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原文传递基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源

专利名称：	基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源
摘要：	本发明公开了一种基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源，包括1个燃料电池模块，k组设置有超级电容BMS的超级电容模组，以及BOOST变换器、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、超级电容充电接口和内含CAN接口、PWM接口、信号采集模块的电机车运行控制器。本发明的有益效果在于：所述混合动力电源在盾构电机车启动、加速、爬坡和遇到行驶阻力较大时能够快速地提供大功率电流，提高盾构电机车的动力性与经济性；在制动时能够快速地回收牵引电机产生的瞬间大电流，实现再生制动能量吸收，在燃料电池的工作介质足够时电机车可持续运行。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	湖南科技大学
发明人：	黄采伦;赵延明;谢文超;方紫微;陈献忠;文静;蔡尚松;蒋润德
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-10T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-13T00:00:00+0800
申请号：	CN201910388890.0
公开号：	CN110116637A
分类号：	B60L50/40(2019.01);B;B60;B60L;B60L50
申请人地址：	411201 湖南省湘潭市雨湖区桃源路2号
主权项：	1.一种基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源，包括1个燃料电池模块，k组设置有超级电容BMS的超级电容模组，以及BOOST变换器、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、超级电容充电接口和内含CAN接口、PWM接口、信号采集模块的电机车运行控制器；其特征是：燃料电池模块的输出经BOOST变换器后连接到直流总线DC_BUS，提供盾构施工配套电机车正常行车所需的电能，其容量按电机车正常运行所需的电能来选择；k组超级电容模组并联后经双向DC/DC变换器连接到直流总线DC_BUS，用于盾构施工配套电机车的启动、加速、爬坡和持续大负荷运行工况下的能量补给，以及制动、下坡工况下的能量回收，其组数k按盾构施工配套电机车的启动能耗和实际运行工况选择；直流总线DC_BUS连接至用于在盾构机附近经充电桩为超级电容补充电能的超级电容充电接口、并经DC/AC逆变器连接盾构施工配套电机车牵引电机，电机车运行控制器内的CAN接口经CAN总线连接至燃料电池模块、k个超级电容BMS、超级电容充电接口；电机车运行控制器根据人机接口给定的运行指标要求，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，结合通过CAN总线获取燃料电池模块、超级电容模组的状态信息，经智能决策后由PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、BOOST变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构施工配套电机车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式。 2.根据权利要求1所述的基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源，其特征是：所述的燃料电池模块由PEMFC电堆、燃料电池控制器、减压与稳压器、滤清器、风机、加湿器、过滤器、水箱、散热器、水泵组成；高压氢气由H2进气口进入经减压与稳压器后降至适合的压力等级，然后进入PEMFC电堆，在质子交换膜上与空气发生氧化还原反应，反应完成后的剩余氢气及杂质通过排气口释放到大气中；PEMFC电堆是燃料和氧化剂进行反应的场所，氢气进入阳极后与阴极的空气在质子交换膜上发生反应，产生自由电子，通过+接线端、-接线端接入负载形成电流；空气经过滤清器后进入风机，再进入加湿器与反应后的湿热空气进行焓湿交换，加湿后的空气进入PEMFC电堆与氢气反应，反应后生成的水和剩余的空气返回加湿器并在加湿器中大部分焓湿热均被空气带走后直接排入大气；水泵吸入经过滤器的水箱中的冷却水后进入 PEMFC电堆，吸收电堆反应热后出来再进入散热器进行散热，最后回到水箱以形成冷却水循环；燃料电池控制器接收来自电机车运行控制器的指令，监测和控制PEMFC电堆、减压与稳压器、水泵、水泵的工作状态，并向电机车运行控制器发送燃料电池模块工作状态参数。 3.根据权利要求1所述的基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源，其特征是：所述的超级电容模组由M个额定容量为C法拉、储存能量为E瓦时、额定电压为X伏特的单体超级电容串联而成，超级电容模组的正端由单体超级电容1的正极引出、负端由单体超级电容M的负极引出，其额定容量为C/M法拉、储存能量为ME瓦时、额定电压为MX伏特；每个单体超级电容的外壳上设置一个用于监测其工作温度的温度传感器，在超级电容模组的负端与单体超级电容M的负极之间设置一个用于监测超级电容模组工作电流的电流传感器和一个用于控制超级电容模组连接/断开的N沟道MOS管MOS1，每个单体超级电容的两端均设置有与超级电容BMS的电连接线，超级电容BMS实时监测各单体超级电容的端电压和外壳温度、超级电容模组工作电流以实现模组内各单体超级电容在充放电过程中的电压动态均衡；电机车运行控制器器可根据能量需求情况通过超级电容BMS控制超级电容模组的连接或断开。 4.根据权利要求1所述的基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源，其特征是：所述超级电容BMS包括BMS_CPU模块，提供BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从超级电容模组两端取电变换后给超级电容BMS供电的电源电路，用于经CAN总线与电机车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各单体超级电容两端工作电压并实现模组内各单体超级电容在充放电过程中电压动态均衡的电压检测与均衡模块；在超级电容模组充电或放电过程中，BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测超级电容模组的工作电流，通过M个温传感器实时监测各单体超级电容的工作温度，通过电压检测与均衡模块实时监测各单体超级电容的端电压并智能决策将稍高单体超级电容的能量转移到稍低的单体超级电容上，以实现各单体超级电容的动态均压，同时还估算各单体超级电容的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将超级电容模组的状态参数传输到电机车运行控制器。 5.根据权利要求1所述的基于燃料电池与超级电容的盾构电机车混合动力电源，其特征是：所述的电机车运行控制器包括运行控制CPU模块，直接从直流总线DC_BUS的DC+、DC-取电变换后给电及车运行控制器供电的电源电路，经CAN总线与燃料电池模块、超级电容BMS通信的CAN接口，提供运行控制CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于系统参数设置、电机车运行操控和实时工作状态显示的人机接口，监测电机车运动姿态的三轴加速度传感器，监测电机车运行位置的GPS模块，监测电机车工作环境温度的环温传感器，用于通过传感器实时监测电机车牵引电机电流、转速的信号采集单元，用于为DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器、BOOST变换器提供控制信号的PWM驱动控制电路及PWM接口；电机车运行控制CPU模块通过人机接口接收到运行操控指令后，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，通过CAN总线获取燃料电池模块、超级电容模组的状态信息，再结合GPS模块采集的运行位置信息、三轴加速度传感器采集的运动姿态信息，经智能决策后由PWM驱动控制电路及PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、BOOST变换器、DC/AC逆变器，以实现电机车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式；电机车启动、加速、爬坡及行驶阻力瞬间增大时，由燃料电池模块经BOOST变换器、超级电容模组经双向DC/DC变换器同时为牵引电机提供动力；正常运行工况时，由燃料电池模块经BOOST变换器单独为牵引电机提供动力；在电机车回程运行且接近盾构机时，优先由超级电容模组为牵引电机提供动力，直至超级电容模组SOC降到下限值为止；电机车制动时，双向DC/DC变换器反向导通，由超超级电容模组回收牵引电动机产生的电能；当环温传感器监测到工作环境温度过高或其它异常工况时，通过人机接口向用户预警。
所属类别：	发明专利