技术领域
[0001] 本发明属于全自动化产品领域，涉及一种氢燃料轨道交通车辆的能量管理方法。
相关背景技术
[0002] 氢能具有来源丰富、环境友好等特点，作为轨道交通低碳转型的优选能源，氢燃料轨道交通车辆应运而生。目前轨道交通行业广泛采用氢燃料电池与储能装置的混合动力形式，大多是根据车辆的总功率需求和储能装置剩余电量(SOC)进行管理。这种方式仅能满足车辆运行的基本需求，并没有从整车的角度充分考虑能量效率、续航里程以及动力源的寿命和发挥能力。因此需要整车的能量管理系统进行统筹控制。
[0003] 现有技术的技术方案如下：
[0004] 列车网络控制系统(TCMS)根据牵引所需功率和整车其他负载所需功率之和，平均分配给每套氢燃料电池，以此得到对每套氢燃料电池的功率需求。在储能装置SOC过高时，氢燃料电池停机，防止储能装置过充。
[0005] 现有技术是将针对单套氢燃料电池的控制策略机械地分发给全车每套氢燃料电池，没有从整车的角度进行能量管理。而且从功率需求出发仅能满足车辆基本运行，但没有考虑燃料电池的启停带来的额外损耗对续航里程的影响。在制定策略时没有充分考虑氢燃料电池响应慢的输出特性，实际运用中氢燃料电池无法快速的匹配整车的功率请求。
具体实施方式
[0093] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0094] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0095] 一种氢燃料轨道交通车辆的能量管理方法，包括以下步骤：
[0096] S1:获取牵引装置的牵引功率、牵引装置的电制动功率、其他用电系统的输出功率、储能装置输出状态、储能装置电池的荷电状态、整车剩余储氢量、氢燃料电池工作状态、氢燃料电池内部温度、氢燃料电池散热风机状态；
[0097] S2:对氢燃料电池系统的启动进行控制；
[0098] S3:判断氢燃料轨道交通车辆的状态；
[0099] S4:当氢燃料轨道交通车辆静止时，根据其他用电系统的输出功率和储能装置电池的荷电状态，对氢燃料轨道交通车辆进行控制；
[0100] 当氢燃料轨道交通车辆处于牵引工况时，基于燃料电池的工作效率和不同牵引功率对储能装置电池的荷电状态的影响，实现对氢燃料轨道交通车辆进行控制；
[0101] 当氢燃料轨道交通车辆处于制动工况时，基于储能装置的最大充电功率和牵引装置的电制动功率，限制牵引装置的电制动发挥功率和氢燃料电池的输出功率，实现对储能装置峰值功率过大超过储能装置极限值的防止；
[0102] 牵引系统的电制动功能解释：电制动又叫再生制动、反馈制动，用于电动车辆，在制动工况将电动机切换成发电机运转，利用车的惯性带动电动机转子旋转而产生反转力矩，将一部分的动能或势能转化为电能并加以储存或利用。
[0103] 电制动能力发挥的大小，用功率衡量；
[0104] 本申请中电制动发挥功率和电制动功率含义相同；
[0105] 当氢燃料轨道交通车辆处于稳定运行(惰行)时，基于燃料电池的工作效率和不同牵引功率对储能装置电池的荷电状态的影响，实现对氢燃料轨道交通车辆进行控制；惰行是指，车辆具备一定速度，既不施加牵引，也不施加制动，让车凭借速度和惯性自然运行的状态；
[0106] 当氢燃料轨道交通车辆处于故障模式时，按照故障的不同状态，实现对氢燃料轨道交通车辆进行控制。
[0107] 步骤S1/S2/S3/S4顺序执行；
[0108] 图1是氢燃料电池系统的启动流程图；
[0109] 所述对氢燃料电池系统的启动进行控制的过程如下：
[0110] 判断车辆自检是否完成，储能装置是否正常输出；
[0111] 车辆自检为轨道交通车辆基本功能，通过采集各子系统的自检结果，进行车辆自检的综合判断；
[0112] 根据储能装置输出状态判断其是否正常输出；
[0113] 当车辆自检完成和储能装置正常输出，控制全列氢燃料电池系统启动，氢燃料电池进行自检和吹扫；
[0114] 车辆控制氢燃料电池系统启动后，由氢燃料电池自行进行自检和吹扫；
[0115] 有可能会自检失败，但是自检失败的车辆是不允许投入运营的；
[0116] 判断环境温度是否大于等于零度；
[0117] 当环境温度≥零摄氏度时，对燃料电池进行热机，直至氢燃料电池系统到达正常工作状态，约5分钟；
[0118] 当环境温度<零摄氏度时，燃料电池进入冷启动流程，对燃料电池进行预热，预热时间10分钟，期间不对氢燃料电池进行功率请求，再对燃料电池进行热机，直至氢燃料电池系统到达正常工作状态。
[0119] 图2是车辆静止时，整车能量管理策略流程图；
[0120] 进一步地：所述当氢燃料轨道交通车辆静止时，根据其他用电系统的输出功率和储能装置电池的荷电状态，对氢燃料轨道交通车辆进行控制的过程如下：
[0121] 判断储能装置电池的荷电状态是否大于荷电状态阈值I，
[0122] 当储能装置电池的荷电状态>荷电状态阈值I时，以车辆静止时其他用电系统的输出功率对燃料电池平均分配功率请求值；
[0123] 当储能装置电池的荷电状态≤荷电状态阈值I时，根据效率曲线，控制燃料电池以高效区恒功率输出，直至储能装置电池的荷电状态>荷电状态阈值I，按其他用电系统(辅助负载功率)的输出功率平均分配；
[0124] 氢燃料电池的发电效率，用来表示充电和放电过程中的能量损耗，这个数值与产品型号、环境温度等参数相关，无法规定为具体数值，因此需要根据实际项目的产品应用和目标地气候，形成效率曲线，来确定燃料电池的高效区
[0125] 所述荷电状态阈值I设置为储能装置SOC的85％；
[0126] 图3是牵引工况下，整车能量管理策略流程图；
[0127] 进一步地，所述当氢燃料轨道交通车辆处于牵引工况时，基于燃料电池的工作效率和不同牵引功率对储能装置电池的荷电状态的影响，实现对氢燃料轨道交通车辆进行控制的过程如下：
[0128] 判断牵引装置的牵引功率是否小于全列氢燃料电池高效区的输出功率，[0129] 当牵引装置的牵引功率<全列氢燃料电池高效区的输出功率时，判断储能装置电池的荷电状态是否大于荷电状态阈值I，
[0130] 当储能装置的荷电状态>荷电状态阈值I时，全列氢燃料电池按牵引装置的牵引功率平均分配(一列车的氢燃料电池数量可能不同，比如全列有4套或6套氢燃料电池，将功率总额除以氢燃料电池的数量，进行每套氢燃料电池的功率分配)；否则继续执行全列氢燃料电池按高效区输出；
[0131] 当牵引装置的牵引功率≥全列氢燃料电池高效区的输出功率时，判断储能装置的荷电状态是否大于荷电状态阈值II，
[0132] 当储能装置的荷电状态≥荷电状态阈值II时，全列氢燃料电池按高效区输出；
[0133] 当储能装置的荷电状态<荷电状态阈值II时，
[0134] 判断储能装置的荷电状态是否满足荷电状态阈值III≤储能装置的荷电状态<荷电状态阈值II；
[0135] 当储能装置的荷电状态满足荷电状态阈值III≤储能装置的荷电状态<荷电状态阈值II时，执行全列氢燃料电池按最大功率工作；
[0136] 当储能装置的荷电状态不满足荷电状态阈值III≤储能装置的荷电状态<荷电状态阈值II时，限制牵引功率，使列车实时需求功率与全列氢燃料电池最大功率之和一致。
[0137] 氢燃料电池是用氢发电的，这个电能既可以供车辆消耗使用，也可以给储能装置充电。可以理解成汽车中插混电车的柴油发动机。
[0138] 储能装置是用于大部分情况下电能的平稳平稳输出和对回馈电能的吸收。可以理解成汽车中插混电车的电池。
[0139] 所述荷电状态阈值II是储能装置SOC的60％，荷电状态阈值III是储能装置SOC的30％；
[0140] 图4是制动工况下，整车能量管理策略流程图；
[0141] 制动工况下，因产生再生能量对储能装置进行充电，为防止峰值功率过大超过储能装置极限值，限制电制动发挥功率和氢燃料电池的输出功率，
[0142] 所述当氢燃料轨道交通车辆处于制动工况时，基于储能装置的最大充电功率和牵引装置的电制动功率，限制牵引装置的电制动发挥功率和氢燃料电池的输出功率，实现对储能装置峰值功率过大超过储能装置极限值的防止的过程如下：
[0143] 判断储能装置最大充电功率的80％是否大于全列电制动功率与氢燃料电池输出功率之和；
[0144] 当最大充电功率的80％>全列电制动功率与氢燃料电池输出功率之和时，牵引装置的电制动功率保持不变，氢燃料电池保持原有输出功率不变；
[0145] 当最大充电功率的80％≤全列电制动功率与氢燃料电池输出功率之和时，判断储能装置最大功率是否大于全列电制动功率与氢燃料电池输出功率之和；
[0146] 当储能装置最大功率>全列电制动功率与氢燃料电池输出功率之和时，全列电制动功率保持不变，按储能装置最大充电功率与全列电制动功率之间的差值对氢燃料电池输出功率进行控制；
[0147] 当储能装置最大功率≤全列电制动功率与氢燃料电池输出功率之和时，判断储能装置最大功率的120％是否大于全列电制动功率与氢燃料电池输出功率之和；
[0148] 当储能装置最大功率的120％>全列电制动功率与氢燃料电池输出功率时，牵引装置的电制动功率将为80％，按储能装置最大充电功率与全列电制动功率之间的差值的80％对氢燃料电池输出功率进行控制；
[0149] 当储能装置最大功率的120％≤全列电制动功率与氢燃料电池输出功率时，判断判断储能装置最大功率的120％是否小于等于全列电制动功率与氢燃料电池输出功率之和；
[0150] 当储能装置最大功率的120％≤全列电制动功率与氢燃料电池输出功率之和时，切除电制动，氢燃料电池保持原有的输出功率不变；
[0151] 当储能装置最大功率的120％>全列电制动功率与氢燃料电池输出功率之和时，继续对储能装置最大充电功率的80％是否大于全列电制动功率与氢燃料电池输出功率之和进行判断。
[0152] 考虑氢燃料电池的发挥效率，网络异常时进入紧急运行模式的续航里程，同时防止制动时储能装置过充，车辆稳定运行时，策略同牵引工况，保证储能装置SOC尽量处于60％到85％之间。
[0153] 因氢燃料电池的输出效率与系统输出功率密切相关，为保证最大续航里程，定义输出效率最大点所对应的输出功率值为氢燃料电池高效区；
[0154] 以上数值为浮动值，将根据具体项目的线路条件、氢燃料电池系统和储能装置的选型进行计算和调整，保证车辆能最大程度的发挥氢燃料电池和储能装置的性能。
[0155] 所述故障状态包括车辆出现异常情况、氢燃料电池故障和制动工况下电制动功率与燃料电池输出功率之和过高时三种情况。
[0156] 图5是紧急停机策略流程图；
[0157] 进一步地：当车辆出现异常情况，对氢燃料轨道交通车辆进行控制的过程如下：
[0158] 当燃料电池自检成功且已进行功率输出时，判断是否产生紧急停机信号即司机是否操作紧急停机按钮；
[0159] 当产生紧急停机信号时；确定氢燃料轨道交通车辆处于紧急状态，全列氢然料电池系统紧急停机，进入锁定状态，本次上电再工作；
[0160] 当未产生紧急停机信号时，判断氢燃料轨道交通车辆是否出现火灾报警、障碍物触发、紧急制动、母线电压超限、氢管路泄漏其中一种或多种情况；
[0161] 当氢燃料轨道交通车辆出现火灾报警、障碍物触发、紧急制动、母线电压超限、氢管路泄漏其中一种或多种情况时；确定氢燃料轨道交通车辆处于紧急状态，全列氢然料电池系统紧急停机，进入锁定状态，本次上电再工作；
[0162] 当氢燃料轨道交通车辆未出现火灾报警、障碍物触发、紧急制动、母线电压超限、氢管路泄漏等其中一种或多种情况时；判断列车网络控制系统TCMS是否出现异常或TCMS与全列氢燃料电池系统通信是否异常；
[0163] 当TCMS出现异常或TCMS与全列氢燃料电池系统通信出现异常，则确定氢燃料轨道交通车辆处于紧急状态，全列氢然料电池系统紧急停机，进入锁定状态，本次上电再工作；
[0164] 当TCMS出现异常和TCMS与全列氢燃料电池系统通信均未出现异常时，判断单套氢然料电池是否发生严重故障；
[0165] 相同的故障对不同氢燃料电池系统厂家设备的影响不同，因此我们只提每种故障等级的定义，由厂家针对不同故障进行等级裁定。具体如下：严重故障：必须马上停止工作并锁定；中等故障：马上停机，排查故障后可以再次启动；轻微故障：不影响功能，可以继续使用，结束运营后排查
[0166] 当单套氢然料电池发生严重故障时，故障氢燃料电池系统紧急停机，进入锁定状态，本次上电不再工作；
[0167] 当单套氢然料电池发生未严重故障时，返回判断是否产生紧急停机信号。
[0168] 当出现储氢量、供氧量不足导致的浓度、压力或流量影响氢燃料电池正常运行，或氢燃料电池出现中等故障时，将进行停机动作，不进入锁定状态，故障排查后可以再次启动，
[0169] 图6是故障排查后再次启动的控制策略流程图；
[0170] 当氢燃料电池故障，对氢燃料轨道交通车辆进行控制的过程如下：
[0171] 当燃料电池自检成功且已进行功率输出时，判断是否产生紧急停机信号即司机是否操作紧急停机按钮；
[0172] 当产生紧急停机信号时，则全列氢燃料系统停机，等待启动指令；
[0173] 当未产生紧急停机信号时判断储能装置荷电状态是否大于荷电状态阈值IV；荷电状态阈值IV是储能装置SOC的95％；
[0174] 当储能装置荷电状态≤荷电状态阈值IV，则全列氢燃料系统停机，等待启动指令；
[0175] 当储能装置荷电状态>荷电状态阈值IV时，判断储氢量不足或供氧量是否不足，当存在储氢量不足或供氧量不足任一一种情况，则全列氢燃料系统停机，等待启动指令；
[0176] 当不存在储氢量不足或供氧量不足任一一种情况，则判断单套氢然连电池是否发生中等故障；
[0177] 当单套氢然连电池发生中等故障时，则故障氢燃料电池系统停机，等待启动指令；
[0178] 当单套氢然连电池未发生中等故障时，则返回判断是否产生紧急停机信号。
[0179] 图7是故障排查后再次启动的控制策略流程图；
[0180] 进一步地，当制动工况下电制动功率与燃料电池输出功率之和过高时，对氢燃料轨道交通车辆进行控制的过程如下：
[0181] 当燃料电池自检成功且已进行功率输出时，判断制动工况下电制动功率与燃料电池输出功率之和是否过高；制动工况下电制动功率与燃料电池输出功率之和过高包括如下两种情况：
[0182] 储能装置最大充电功率*120％>电制动功率与燃料电池输出功率之和≥储能装置最大充电功率时，将电制动功率降为原值的80％，氢燃料电池功率降为储能装置最大充电功率与全列电制动功率之间差值的80％；
[0183] 电制动功率与燃料电池输出功率之和≥储能装置最大充电功率*120％时，将电制动切除，氢燃料电池功率保持不变；
[0184] 当制动工况下电制动功率与燃料电池输出功率之和不是过高情形时，判断氢燃料电池内部温升是否异常或散热风机是否异常或冷却水进出口温度是否异常；
[0185] 异常情况，因系统厂家不同、产品型号不同，导致数值不同：1、内部温升速度超过限制值；2、散热风机转速低于正常值；3、冷却水进出口温度超过限制值；
[0186] 当存在氢燃料电池内部温升异常或散热风机否异常或冷却水进出口温度异常其中一种情况时，阶梯性限制故障氢燃料系统的输出功率直至报警消除(由确定型号后与厂家讨论确定，针对上述问题对系统的影响情况，对限制值进行分级，比如超过限制值1，限制为常规策略下的85％，超过限制值2，限制为常规策略下的70，类似如此)，不足的功率需求由其他氢燃料电池补足；
[0187] 当不存在氢燃料电池内部温升异常或散热风机否异常或冷却水进出口温度异常其中一种情况时，则返回判断制动工况下电制动功率与燃料电池输出功率之和是否过高。
[0188] 一种氢燃料轨道交通车辆的能量管理系统，包括：
[0189] 获取模块:用于获取牵引装置的牵引功率、牵引装置的电制动功率、其他用电系统的输出功率、储能装置输出状态、储能装置电池的荷电状态、整车剩余储氢量、氢燃料电池工作状态、氢燃料电池内部温度、氢燃料电池散热风机状态；
[0190] 电池控制模块:用于对氢燃料电池系统的启动进行控制；
[0191] 判断模块:用于判断氢燃料轨道交通车辆的状态；
[0192] 车辆控制模块:用于当氢燃料轨道交通车辆静止时，根据其他用电系统的输出功率和储能装置电池的荷电状态，判断储能装置电池的荷电状态是否大于荷电状态阈值，对氢燃料轨道交通车辆进行控制；
[0193] 当氢燃料轨道交通车辆处于牵引工况时，基于燃料电池的工作效率和不同牵引功率对储能装置电池的荷电状态的影响，实现对氢燃料轨道交通车辆进行控制；
[0194] 当氢燃料轨道交通车辆处于制动工况时，基于储能装置的最大充电功率和牵引装置的电制动功率，限制牵引装置的电制动发挥功率和氢燃料电池的输出功率，实现对储能装置峰值功率过大超过储能装置极限值的防止；
[0195] 当氢燃料轨道交通车辆处于紧急运行模式时，氢燃料轨道交通车辆处于牵引工况，实现对氢燃料轨道交通车辆进行控制；
[0196] 当氢燃料轨道交通车辆处于故障模式时，按照故障的不同状态，实现对氢燃料轨道交通车辆进行控制。
[0197] 能量管理系统通过以太网总线与氢燃料电池系统、储氢系统和其他各子系统进行数据交互。
[0198] 系统架构示意图如下图8、9所示，能量管理系统搭载于两台控制器，互相热备冗余，同时采用双归属环网的网络架构，以保证单点故障不影响系统的正常运行。
[0199] 其中TCMS负责对各系统状态和环境变量进行采集；储氢系统主要负责上报阀门、管路状态和剩余储氢量；氢燃料电池系统需提供内部温度、冷却风机状态、输出功率等信息；储能装置应实时上传剩余电量和输出电流。能量管理系统将交互的数据进行分析处理，并最后完成对整车的能量管理。
[0200] 整列车配4套氢燃料电池系统，每套最大输出功率为Pw，假定单套高效区输出功率为Ph，根据能量管理策略，在非制动工况对每套氢燃料电池系统的功率分配如下表所示：
[0201]
[0202] 制动工况下，需比较储能装置最大充电功率Pi，全列电制动功率Pe和全列氢燃料电池输出功率Po，策略如下表：
[0203]
[0204] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
