连接至直流母线，提供主要的输出功率与能量；所述超级电容系统作为储能装置经dc/dc变换器连接至直流母线，提供频繁的变载功率与回收制动功率；所述锂电池系统作为储能装置提供输出功率与回收制动能量；所述牵引负载通过dc/ac变换器从直流母线上取电。2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车的动力系统，其特征在于，还包括能量管理系统，所述能量管理系统分别与燃料电池系统、超级电容系统和锂电池系统进行信号交互。3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车的动力系统，其特征在于，所述能量管理系统包括顶层管理控制器和底层控制单元，所述顶层管理控制器接收燃料电池系统、超级电容系统和牵引负载的工况信号，经过控制器处理后将控制信号传递至底层控制单元，有底层控制单元控制燃料电池系统、超级电容系统和锂电池系统的工况。4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车的动力系统，其特征在于，在所述底层控制单元包括燃料电池系统控制电路、锂电池系统控制电路和超级电容系统控制电路，所述燃料电池系统控制电路、锂电池系统控制电路和超级电容系统控制电路输入端分别连接至控制器，燃料电池系统控制电路、锂电池系统控制电路和超级电容系统控制电路输出端分别连接至燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统。5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车的动力系统，其特征在于，所述燃料电池系统控制电路和锂电池系统控制电路采用电流单环pid控制电路，所述超级电容系统采用下垂控制电路。6.根据权利要求1-5任一所述的一种质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车的动力系统，其特征在于，还包括有轨电车辅助系统，有轨电车辅助系统从直流母线上取电。7.根据权利要求1-5任一所述的一种质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车的动力系统，其特征在于，还包括有轨电车制动系统，有轨电车制动系统从直流母线上取电。

技术总结
本实用新型公开了一种质子交换膜燃料电池混合动力有轨电车的动力系统，包燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统、DC/DC变换器、直流母线以及牵引负载；所述燃料电池系统作为发电装置经DC/DC变换器连接至直流母线，提供主要的输出功率与能量；所述超级电容系统作为储能装置经DC/DC变换器连接至直流母线，提供频繁的变载功率与回收制动功率；所述锂电池系统作为储能装置提供输出功率与回收制动能量；所述牵引负载通过DC/AC变换器从直流母线上取电。本实用新型能够有效为有轨电车提供可靠有效的动力。效的动力。效的动力。


技术研发人员：刘继宗 吴小平 王浩 郑鹏 代孝义
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2022.09.13
技术公布日：2023/3/13