100%低地板有轨电车中的燃料电池混合动力系统

100%低地板有轨电车中的燃料电池混合动力系统

张树颖杨一步王海娜

张树颖杨一步王海娜

（中车唐山机车车辆有限公司河北唐山063035）

摘要：燃料电池混合动力有轨电车采用燃料电池和超级电容以及蓄电池构成的混合动力系统，是一个涉及机械、电气、化学、控制等多领域的极为复杂的整车系统，能兼顾蓄电池和超级电容的优点，可以更好地满足机车启动和加速性能的要求，并能提高机车制动能量回收的效率，增加续驶里程。

关键词：燃料电池，超级电容，蓄电池，混合动力

1车辆主电路组成

燃料电池/超级电容混合动力100%低地板有轨电车由三个模块构成，编组方式为-Mc+T+Mc-。其中：Mc为安装动力转向架和司机室的动车模块，T为安装燃料电池系统和拖车转向架的拖车模块。列车采用无网受流方式，由混合动力系统供电。布置于Mc车的超级电容、动力电池和布置于T车的两套燃料电池系统为动力源，为整车提供动力电源。超级电容和动力电池的输出分别经过双向DC/DC升压至额定DC800V，燃料电池系统的输出经过单向DC/DC同样升压至额定DC800V。DC800V高压母线贯穿列车，为整车的牵引辅助系统提供电源。当再生制动时，电能存储至超级电容和动力电池。列车主电路框图如图1.1所示。

图1.1列车主电路框图

2混合动力系统

车辆配备两套混合动力系统，每套混合动力系统配备1套燃料电池系统、1套超级电容箱和1套蓄电池箱，以及相应的控制设备。

2.1燃料电池系统

燃料电池是高效、环保的新型发电装置，具有低运行温度、高功率密度、快速响应、快速启动能力、稳定性好以及当使用纯氢气时不会造成环境污染的特点，目前在各个领域都有广泛应用。

本车采用的燃料电池系统为质子交换膜燃料电池系统，包括高压储氢模块、空压机模块、燃料电池模块、热量管理模块、控制模块等。高压储氢模块具备压力超限自动泄压功能，确保罐体安全。空压机模块采用直流母线供电，采用模块化设计，方便进行皮带等配件的定期更换。采用隔音降噪设计，噪声等级符合车辆总体要求。燃料电池模块采用模块化设计，方便进行冷却液以及加湿水的定期更换。燃料电池系统中各模块的运行状态、关键参数等传送至列车控制系统，在操纵台显示氢气罐压力、燃料电池电压等关键数据。操纵台上具有紧急停机按钮，以便系统出现严重故障时执行紧急停机操作，确保系统安全。

2.2超级电容/动力电池混合动力系统

动力电池具有比能量高、充放电寿命长、自放电率低、安全可靠等优势，可提供较长时间的续驶里程，提供燃料电池启动所需电能、提供燃料电池系统故障工况下紧急牵引所需电能。超级电容具有功率密度大、能量密度高、充电速度快、循环寿命长、对环境无污染的特点，可提供较大的起动加速度。DC/DC变流器可提供稳定输入/输出电源。

超级电容器与动力电池组成的复合储能装置既可实现无燃料电池状态下的紧急供电，又可在制动阶段实现能量回收，降低不必要的能量浪费，同时具有节约成本、改善能源结构及无污染等特点。

每套超级电容/动力电池混合动力系统包含DC/DC电源电池箱（内有一个双向DC/DC动力电池模块、一个双向DC/DC超级电容模块、动力电池组、外围电路及系统控制单元等）及超级电容箱两个箱体。DC/DC电源电池箱与燃料电池系统控制单元之间采用CANOPEN通讯方式。该系统将燃料电池斩波输出的DC800V转换为动力电池或超级电容需要的直流电源对其进行充电，当燃料电池系统的DC800V能量不够时又将超级电容的电源转换为DC800V给整车提供动力支撑。其中动力电池组主要是在燃料电池箱需要预启动时通过动力电池双向DC/DC模块转换为DC750V输出供电。

2.3混合动力系统网络控制

本技术方案共包含5套西门子S7-1200系统，分别为FCCU-1、FCCU-2、HCU、ECU-1和ECU-2。FCCU-1负责HD6-1燃料电池辅机系统及单向DC/DC斩波器系统的控制，并与HD6-1燃料电池本身控制系统进行通讯。FCCU-2系统与FCCU-1系统类似，负责HD6-2相关系统的控制。HCU负责储氢模块传感器的模拟信号、整车硬线I/O数字信号以及超级电容锂电池双向DC/DCCANopen信号的读取和输出，当HCU接收到输入信号时，通过Profinet通讯同步转发给ECU_1和ECU_2，并接收来自ECU_1和ECU_2的控制信号。ECU-1作为能量管理主单元，负责整车行驶过程中各能量的计算与分配，并向FCCU和HCU发送控制信号，保证车辆的正常行驶。ECU-2为ECU-1的备份系统，与ECU-1同步处理数据，但不向列车总线和HCU发送数据，当检测到ECU-1发生故障时，由ECU-2接替ECU-1工作，保障整车控制系统安全运行。各西门子S7-1200控制系统通过以太网交换机进行连接，通讯方式采用Profinet协议。

该燃料电池混合动力有轨电车控制系统网络拓扑结构如下图2.1所示：

图2.1混合动力控制系统网络拓扑图

3结语

本文详细的阐述了燃料电池/混合动力100%低地板有轨电车中的混合动力系统，主要包括燃料电池系统，超级电容、动力电池混合动力系统，以及混合动力系统的网络控制系统。超级电容与动力电池组成的复合储能装置既可实现无燃料电池状态下的紧急供电，又可在电车制动阶段实现能量回收，降低了不必要的能量浪费，同时具有节约成本、改善能源结构及无污染等特点。混合动力系统可使有轨电车可实现真正意义上的全线无网，减少有害物质的排放，同时降低运行能耗，是新能源有轨电车的最佳选择。

参考文献

[1]燃料电池混合动力汽车能量控制策略的研究【D】．吕宁.大连：大连海事大学，2010．

[2]燃料电池混合动力列车的研究现状与发展趋势【J】．陈维荣，钱清泉，李奇．西南交通大学学报．2009，44(1)：1-6．

[3]燃料电池-蓄电池-超级电容混合动力汽车控制策略.陈静，王登峰，刘彬娜.《农业机械学报》ISTICEIPKU-2008年10期.