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原文传递盾构电机车的燃料电池与超级电容混合动力推进系统

专利名称：	盾构电机车的燃料电池与超级电容混合动力推进系统
摘要：	本发明公开了一种盾构电机车的燃料电池与超级电容混合动力推进系统，包括燃料电池模块、BOOST变换器、超级电容模组、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、PWM驱动隔离电路、电源电路、电机车运行控制器及与其连接的信号调理电路、环温传感器、GPS模块、三轴加速度传感器、触摸显示屏、时钟与复位电路、CAN接口。本发明的有益效果在于：所述燃料电池与超级电容混合动力推进系统在盾构电机车启动、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;方紫微;易雄胜;陈献忠;蔡尚松;蒋润德;文静
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-10T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-27T00:00:00+0800
申请号：	CN201910388897.2
公开号：	CN110171299A
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：	1.一种盾构电机车的燃料电池与超级电容混合动力推进系统，包括燃料电池模块、BOOST变换器、超级电容模组、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、PWM驱动隔离电路、电源电路、电机车运行控制器及与其连接的信号调理电路、环温传感器、GPS模块、三轴加速度传感器、触摸显示屏、时钟与复位电路、CAN接口；其特征是：燃料电池模块经BOOST变换器连接到直流母线DC_BUS，超级电容模组经双向DC/DC变换器连接直流母线DC_BUS，直流母线DC_BUS连接至用于在盾构附近经充电桩为超级电容模组补充电能的超级电容充电接口、并经DC/AC逆变器连接盾构电机车牵引电机，电源电路直接从直流母线DC_BUS的DC+、DC-取电变换后给电机车运行控制器及其外围电路供电，PWM驱动隔离电路用于将电机车运行控制器输出的PWM信号转换为DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器、BOOST变换器所需的控制信号；电机车运行控制器经CAN接口、CAN总线连接至燃料电池模块内的燃料电池控制器、超级电容模组内的超级电容BMS_CPU、超级电容充电接口，信号调理电路用于调理盾构电机车牵引电机的实时电压、电流、转速信号、双向DC/DC变换器和BOOST变换器的输出电压、电流信号，时钟与复位电路提供电机车运行控制器工作所需的时钟与复位信号，触摸显示屏用于系统参数设置、盾构电机车运行时的司机操控和实时工作状态显示，三轴加速度传感器监测盾构电机车的运动姿态，GPS模块监测盾构电机车的运行位置，环温传感器监测盾构电机车的工作环境温度；电机车运行控制器根据司机给定的运行指标要求，通过信号调理电路采集牵引电机的电压、电流、转速信号，以及双向DC/DC变换器和BOOST变换器的输出电压、电流信号，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驱动隔离电路输出控制信号到双向DC/DC变换器、BOOST变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电机车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式；盾构电机车启动、加速、爬坡及行驶阻力瞬间增大时，由燃料电池模块、超级电容模组同时为牵引电机提供动力；正常运行工况时，由燃料电池模块单独为牵引电机提供动力；在盾构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；盾构电机车制动时，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，通过触摸显示屏向司机预警。 2.根据权利要求1所述的盾构电机车的燃料电池与超级电容混合动力推进系统，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、风机的工作状态，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所述的盾构电机车的燃料电池与超级电容混合动力推进系统，其特征是：所述的超级电容模组包括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内部电路供电的电源电路，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，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的超级电容组，设置每个单体超级电容的外壳上用于监测其工作温度的M个温度传感器，设置在超级电容组的-端与单体超级电容M的负极之间用于监测超级电容组工作电流的电流传感器和用于控制超级电容组连接/断开的N沟道MOS管MOS1，以及用于控制N沟道MOS管MOS1的MOS管驱动电路；超级电容模组的+端由单体超级电容1的正极引出、-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，超级电容模组用于盾构电机车的启动、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，按盾构电机车的启动能耗和实际运行工况选择k个超级电容组并联工作；每个单体超级电容的两端均和电压检测与均衡模块有电连接线，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，电机车运行控制器可根据能量需求情况通过BMS_CPU模块控制超级电容模组的连接或断开。 4.根据权利要求1所述的盾构电机车的燃料电池与超级电容混合动力推进系统，其特征是：所述的DC/AC逆变器由开关管VT1~VT6、电感L1~L3、电容C1、电压传感器VTR1~VTR3、电流传感器CTR1~CTR3、速度传感器SD1组成；直流母线DC_BUS电压连接到开关管VT1~VT6组成的三个桥臂的两端，三个桥臂的中间点经电感L1~ L3后连接至牵引电机，电机车运行控制器按电压空间矢量脉宽调制方法输出PWM信号经PWM驱动隔离电路控制开关管VT1~VT6有规律地导通/关断，以实现直流母线DC_BUS电压到三相交流的逆变；电容C1用于吸收纹波和稳定直流母线侧电压，电压传感器VTR1~VTR3、电流传感器CTR1~CTR3用于检测牵引电机的工作电压、电流，速度传感器SD1用于检测牵引电机的转速，检测信号连接到信号调理电路。 5.根据权利要求1所述的盾构电机车的燃料电池与超级电容混合动力推进系统，其特征是：所述的双向DC/DC变换器由开关管VT7~VT10、电感L4~L5、电容C2~C4、分流器SHUNT1组成，电容C4用于吸收纹波和稳定直流母线侧电压，电容C3用于提高双向DC/DC变换器电压增益和降低开关管VT7~VT10的电压应力，电容C2用于吸收纹波和稳定超级电容侧电压，分流器SHUNT1用于检测直流母线侧电压、电流信号并连接到信号调理电路；电机车运行控制器根据电动机吸收功率和燃料电池模块输出功率智能决策并输出PWM信号经PWM驱动隔离电路控制开关管VT7~VT10有规律地导通/关断，以实现能量的双向流动；当盾构电机车启动时或者加速时，牵引电机瞬时吸收功率超过燃料电池模块额定输出功率，双向DC/DC变换器工作于Boost模式，超级电容模组输出能量以保证盾构电机车的稳定运行；当盾构电机车制动时，牵引电机回馈能量，双向DC/DC变换器工作于Buck模式，超级电容模组通过双向DC/DC变换器吸收牵引电机回馈的能量，对超级电容模组进行充电。 6.根据权利要求1所述的盾构电机车的燃料电池与超级电容混合动力推进系统，其特征是：所述的BOOST变换器由开关管VT11、电感L6、二极管D1、电容C5~C6、分流器SHUNT3组成，电容C6用于吸收纹波和稳定直流母线侧电压，电容C5用于吸收纹波和稳定燃料电池侧电压，二极管D1用于防止直流母线电流反流，分流器SHUNT2用于检测直流母线侧电压、电流信号并连接到信号调理电路；电机车运行控制器根据盾构电机车的能量需求智能决策并输出占空比、频率可调的PWM信号经PWM驱动隔离电路控制开关管VT11导通/关断，将燃料电池模块的输出电压升高到直流母线电压，以为牵引电机提供运行能量或为超级电容模组提供充电能量。 7.根据权利要求1所述的盾构电机车的燃料电池与超级电容混合动力推进系统，其特征是：所述的电机车运行控制器设置在主控CPU模块内，主控CPU模块对外的连接单元有连接三轴加速度传感器和环温传感器的IO口1、连接触摸显示屏的IO口2、连接PWM驱动隔离电路的IO口3、连接GPS模块的COM1口、连接CAN接口的COM2口、连接信号调理电路的信号采集模块，内部含有由PI调节器PI4、PI5组成的DC/AC逆变控制器、由PI调节器PI6、（SOC _max/SOC）K模块、低通滤波器LP组成的BOOST变换控制器和由PI调节器PI1、PI2、PI3组成的双向DC/DC变换控制器，以及给定选择模块、反馈选择模块、控制参数提取模块和控制器输出信号汇总与解调的PWM控制器；控制参数提取模块根据信号采集模块实时采集连接到信号调理电路的信号提取出牵引电机吸收功率PM、超级电容模组电压USC、燃料电池模块实时电压UFC、燃料电池模块实时电流IFC、牵引电机转速nM、牵引电机工作电流IM、电感L4电流IL4和电感L5电流IL5，通过CAN接口获取超级电容模组的SOC，经（SOC _max/SOC）K模块得到系统所需燃料电池能量PFC；盾构电机车运行时，将司机通过触摸显示屏给定的参考转速nref与实时牵引电机转速nM通过偏差调节器PI5得到变换器的参考电流IKZ，再与牵引电机工作电流IM相比较后经过电流调节器PI4得到DC/AC逆变器开关管VT1~VT6的控制参数，将系统所需燃料电池能量PFC通过低通滤波器LP后与燃料电池模块实时电压UFC相除得到系统所需燃料电池电流，再与燃料电池模块实时电流IFC相比较后经过电流调节器PI6得到BOOST变换器开关管VT11的控制参数，双向DC/DC变换器工作于Boost模式并采用功率外环、双电流内环的控制策略，由给定选择模块、反馈选择模块选择系统所需燃料电池能量PFC与牵引电机吸收功率PM通过偏差调节器PI3得到变换器的参考电流IREF，再与两电感电流IL4、IL5相比较，经过电流调节器PI1、PI2得到开关管VT7~VT10的控制参数，实现DC/AC逆变器、BOOST变换器、双向DC/DC变换器对能量的控制；盾构电机车制动时，BOOST变换器停止工作，牵引电机的机械能大量转化为电能并回馈到DC/AC逆变器的直流侧，双向DC/DC变换器工作于Buck模式，采用电压外环、双电流内环的控制策略，由给定选择模块、反馈选择模块选择超级电容模组电压USC与超级电容模组充电参考电压UREF通过偏差调节器PI3得到变换器的参考电流IREF，再与两电感电流IL4、IL5相比较，经过电流调节器PI1、PI2得到开关管VT7~VT10的控制参数，超级电容模组通过吸收牵引电机制动回馈的瞬时功率进行充电，以实现制动能量的回收。
所属类别：	发明专利