[0001] 本发明公开涉及氢燃料电池轨道交通技术领域，特别地涉及一种混合动力机车及其混动控制系统。

[0002] 混合动力机车为适应场内调车以及小运转作业的需求，采用氢燃料电池+动力电池用于机车牵引，可以保证在无网线路上的应用，拓宽混合动力机车的适应性范围。混合动力机车牵引功率大，相应的动力电池输出功率大、电压高。目前较为成熟应用的集成式氢燃料电池包输出电压通常在1000V以下，氢燃料电池的输出端需要增加变流器对输出进行升压控制，以匹配动力电池。

[0003] 成熟运用的氢燃料电池通常为集成式氢燃料电池包，包含燃料电池、辅助设备和直流变流器，为了保护燃料电池、延长燃料电池寿命，燃料电池不允许空载运行，氢燃料电池包内的直流变流器负责输出燃料电池产生的功率，无法控制后端的电压。氢燃料电池包后端的双向DCDC变流器需要维持氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压及动力电池侧电压，但由于氢燃料电池按恒定功率输出，且功率是从0上升至设定功率值，氢燃料电池包内还有辅助设备在消耗功率，无法预知双向DCDC变流器需要输出的功率数据，也无法判断氢燃料电池内的功率何时达到饱和。

[0004] 因此，现有混合动力机车的混动控制系统不能保证燃料电池的正常启动及电能的稳定输出，导致氢燃料电池输出端电压过压、电能堆积，对氢燃料电池造成损害，降低氢燃料电池的使用寿命。

[0042] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明公开的技术方案，并对本发明公开如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施，下面将结合本发明公开实施例中的附图，对本发明公开的实施例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公开一部分的实施例，而不是全部的实施例。本发明公开的实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明公开的保护范围之内。基于本发明公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明公开保护的范围。

[0043] 需要说明的是，本发明公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0044] 需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

[0045] 混合动力机车为适应场内调车以及小运转作业的需求，采用氢燃料电池+动力电池用于机车牵引，可以保证在无网线路上的应用，拓宽混合动力机车的适应性范围。混合动力机车牵引功率大，相应的动力电池输出功率大、电压高。目前较为成熟应用的集成式氢燃料电池包输出电压通常在1000V以下，氢燃料电池的输出端需要增加变流器对输出进行升压控制，以匹配动力电池。

[0046] 成熟运用的氢燃料电池通常为集成式氢燃料电池包，包含燃料电池、辅助设备和直流变流器，为了保护燃料电池、延长燃料电池寿命，燃料电池不允许空载运行，氢燃料电池包内的直流变流器负责输出燃料电池产生的功率，无法控制后端的电压。氢燃料电池包后端的双向DCDC变流器需要维持氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压及动力电池侧电压，但由于氢燃料电池按恒定功率输出，且功率是从0上升至设定功率值，氢燃料电池包内还有辅助设备在消耗功率，无法预知双向DCDC变流器需要输出的功率数据，也无法判断氢燃料电池内的功率何时达到饱和。

[0047] 因此，现有混合动力机车的混动控制系统不能保证燃料电池的正常启动及电能的稳定输出，导致氢燃料电池输出端电压过压、电能堆积，对氢燃料电池造成损害，降低氢燃料电池的使用寿命。

[0048] 实施例一

[0049] 图1为一种混合动力机车的混动控制系统结构示意图；图2为一种混合动力机车的混动控制电路示意图。为了避免混淆，对混合动力机车的混动控制系统中的双向DCDC变流器整流变压方向及电压进行定义；

[0050] 如图2所示，当双向DCDC变流器反向输入时，动力电池通过双向DCDC变流器向氢燃料电池包输送电能，通过双向DCDC变流器进行降压；

[0051] 具体的，电流从动力电池第一端流出至双向DCDC变流器的第二端，由双向DCDC变流器的第一端流出至氢燃料电池包的第一极，再由氢燃料电池包的第二极流出至双向DCDC变流器的第四端，最后经双向DCDC变流器的第三端流出至动力电池的第二端。

[0052] 当双向DCDC变流器正向输出时，氢燃料电池包通过双向DCDC变流器向动力电池输送电能，通过双向DCDC变流器进行升压；

[0053] 具体的，电流从氢燃料电池包第一极流出至双向DCDC变流器的第一端，由双向DCDC变流器的第二端流出至负载的第一端，再由负载的第二端流出至双向DCDC变流器的第三端，最后经双向DCDC变流器的第四端流出至氢燃料电池包的第二极。

[0054] 图2中，K1为第一开关，K2为第二开关，UI为氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压，Uo为动力电池与双向DCDC变流器之间的电压；

[0055] 如图1所示，本实施例提供一种混合动力机车的混动控制系统，包括：氢燃料电池包、双向DCDC变流器、动力电池和控制模块；

[0056] 氢燃料电池包的第一极与双向DCDC变流器的第一端电连接，双向DCDC变流器的第二端与动力电池的第一端电连接，动力电池的第二端与双向DCDC变流器的第三端电连接，双向DCDC变流器的第四端与氢燃料电池包的第二极电连接；

[0057] 如图3所示，控制模块用于：

[0058] S301：获取动力电池与双向DCDC变流器之间的电压和氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压；

[0059] S302：当动力电池与双向DCDC变流器之间的电压大于动力电池的最小工作电压时，控制双向DCDC变流器反向输入，动力电池通过双向DCDC变流器向氢燃料电池包输送电能，使氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压升高；

[0060] S303：当氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压超过预设电压阈值时，控制双向DCDC变流器正向输出，氢燃料电池包通过双向DCDC变流器向动力电池输送电能，使氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压下降；

[0061] S304：当双向DCDC变流器正向输出，且氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压发生变化时，调整双向DCDC变流器变压系数，直到氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压稳定。

[0062] 进一步地，还包括负载，双向DCDC变流器的第二端与负载的第一端电连接，负载的第二端与双向DCDC变流器的第三端电连接。

[0063] 进一步地，氢燃料电池包包括氢燃料电池、直流变流器和辅助设备；双向DCDC变流器的第一端与直流变流器的第一端电连接，直流变流器的第二端与氢燃料电池的第一极电连接，氢燃料电池的第二极与直流变流器的第三端电连接，直流变流器的第四端与双向DCDC变流器的第四端电连接；

[0064] 辅助设备的第一端与双向DCDC变流器的第一端电连接，辅助设备的第二端与双向DCDC变流器的第四端电连接。

[0065] 进一步地，还包括二极管，动力电池的第一端与二极管的正极电连接，二极管的负极与双向DCDC变流器的第二端电连接。

[0066] 进一步地，动力电池为镍氢电池、铅酸电池或锂离子电池中的一种。

[0067] 进一步地，动力电池包括第一动力电池组和第二动力电池组；

[0068] 第一动力电池组的第一端和第二动力电池组的第一端均与双向DCDC变流器的第二端电连接；

[0069] 第一动力电池组的第二端和第二动力电池组的第二端均与双向DCDC变流器的第三端电连接。

[0070] 进一步地，第一动力电池组第一端与双向DCDC变流器的第二端连接的电路上设置有第一开关K1，第二动力电池组第一端与双向DCDC变流器的第二端连接的电路上设置有第二开关K1，第一动力电池组和第二动力电池组输出电能前，闭合第一开关K1和第二开关K2。

[0071] 实施例二

[0072] 在上述实施例的基础上，控制模块还用于：

[0073] 控制双向DCDC变流器启动，动力电池通过所述双向DCDC变流器向氢燃料电池包输送电能，氢燃料电池包开启；

[0074] 氢燃料电池包正常启动后，控制氢燃料电池包的输出功率升高，使氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压上升。

[0075] 进一步地，控制模块还用于：

[0076] 当双向DCDC变流器正向输出，且氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压下降时，减小双向DCDC变流器变压系数，控制氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压增大；

[0077] 当双向DCDC变流器正向输出，且氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压上升时，增大双向DCDC变流器变压系数，控制氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压减小。

[0078] 进一步地，控制模块用于：

[0079] 当双向DCDC变流器反向输入时，根据动力电池与双向DCDC变流器之间的电压和氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压，确定双向DCDC变流器变压系数，计算公式为：

[0080] Uo＝a·UI

[0081] 式中，Uo为动力电池与双向DCDC变流器之间的电压，a为双向DCDC变流器变压系数，UI为氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压；

[0082] 当双向DCDC变流器正向输出时，根据预设电压阈值、动力电池的最小工作电压和动力电池侧最大电压保护值，确定双向DCDC变流器变压系数，双向DCDC变流器变压系数的范围为：

[0083] (Uomin/Uy，Uomax/Uy)

[0084] 其中，Uomin为动力电池的最小工作电压，Uomax为动力电池侧最大电压保护值，Uy为预设电压阈值。

[0085] 具体的，由于UI与Uo相互影响，成正比关系，具体变压系数a由双向DCDC变流器控制，关系等式为：

[0086] Uo＝a·UI

[0087] 式中，Uo为动力电池与双向DCDC变流器之间的电压，a为双向DCDC变流器变压系数，UI为氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压；

[0088] 根据氢燃料电池输出端器件的特性及设计电压，可以得到UI的电压范围(假定电压范围为DC500V～DC700V)及额定值(假定为DC600V)，因此当双向DCDC变流器反向输入时，双向DCDC变流器输入的UI为额定值，变压系数根据此时动力电池与双向DCDC变流器之间的电压确定。

[0089] 进一步地，双向DCDC变流器反向输入时，双向DCDC变流器启动，当动力电池与双向DCDC变流器之间的电压大于动力电池的最小工作电压时，双向DCDC变流器即可正常进行降压工作，双向DCDC变流器将动力电池与双向DCDC变流器之间的电压降压输入至氢燃料电池包一侧，用于氢燃料电池包的启动；

[0090] 由于动力电池与双向DCDC变流器之间的电压相对稳定，双向DCDC变流器可以根据动力电池初始输出电压Uo1与UI的最小值，确定降压的初始双向DCDC变流器变压系数a0，依据初始双向DCDC变流器变压系数进行降压工作，当根据初始双向DCDC变流器变压系数输出的UI与UI最小值存在差异，可实时调整双向DCDC变流器变压系数和占波比。

[0091] 双向DCDC变流器在反向输入时，能量从动力电池侧传递至氢燃料电池包侧，控制所述氢燃料电池包开启，同时氢燃料电池包自检无故障，氢燃料电池包正常启动，控制氢燃料电池包输出功率从0开始增加，使氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压上升，氢燃料电池包与动力电池同时为氢燃料电池包内的辅助设备供电，因此辅助设备对双向DCDC变流器反向输入的电源的能量需求逐步减小，相应反向输入的电流也会逐步减小，这是电压型电源被动实现的自然特性，双向DCDC变流器在反向输入时相当于一个电压型电源。

[0092] 进一步地，由于氢燃料电池是一个控制功率输出的电源，等同于一个电流型电源，当氢燃料电池包的输出完全满足辅助设备的需求后，输出功率继续增大，如果此时双向DCDC变流器未及时换向，功率及能量无法通过双向DCDC变流器输出至动力电池进行消耗，剩余功率堆积在氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电路上，将导致电路电压急剧攀升，电路过压保护。因此需要设置一个预设电压阈值Uy，当氢燃料电池包与双向DCDC变流器间的电压UI达到预设电压阈值Uy后，双向DCDC变流器从反向输入转换为正向输出。

[0093] 预设电压阈值Uy为固定值，且应在氢燃料电池包正常工作电压范围内，即DC500V～DC700V，根据实际试验，由于双向DCDC变流器从反向输入变成正向输出需要一定的时间，且氢燃料电池包输出达到饱和，即输出满足辅助设备消耗后，电压UI会出现快速上升，因此该预设电压阈值应小于额定电压值，并尽量接近最小工作电压，避免换向过程中电能堆积，UI超过电压保护值导致氢燃料电池包保护关机。不同的系统由于系统换向时间、电路参数等影响，阈值Uy不同，需要根据实际设置。

[0094] 进一步地，双向DCDC变流器正向输出时，双向DCDC变流器如果直接根据动力电池初始输出电压Uo1与Uu确定双向DCDC变流器变压系数a0进行升压输出，可能存在动力电池侧负载功率需求较大，阻抗较低，出现双向DCDC变流器输出功率＞(氢燃料电池包输出功率‑氢燃料电池包内辅助设备消耗功率)的情况，此时氢燃料电池包输出的功率不满足负载需求，将导致氢燃料电池包与双向DCDC变流器间的电压UI快速下降，甚至出现欠压保护。

[0095] 为避免出现类似问题，双向DCDC变流器变压系数应从最小值开始，实现功率的软输出。

[0096] 双向DCDC变流器变压系数a需要根据动力电池的电压确定，假定动力电池的最小工作电压为Uomin，动力电池侧最大电压保护值为Uomax，变压系数a的范围应为(Uomin/Uy，Uomax/Uy)；

[0097] 双向DCDC变流器反向输入时，在UI达到阈值Uy后，双向DCDC变流器进行换向，双向DCDC变流器变压系数从最小开始执行，并根据UI的变化确定双向DCDC变流器变压系数变化，当UI上升时，应继续增大双向DCDC变流器变压系数；当UI下降时，应减小双向DCDC变流器变压系数，直至UI稳定。

[0098] 在一些实施例中，双向DCDC变流器正向输出的过程中，当动力电池侧负载出现突变，如负载突然增大，动力电池与双向DCDC变流器之间的电压可能出现短时间下降，由于Uo＝a·UI，UI也会下降，为维持UI的稳定，需要减小双向DCDC变流器变压系数；如出现负载突然减小或电制动，氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压出现能量堆积，导致电路电压升高，双向DCDC变流器需要增大双向DCDC变流器变压系数，确保双向DCDC变流器输出的电压Uo大于负载前端电路的电压，从而保证氢燃料电池包的功率能从氢燃料电池包侧输出至负载侧，避免能量堆积在氢燃料电池包内，影响氢燃料电池包寿命。对于输出至负载侧的能量，可通过负载中的制动电阻等负载快速消耗降压。

[0099] 本发明公开提供的一种混合动力机车及其混动控制系统，包括氢燃料电池包、双向DCDC变流器、动力电池和控制模块；当动力电池与双向DCDC变流器之间的电压大于动力电池的最小工作电压时，变流器反向输入，当氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压超过预设电压阈值时，变流器正向输出，且当氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压发生变化时，调整变压系数，直到氢燃料电池包与双向DCDC变流器之间的电压稳定；实现氢燃料电池包和动力电池，两种不同电压等级电源的匹配供电，实现变流器的快速换向，保证氢燃料电池包的正常启动及电能的稳定输出；避免氢燃料电池包输出端电压过压、电能堆积对氢燃料电池包造成损害，延长氢燃料电池的使用寿命。

[0100] 实施例三

[0101] 在上述实施例的基础上，本实施例提供一种混合动力机车，包括上述实施例所述的混合动力机车的混动控制系统。

[0102] 在本发明公开所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明公开的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，上述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

[0103] 需要说明的是，在本发明公开中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0104] 虽然本发明公开所揭露的实施方式如上，但上述的内容只是为了便于理解本发明公开而采用的实施方式，并非用以限定本发明公开。任何本发明公开所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明公开所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明公开的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。