具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

如图2所示，氢燃料电池-动力电池混合动力机车的混动系统包括氢燃料电池、双向DCDC变换器、动力电池以及充电机；氢燃料电池的输出端与双向DCDC变换器的第一端电连接，双向DCDC变换器的第二端分别与负载、动力电池的输出端电连接，动力电池的输入端与充电机电连接，充电机还与负载电连接。双向DCDC变换器用于隔离氢燃料电池与高压的动力电池和负载，完成氢燃料电池的输出升压及氢燃料电池启动的降压供电。

如图2所示的能量流向，标号1～10均为单向通道。

1->2->3：动力电池为氢燃料电池供电，用于氢燃料电池的启动及双向DCDC变换器前端的能量平衡控制；

1->6->7：动力电池为负载供电；

4->5->6->7：氢燃料电池为负载供电；

4->5->6->9->10：氢燃料电池为动力电池充电，用于静态充电及负载前端的能量平衡；

8->9->10：再生制动能量给动力电池充电。

在混动系统中，动力电池的充电及氢燃料电池的输出都需经过一个可控设备(充电机和双向DCDC变换器)，动力电池无法通过电能自然流动进行平衡，需要在能量控制策略上对整车的能量流动进行判断及控制。实际上，整个混动系统的能量平衡就是功率输出与功率消耗的平衡，即氢燃料电池和动力电池的输出功率与负载的消耗功率(或称为需求功率)之间的平衡。电压作为能量变化的一个显著特征，能量平衡可以通过电压的稳定来体现，因此本发明的能量平衡控制是通过对混动系统回路的电压控制来实现的。

从图2所示混动系统的结构中可以看出，氢燃料电池的输出无法实现及时控制，而负载也不可控，因此动力电池在回路中间担负着功率补偿与储能的责任。混动系统的主回路由回路4和回路5->6->7构成，由于双向DCDC变换器的隔断形成了两个回路，第一个回路等效为氢燃料电池与负载(如图3所示，即双向DCDC变换器前端电压控制等效电路)，第二个回路等效为负载与供电电池(如图4所示，即负载前端电压控制等效电路)。双向DCDC变换器前端电压是指双向DCDC变换器与氢燃料电池连接的一端的电压，即双向DCDC变换器第一端的电压；负载前端电压是指负载与双向DCDC变换器或动力电池或充电机连接的一端的电压。单独的充电机或DC/DC变换器均无法实现回路4-5-6-7的电压稳定控制，本发明提出通过分段电压控制策略来实现能量的平衡控制，即将回路4及回路5->6->7分开控制，双向DC/DC变换器控制回路4(双向DCDC变换器前端)的电压稳定，充电机控制回路5-6-7(负载前端)的电压。

具体的，本实施例提供的一种混合动力机车能量平衡控制方法包括对双向DCDC变换器前端电压的控制以及对负载前端电压的控制。

如图5所示，对双向DCDC变换器前端电压进行控制的具体实现过程为：

步骤S11：正常启动氢燃料电池，具体步骤为：

步骤S111：控制氢燃料电池开启；

步骤S112：双向DCDC变换器启动，动力电池通过双向DCDC变换器向氢燃料电池输送电能；

同时氢燃料电池自检无故障；

步骤S113：氢燃料电池正常启动，控制氢燃料电池的输出功率缓慢升高，使双向DCDC变换器前端电压上升。

在实际控制逻辑设计中，可以通过判断司机室的氢燃料电池启动开关信号对氢燃料电池和双向DCDC变换器进行控制。司机转动启动开关至“启动”位，氢燃料电池准备启动；同时双向DCDC变换器开启降压程序，送电至氢燃料电池侧，氢燃料电池取电启动辅机，开始输出功率，使双向DCDC变换器前端电压上升。

步骤S12：获取双向DCDC变换器前端电压。

由于氢燃料电池是一种功率输出型供电系统，通过控制进入反应电堆的氢气流量实现其输出功率的控制，无固定电压，氢燃料电池的输出电压主要受后端负载的影响，如图3所示，后端负载是由双向DCDC变换器+负载+动力电池+充电机构成，即氢燃料电池的输出电压受双向DCDC变换器前端电压影响，双向DCDC变换器前端电压越高，氢燃料电池输出电流越小，反之，氢燃料电池输出电流越大，因此将双向DCDC变换器前端电压的稳定作为双向DCDC的控制目标。

步骤S13：判断双向DCDC变换器前端电压是否处于预设目标范围内；

当双向DCDC变换器前端电压小于预设目标范围的最小值时，动力电池通过双向DCDC变换器向氢燃料电池输送电能，使双向DCDC变换器前端电压上升，直到双向DCDC变换器前端电压处于预设目标范围内；

当双向DCDC变换器前端电压大于预设目标范围的最大值时，氢燃料电池通过双向DCDC变换器和充电机向负载及动力电池输送电能，使双向DCDC变换器前端电压下降，直到双向DCDC变换器前端电压处于预设目标范围内。

本实施例中，预设目标范围是根据氢燃料电池输出电压范围来确定的，氢燃料电池输出电压范围为450V～750V，取中间值作为控制目标，即取DC600V作为双向DCDC变换器前端电压的控制目标，考虑到双向DCDC变换器的电压控制精度(为±(2％～5％))，因此控制目标的下限取值范围为570V～588V，上限取值范围为612V～630V，取上限和下限的中间值得到预设目标范围为580V～620V。即当双向DCDC变换器前端电压小于DC580V时，双向DCDC变换器开启降压程序，动力电池通过双向DCDC变换器向氢燃料电池输送电能，使双向DCDC变换器前端电压上升；当双向DCDC变换器前端电压大于DC620V时，双向DCDC变换器开启升压程序，氢燃料电池通过双向DCDC变换器和充电机向负载及动力电池输送电能，使双向DCDC变换器前端电压下降。

双向DCDC变换器作为一个能量传递设备，不能产生或消耗能量，实际无法实现能量平衡，其前端电压受后端负载功率影响。当负载需求功率大于电源输出功率时，负载前端电压会被拉低，双向DCDC变换器前端电压也会被拉低；当负载需求功率小于电源输出功率时，负载前端及双向DCDC变换器前端由于能量的积累，电压均会升高。为了稳定双向DCDC变换器前端电压，并实现整个回路的能量平衡与稳定，就必须对负载前端电压进行控制。

如图6所示，对负载前端电压进行控制的具体实现过程为：

步骤S21：机车上电自检，动力电池无故障，动力电池允许充电。

动力电池允许充电是指动力电池无故障，随时可以进行充电，在负载前端电压不超过动力电池静态电压+预设电压时，充电机关闭。

步骤S21：获取动力电池静态电压和负载前端电压。

步骤S22：判断负载前端电压是否小于动力电池静态电压与预设电压之和；

当负载前端电压大于动力电池静态电压与预设电压之和时，氢燃料电池输出功率大于负载需求功率，控制氢燃料电池的输出功率缓慢降低，同时开启充电机，氢燃料电池通过双向DCDC变换器和充电机向负载及动力电池输送电能，直到负载需求功率与氢燃料电池的输出功率平衡；

当负载前端电压小于等于动力电池静态电压与预设电压之和时，氢燃料电池输出功率小于负载需求功率，控制氢燃料电池的输出功率缓慢升高，同时控制动力电池向负载输出功率，直到负载需求功率与氢燃料电池和动力电池的输出功率平衡。

氢燃料电池功率输出响应慢，可以通过调节动力电池的充放电来平衡氢燃料电池输出功率与负载需求功率之间的差异，从而实现功率与能量平衡。氢燃料电池的后端负载功率不可控，只能通过控制充电机的输出进而改变总体功率消耗，从而实现负载前端的能量平衡。负载前端与动力电池输出端直接连接，在正常情况下，氢燃料电池输出功率小于或等于负载需求功率，氢燃料电池输出电压小于或等于动力电池输出电压，动力电池存在功率输出，负载前端电压等于动力电池电压。当氢燃料电池输出功率大于负载需求功率时，负载前端能量积累导致电压抬升，负载前端电压才会与动力电池电压不一致，因此可以通过判断负载前端电压与动力电池电压的差异来判断能量平衡状态。当负载前端电压超过动力电池一定阈值时，开启动力电池充电回路。

在负载突变时，负载前端电压也将发生变化。负载突然增大时，氢燃料电池输出功率无法突然增大，动力电池可以直接输出功率，满足负载需求；负载突然减小时，氢燃料电池输出功率无法突然减小，将导致负载前端电压上升。判断负载前端电压与当前动力电池的静态电压的差值来判断是否需要开启充电机，动力电池的静态电压可以根据SOC状态进行确定。

预设电压是根据充电机的电压控制精度和负载前端额定电压来确定的，本实施例中，充电机的电压控制精度为±(2％～5％)，负载前端额定电压为1500V，电压控制精度为30V～75V，取中间值50V，即预设电压为50V。当负载前端电压>动力电池静态电压+50V时，开启充电机，可认为负载前端电压>动力电池静态电压+50V时，负载前端由于能量不平衡，电压上升。

本实施例还提供一种混合动力机车能量平衡控制系统，包括混动系统和控制系统，如图2所示，混动系统包括氢燃料电池、双向DCDC变换器、动力电池以及充电机；氢燃料电池的输出端与双向DCDC变换器的第一端电连接，双向DCDC变换器的第二端分别与负载、动力电池的输出端电连接，动力电池的输入端与充电机电连接，充电机还与负载电连接。

控制系统包括第一电压控制单元和第二电压控制单元；

第一电压控制单元，用于获取双向DCDC变换器前端电压；当双向DCDC变换器前端电压小于预设目标范围的最小值时，动力电池通过所述双向DCDC变换器向氢燃料电池输送电能，使双向DCDC变换器前端电压上升，直到双向DCDC变换器前端电压处于预设目标范围内；当双向DCDC变换器前端电压大于预设目标范围的最大值时，氢燃料电池通过所述双向DCDC变换器和充电机向负载及动力电池输送电能，使双向DCDC变换器前端电压下降，直到双向DCDC变换器前端电压处于预设目标范围内。

本实施例中，预设目标范围是根据氢燃料电池输出电压范围来确定的，氢燃料电池输出电压范围为450V～750V，取中间值作为控制目标，即取DC600V作为双向DCDC变换器前端电压的控制目标，考虑到双向DCDC变换器的电压控制精度(为±(2％～5％))，因此控制目标的下限取值范围为570V～588V，上限取值范围为612V～630V，取上限和下限的中间值得到预设目标范围为580V～620V。即当双向DCDC变换器前端电压小于DC580V时，双向DCDC变换器开启降压程序，动力电池通过双向DCDC变换器向氢燃料电池输送电能，使双向DCDC变换器前端电压上升；当双向DCDC变换器前端电压大于DC620V时，双向DCDC变换器开启升压程序，氢燃料电池通过双向DCDC变换器和充电机向负载及动力电池输送电能，使双向DCDC变换器前端电压下降。

第二电压控制单元，用于获取动力电池静态电压和负载前端电压；当负载前端电压大于动力电池静态电压与预设电压之和时，控制氢燃料电池的输出功率缓慢降低，同时氢燃料电池通过双向DCDC变换器和充电机向负载及动力电池输送电能，直到负载需求功率与氢燃料电池的输出功率平衡；当负载前端电压小于等于动力电池静态电压与预设电压之和时，控制氢燃料电池的输出功率缓慢升高，同时控制动力电池向负载输出功率，直到负载需求功率与氢燃料电池和动力电池的输出功率平衡。

预设电压是根据充电机的电压控制精度和负载前端额定电压来确定的，本实施例中，充电机的电压控制精度为±(2％～5％)，负载前端额定电压为1500V，电压控制精度为30V～75V，取中间值50V，即预设电压为50V。当负载前端电压>动力电池静态电压+50V时，开启充电机，可认为负载前端电压>动力电池静态电压+50V时，负载前端由于能量不平衡，电压上升。

本实施例中，动力电池为锂电池。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。