混合供电系统及其控制方法、轨道交通车辆与流程

1.本发明属于混合供电技术领域，尤其涉及一种混合供电系统及其控制方法、轨道交通车辆。


背景技术：

2.目前，铝空气电池采用水冷方式处理电池反应放热，这种方式需要额外的水冷装置，并且能量以热能的形式散失；而甲醇重整制氢燃料电池在启动阶段需要电加热将重整室温度加热到合适的温度，重整反应才会稳定进行，同时甲醇燃料的汽化需要热量。另外，铝空气电池运行过程中会自腐蚀产生氢气，当氢气达到一定量时存在安全隐患，因此铝空气电池需要设计排氢装置。在控制方法上，考虑到铝空气电池本身特性，整块铝板均浸泡在电解液中，很难像其他燃料电池通过对化学反应的调节来调整功率。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种混合供电系统及其控制方法、轨道交通车辆，以解决铝空气电池需要设计水冷装置和排氢装置，甲醇重整制氢燃料电池在启动阶段需要设计电加热装置的问题。本发明将铝空气电池通过热交换装置和氢气收集装置与甲醇重整制氢燃料电池连接，利用铝空气电池的电池反应热为甲醇重整制氢燃料电池在启动阶段提供热量，不再需要专用的水冷装置和电加热装置；利用铝空气电池析氢反应产生的氢气为甲醇重整制氢燃料电池提供氢气，不再需要专用的排氢装置。
4.本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种混合供电系统，包括：
5.铝空气电池，其输出端与负载连接；
6.热交换装置，其热流体进口与所述铝空气电池的电解液出口连接，其热流体出口与所述铝空气电池的电解液进口连接；
7.甲醇重整制氢燃料电池，其输出端与负载连接；在所述甲醇重整制氢燃料电池的重整室和燃烧室周围铺设有导热管，所述导热管的一端与所述热交换装置的冷流体出口连接，另一端与所述热交换装置的冷流体进口连接；
8.控制模块，分别与所述铝空气电池和甲醇重整制氢燃料电池电性连接且用于根据负载需求功率控制铝空气电池和甲醇重整制氢燃料电池的工作；
9.电源模块，分别与所述铝空气电池、热交换装置和甲醇重整制氢燃料电池电性连接。
10.进一步地，所述系统还包括氢气收集装置，所述氢气收集装置的进气口与所述铝空气电池的氢气出口连接，所述氢气收集装置的出气口与所述甲醇重整制氢燃料电池的氢气进口连接。
11.进一步地，所述电源模块包括电性连接的锂电池和第一dcdc模块，所述第一dcdc模块的输出端分别与所述铝空气电池、热交换装置和甲醇重整制氢燃料电池电性连接；所述第一dcdc模块由所述控制模块控制。
12.优选地，所述电源模块还包括与锂电池电性连接的第三dcdc模块，所述第三dcdc模块的输出端与负载电性连接；所述第三dcdc模块的输入端分别与所述铝空气电池和甲醇重整制氢燃料电池的输出端电性连接，且由控制模块控制。
13.进一步地，所述系统还包括储能模块，所述储能模块与所述铝空气电池和甲醇重整制氢燃料电池的输出端电性连接。
14.优选地，所述储能模块包括电性连接的超级电容和第二dcdc模块，所述第二dcdc模块的输入端分别与所述铝空气电池、甲醇重整制氢燃料电池的输出端电性连接；所述第二dcdc模块由所述控制模块控制。
15.优选地，所述第二dcdc模块的输出端还与负载电性连接。
16.基于同一发明构思，本发明还提供一种轨道交通车辆混合供电系统，包括：
17.铝空气电池，其输出端与车辆直流母线电性连接；
18.热交换装置，其热流体进口与所述铝空气电池的电解液出口连接，其热流体出口与所述铝空气电池的电解液进口连接；
19.甲醇重整制氢燃料电池，其输出端与车辆直流母线电性连接，在所述甲醇重整制氢燃料电池的重整室和燃烧室周围铺设有导热管，所述导热管的一端与所述热交换装置的冷流体出口连接，另一端与所述热交换装置的冷流体进口连接；
20.储能模块，其与车辆直流母线电性连接；
21.控制模块，分别与所述铝空气电池、甲醇重整制氢燃料电池和储能模块电性连接，且用于根据车辆需求功率控制铝空气电池、甲醇重整制氢燃料电池和储能模块的工作；
22.电源模块，分别与所述铝空气电池、热交换装置和甲醇重整制氢燃料电池电性连接。
23.进一步地，所述电源模块包括电性连接的锂电池和第一dcdc模块，所述第一dcdc模块的输出端分别与所述铝空气电池、热交换装置和甲醇重整制氢燃料电池电性连接；所述第一dcdc模块由所述控制模块控制。
24.优选地，所述电源模块还包括与锂电池电性连接的第三dcdc模块，所述第三dcdc模块与车辆直流母线电性连接，且由控制模块控制。
25.进一步地，所述储能模块包括电性连接的超级电容和第二dcdc模块，所述第二dcdc模块与车辆直流母线电性连接；所述第二dcdc模块由所述控制模块控制。
26.基于同一发明构思，本发明还提供一种轨道交通车辆，包括如上所述的轨道交通车辆混合供电系统。
27.基于同一发明构思，本发明还提供一种如上所述轨道交通车辆混合供电系统的控制方法，包括以下步骤：
28.控制铝空气电池正常启动，并获取所述铝空气电池的输出功率；控制甲醇重整制氢燃料电池以设定输出功率启动；其中所述设定输出功率＜甲醇重整制氢燃料电池的额定输出功率；
29.获取整车需求功率，根据所述整车需求功率、铝空气电池的输出功率以及甲醇重整制氢燃料电池的输出功率控制铝空气电池、甲醇重整制氢燃料电池、储能模块和电源模块，以满足整车需求功率。
30.进一步地，控制铝空气电池、甲醇重整制氢燃料电池和储能模块的具体实现过程
为：
31.当p
需求
≥p
铝空
p
甲醇min
时，控制储能模块的输出功率，使p
需求
＝p
铝空
p
甲醇min
p
储
；其中，p
需求
为整车需求功率，p
铝空
为铝空气电池的输出功率，p
甲醇min
为甲醇重整制氢燃料电池的输出功率，即设定输出功率，p
储
为储能模块的输出功率；
32.当p
需求
＜p
铝空
p
甲醇min
时，判断储能模块/储能模块和电源模块是否处于满电状态，如果是，则关闭铝空气电池，并控制储能模块/储能模块和电源模块的输出功率，使p
需求
＝p
甲醇min
p
储
或p
需求
＝p
甲醇min
p
储
p
电
；其中，p
电
为电源模块的输出功率；
33.如果否，则利用多余的输出功率为储能模块/储能模块和电源模块充电，直到储能模块/储能模块和电源模块处于满电状态；其中，p
余
＝p
铝空
p
甲醇min-p
需求
，p
余
为多余的输出功率。
34.进一步地，当所述储能模块为整车需求提供部分功率时，所述控制方法还包括：
35.判断所述储能模块的电压下降加速度是否大于等于0，如果否，则保持供电模式不变；如果是，将甲醇重整制氢燃料电池的输出功率调整至额定输出功率。
36.进一步地，当所述铝空气电池关闭，且所述储能模块/储能模块和电源模块为整车需求提供部分功率时，所述控制方法还包括：
37.判断所述储能模块/储能模块和电源模块的剩余电量是否小于等于对应的第一设定电量，如果否，则保持供电模式不变；如果是，重新启动铝空气电池和/或将甲醇重整制氢燃料电池的输出功率调整至额定输出功率，对储能模块/储能模块和电源模块充电；
38.当充电使储能模块/储能模块和电源模块的剩余电量大于等于对应的第二设定电量，且甲醇重整制氢燃料电池的输出功率为额定输出功率时，将甲醇重整制氢燃料电池的额定输出功率调整至设定输出功率；其中第二设定电量》第一设定电量。
39.有益效果
40.与现有技术相比，本发明的优点在于：
41.本发明所提供的一种混合供电系统或轨道交通车辆混合供电系统，将铝空气电池通过热交换装置和氢气收集装置与甲醇重整制氢燃料电池连接，利用铝空气电池的电池反应热为甲醇重整制氢燃料电池在启动阶段提供热量，利用铝空气电池析氢反应产生的氢气为甲醇重整制氢燃料电池提供氢气，在完全不影响铝空气电池和甲醇重整制氢燃料电池的原有功能或性能基础上，提高了铝空气电池的利用率，不再需要配置专用的水冷装置、电加热装置和排氢装置。
42.本发明所提供的一种轨道交通车辆混合供电系统的控制方法，通过对储能模块/电源模块的充放电管理实现了系统负载突变时，由储能模块/电源模块吸收或释放突变功率，并利用储能模块回收制动能量，满足了负载快速响应需求，使铝空气电池和甲醇重整制氢燃料电池输出一个平缓的功率，尽可能保持铝空气电池在处于最佳反应状态，维持铝空气电池的额定输出功率不变，避免了频繁变载造成对铝空气电池的损害；同时考虑到甲醇重整制氢燃料电池本身响应速度过慢，尽量避免了对甲醇重整制氢燃料电池输出功率的频繁调节，在甲醇重整制氢燃料电池输出功率调节时提供足够的调整时间，改善其在动态响应上的缺陷，提高了整个系统的性能及工作寿命。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1是本发明实施例一中轨道交通车辆混合供电系统的结构示意图；
45.图2是本发明实施例一中铝空气电池与甲醇重整制氢燃料电池的热交换原理图；
46.图3是本发明实施例二中轨道交通车辆混合供电系统的控制方法流程图。
具体实施方式
47.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.下面以具体地实施例对本技术的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
49.实施例一
50.以轨道交通车辆作为负载为例，混合供电系统与轨道交通车辆的直流母线相连，实现轨道交通车辆的供电。如图1所示，本实施例所提供的一种轨道交通车辆混合供电系统，包括铝空气电池、热交换装置、甲醇重整制氢燃料电池、储能模块、控制模块和电源模块；铝空气电池、甲醇重整制氢燃料电池、储能模块和电源模块的输出端均与车辆直流母线电性连接；热交换装置的热流体进口与铝空气电池的电解液出口连接，热交换装置的热流体出口与铝空气电池的电解液进口连接；在甲醇重整制氢燃料电池的重整室和燃烧室周围铺设有导热管，导热管的一端与热交换装置的冷流体出口连接，另一端与热交换装置的冷流体进口连接；控制模块分别与铝空气电池、甲醇重整制氢燃料电池、储能模块和电源模块电性连接，用于根据车辆需求功率控制铝空气电池、甲醇重整制氢燃料电池和储能模块的工作。
51.在本发明的一个具体实施方式中，在铝空气电池与甲醇重整制氢燃料电池之间设有氢气收集装置，氢气收集装置的进气口与铝空气电池的氢气出口连接，氢气收集装置的出气口与甲醇重整制氢燃料电池的氢气进口连接，将铝空气电池产生的氢气用于甲醇重整制氢燃料电池的电堆反应原料补充，提高了铝空气电池的利用率。
52.在本发明的一个具体实施方式中，电源模块包括锂电池、第一dcdc模块和第三dcdc模块，锂电池的输出端分别与第一dcdc模块和第三dcdc模块连接，第一dcdc模块的输出端分别与铝空气电池、热交换装置和甲醇重整制氢燃料电池电性连接；第三dcdc模块与车辆直流母线电性连接；第一dcdc模块和第三dcdc模块均由控制模块控制。
53.本实施例中，第一dcdc模块为单向dc/dc，第三dcdc模块为双向dc/dc，锂电池一方面作为辅助供电电源，为铝空气电池、热交换装置和甲醇重整制氢燃料电池的工作提供所需电能；另一方面作为应急备用电源，为车辆负载提供电能，且在系统满足负载功率需求还有多余功率时为锂电池充电。
54.在本发明的一个具体实施方式中，储能模块包括电性连接的超级电容和第二dcdc
模块，第二dcdc模块与车辆直流母线电性连接；第二dcdc模块由控制模块控制。
55.本实施例中，第二dcdc模块为双向dc/dc，超级电容采用60000f单体。超级电容作为车辆的功率补充电源以及回收车辆制动时产生的能量，超级电容既可以利用铝空气电池和甲醇重整制氢燃料电池的多余能量为其充电，又可以在无法满足整车需求功率时为车辆提供能量补充。
56.如图1所示，铝空气电池和甲醇重整制氢燃料电池作为一次电池，均通过单向dc/dc给车辆直流母线提供主要的动力来源，铝空气电池与甲醇重整制氢燃料电池之间设有热交换装置和氢气收集装置，充分利用铝空气电池产生的热量和氢气，提高了铝空气电池的利用率。超级电容通过双向dc/dc在车辆负载突变时提供瞬时的功率补偿，以及在车辆制动时吸收回馈的能量。锂电池正常情况下单向dc/dc为铝空气电池、甲醇重整制氢燃料电池以及铝空气电池与甲醇重整制氢燃料电池之间的辅助设备提供控制电源和辅助电源，锂电池还通过双向dc/dc在车辆处于低负载情况下，吸收铝空气电池和甲醇重整制氢燃料电池产生的多余能量，同时在铝空气电池和/或甲醇重整制氢燃料电池发生故障时，作为应急电源给车辆提供能量。根据车辆牵引负载和辅助负载的信息反馈以及混合供电系统的状态检测，控制模块依据控制策略(见实施例二)实时对混合供电系统进行调节。
57.如图2所示，正常工况下铝空气电池首先开启，其采用上下分离的结构，电解液箱的电解液通过供液泵进入铝空气电堆进行反应，反应产生的热量随着电解液通过管路流入热交换装置，在热交换装置中经过热交换后的电解液回流到电解液箱中。甲醇重整制氢燃料电池启动预热，在热交换装置中，电解液的热量传递给冷流体，冷流体通过导热管将热量传递给甲醇重整制氢燃料电池的重整室和燃烧室，燃烧室温度逐渐提升，并将热量传递给甲醇重整制氢燃料电池内部的热交换器，热交换器主要是利用燃烧室传递的热量来汽化甲醇混合液，然后通过喷射器1进入燃烧室，使甲醇混合液蒸气在燃烧室中发生放热反应，进一步提升燃烧室的温度；与此同时燃烧室的温度会传递给相邻的重整室，当重整室的温度达到要求后，甲醇混合液蒸气通过喷射器2进入重整室中开始重整反应制取氢气，氢气再通过管路进入电堆中反应，甲醇重整制氢燃料电池开始输出电能；车辆运行过程中，甲醇重整制氢燃料电池会根据控制策略(见实施例二)通过调整反应物的浓度和内部温度来调节电池的输出功率。
58.实施例二
59.参见图3所示，本实施例提供一种如实施例一所述轨道交通车辆混合供电系统的控制方法，包括以下步骤：
60.s1、控制模块控制第一dcdc模块导通，利用锂电池提供的电能启动铝空气电池，维持铝空气处于最佳反应状态，使铝空气电池输出额定输出功率，记为p
铝空
；同时利用锂电池提供的电能控制甲醇重整制氢燃料电池以设定输出功率启动，即启动后甲醇重整制氢燃料电池的输出功率为设定输出功率，其中设定输出功率小于额定输出功率。
61.本实施例中，设定输出功率为甲醇重整制氢燃料电池的最小输出功率，记为p
甲醇min
。
62.s2、获取当前整车需求功率p
需求
，并判断当前整车需求功率p
需求
是否大于等于p
铝空
p
甲醇min
，如果是，则跳转至s3；否则跳转至s6；
63.s3、调整超级电容的输出功率，使p
需求
＝p
铝空
p
甲醇min
p
超级电容
，其中p
超级电容
为超级电容
的输出功率。
64.s4、判断超级电容的电压下降加速度a
超级电容
是否大于等于0，如果a
超级电容
＜0，则表明电压下降得越来越慢，维持现有的供电模式不变，即维持由铝空气电池、甲醇重整制氢燃料电池和超级电容为整车供电不变(p
需求
＝p
铝空
p
甲醇min
p
超级电容
)；如果a
超级电容
≥0，则表明电压下降得越来越快，跳转至s5。
65.s5、将甲醇重整制氢燃料电池的输出功率p
甲醇min
调整到额定输出功率，记为p
甲醇额
，使p
需求
＝p
铝空
p
甲醇额
p
超级电容
，之后跳转回s2。
66.s6、判断超级电容/超级电容和锂电池是否达到充电限制电压(即是否处于满电状态)，如果是，则跳转至s7；否则跳转至s14。超级电容/超级电容和锂电池是指超级电容，或者超级电容和锂电池。
67.s7、关闭铝空气电池，由甲醇重整制氢燃料电池和超级电容，或者由甲醇重整制氢燃料电池、超级电容和锂电池提供整车需求功率，优先保持甲醇重整制氢燃料电池的输出功率p
甲醇min
不变，调节超级电容的输出功率p
超级电容
，使p
需求
＝p
甲醇min
p
超级电容
，或p
需求
＝p
甲醇min
p
超级电容
p
锂
，其中p
锂
为锂电池的输出功率。
68.s8、判断超级电容的电压下降加速度a
超级电容
是否大于等于0，如果a
超级电容
＜0，则维持现有的供电模式不变，即维持由甲醇重整制氢燃料电池和超级电容，或由甲醇重整制氢燃料电池、超级电容和锂电池为整车供电不变(p
需求
＝p
甲醇min
p
超级电容
或p
需求
＝p
甲醇min
p
超级电容
p
锂
)；如果a
超级电容
≥0，则跳转至s9。
69.s9、将甲醇重整制氢燃料电池的输出功率p
甲醇min
调整到额定输出功率，使p
需求
＝p
甲醇额
p
超级电容
或p
需求
＝p
甲醇额
p
超级电容
p
锂
。
70.s10、当p
需求
＝p
甲醇额
p
超级电容
时，判断超级电容的剩余电量e
超级电容
是否小于等于超级电容的第一设定电量，如果是，则跳转到s11，否则跳转到s9；
71.当p
需求
＝p
甲醇额
p
超级电容
p
锂
时，判断超级电容和锂电池的剩余电量是否分别小于等于各自对应的第一设定电量，如果是，则跳转到s11，否则跳转到s9。
72.本实施例中，超级电容的第一设定电量为其额定电量的30％。
73.s11、重新启动铝空气电池，使p
需求
p
超级电容
＝p
铝空
p
甲醇额
，或p
需求
p
超级电容
p
锂
＝p
铝空
p
甲醇额
，之后跳转到s12。
74.s12、当p
需求
＝p
甲醇额
p
超级电容
时，判断超级电容的剩余电量e
超级电容
是否大于等于超级电容的第二设定电量，如果是，跳转到s13，否则跳转到s11；
75.当p
需求
＝p
甲醇额
p
超级电容
p
锂
时，判断超级电容和锂电池的剩余电量是否分别大于等于各自对应的第二设定电量，如果是，跳转到s13，否则跳转到s11。
76.本实施例中，超级电容的第二设定电量为其额定电量的70％。
77.s13、将甲醇重整制氢燃料电池的额定输出功率p
甲醇额
调整到设定输出功率p
甲醇min
，使p
需求
p
超级电容
＝p
铝空
p
甲醇min
，或p
需求
p
超级电容
p
锂
＝p
铝空
p
甲醇min
，跳转回s2。
78.s14、利用铝空气电池和甲醇重整制氢燃料电池在提供整车功率需求的同时多余的输出功率为超级电容和/或锂电池充电，p
需求
p
超级电容
p
锂
＝p
铝空
p
甲醇min
，或p
需求
p
超级电容
＝p
铝空
p
甲醇min
，或p
需求
p
超级电容
p
锂
＝p
铝空
p
甲醇min
，跳转回s6。
79.以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都
应涵盖在本发明的保护范围之内。