CN102267466A - 基于能量优化的城轨车辆自牵引行驶控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于能量优化的城轨车辆自牵引行驶控制方法，该控制方法基于车辆的牵引效率、牵引供电方式和车载储能系统输出能力，通过寻优方式得到出车辆在自牵引时的最优行驶控制方法。本发明中的车辆行驶控制方法包括车辆加速度、最高速度、惰行带宽等行驶控制命令，该行驶控制方法作为自动驾驶系统的控制命令，可以使车辆利用其车载混合储能系统行驶一段距离，完成自牵引任务，并保证储能系统输出的电能最小，且其输出的最大稳态电功率小于一定限值。本发明是城市轨道交通自牵引系统中的混合储能系统配比、功率变换器设计重要的指导和验证，是影响自牵引系统性能和可靠性的核心。
Description
技术领域
本发明涉及电机传动技术和自动控制技术，具体涉及一种基于能量优化的城轨车辆道交通自牵引行驶控制方法。
背景技术
目前，城市轨道交通系统自动驾驶控制系统均是针对正常运行或牵引供电系统正常工况下，而针对自牵引系统则没有成熟的能量优化自动驾驶控制方法。
由于车载的储能系统及功率变换器受到车辆上空间、体积、重量和安装的限制，因此自牵引系统的最大电功率和储存电能均受限制。自牵引时，车辆的行驶控制系统必须合理利用车载储能系统的输出能力，使车辆可以在各种工况下完成自牵引的任务。
近年，国外对城市轨道交通的自牵引系统已开展研究。加拿大庞巴迪公司安装有超级电容器组的750V小型城市有轨电车，并可以脱离供电系统运行一定距离。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是为克服现有技术的缺陷和空白，从而提出一种基于能量优化的城轨车辆自牵引行驶控制方法。
本发明提出的基于能量优化的城轨车辆自牵引行驶控制方法，基于不同工况下的车辆牵引效率、牵引供电方式和车载储能系统的输出能力，并在所需运行的距离和所需行驶的路况一定的情况下，通过计算不同的控制方法完成自牵引任务所产生功率和能量需求，通过寻优方式得到最优的行驶控制方法。最终，将所得到的控制方法作为自动驾驶系统的控制命令，完成自牵引任务。具体步骤如下：
(1)确定行驶控制中车辆加速度、最高速度、惰行带宽等的初值和取值范围，根据行驶控制中车辆加速度、最高速度、惰行带宽的初值，结合车辆所需要行驶的路况，得到整个自牵引过程的速度曲线，通过动力学计算得到车辆行驶过程中所受得到的基本阻力和附加阻力，并得到车辆传动系统所输出的牵引力；将牵引力乘以车辆运行速度即得到车辆传动系统所需要输出的机械功率；
(2)车辆牵引效率为车辆传动系统所获取电能转换成机械能输出驱动车辆行驶的转换效率，由电机效率、逆变器效率、滤波器效率和机械传动箱效率所组成，其瞬时值等于车辆传动系统输入电功率与车辆传动系统输出机械功率的比值，针对于特定的车辆，该牵引效率表现为一组车辆牵引效率对应于车辆速度和牵引力的三维数据列表，保存在自牵引系统中，在能量优化行驶控制方法的流程中，通过查表可以得到车辆速度和牵引力所对应的牵引效率；
(3)将车辆传动系统所需要输出的机械功率除以车辆在相应速度和牵引力下的牵引效率，得到车辆传动系统所需要输入的电功率；
(4)根据车载储能系统输出能力限制，若所需最大电功率超过车载储能系统电功率输出能力，则将所对应的工况其剔除；反之，则将其认为是符合自牵引系统要求的行驶控制方法，在所有的行驶控制方法在其取值范围内和符合自牵引系统要求的行驶控制方法中，寻找到所需要电能最小所对应的行驶控制方法即为最优行驶控制方法，从而完成自牵引任务。
本发明中，所述的牵引供电方式，是城市轨道交通系统牵引供电网的直流供电电压，例1500V或750V。
本发明中，所述的车辆车载储能系统的输出能力，是车载储能系统在一定重量和体积下，储能系统可以输出的最大电功率与储存的电能。
本发明中，所述的自牵引任务，是车辆在中断供电状态下，利用车载的自牵引系统，从静止状态开始依次完成启动、定速巡航和惰行至停车的工况，最终行驶一定的距离途径一定的路况，直至最近站点疏散乘客或进入指定区域的任务。
本发明中，所述的功率和能量需求，是车辆完成特定自牵引任务过程中，车辆传动系统所需要的最大电功率和所需要的电能。
本发明中，所述的寻优方式，是在特定工况对应得到的功率和能量需求中，剔除其中所需最大电功率超过车载储能系统电功率输出能力所对应的工况，然后寻找到能量需求最小所对应的工况，即为最优行驶控制方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1. 本发明作为城市轨道交通自牵引系统的软件核心算法，建立了一种能量优化的行驶控制方法，使其可以完成自牵引任务。最大程度地减小了由于供电系统故障引发人员恐慌、踩踏等事故；极大限度地减少发生事故后救援的时间、难度和成本等，并减少了相应次生灾害。
2. 本发明综合考虑了电机传动系统的牵引效率、牵引供电网直流电压和储能系统输出性能，建立了能量优化的行驶控制方法，更具科学性和可靠性。
3. 本发明的行驶控制方法可以转化为多种嵌入式程序，固化到车辆自牵引系统硬件中，并通过自动驾驶系统实现，具有很强的可行性。
4. 本发明的行驶控制方法软件流程简单易懂、逻辑性强、可读性高、运行速度快，充分满足车辆自牵引系统要求。
5. 本发明对自牵引系统中的储能系统设计与配比和功率变换器设计与制作有很强的指导作用和验证意义。
附图说明
图1为本发明的行驶控制方法的框图。
图2为本发明能量优化行驶控制方法的流程图。
图中标号：1为机械功率计算模块，2为牵引效率计算模块，3为电功率计算模块，4为控制方法遴选模块，5为优化控制方法模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：应用于能量优化的城市轨道交通自牵引行驶控制方法。包括用于机械功率计算模块1，用于折算牵引效率的效率计算模块2；利用前两个模块的结果计算电功率输出的电功率计算模块3，筛选合适输出电功率的控制方法遴选模块4及最终的优化控制方法模块5。机械功率计算模块1、牵引效率计算模块2和电功率计算模块3基于不同工况下车辆牵引效率、牵引供电方式和车载储能系统的输出能力，并在所需运行的距离和路况一定的情况下，能够计算得到不同控制方法下完成自牵引任务所必须产生的功率和能量需求。控制方法遴选模块4和优化控制方法模块5则是通过寻优方式剔除不合理控制并得到最优的行驶控制方法。最终，将所得到的控制方法作为自动驾驶系统的控制命令，完成自牵引任务。
本实施例为本发明在城市轨道交通在基于能量优化控制下车辆自牵引的应用：
如图2所示，首先确定行驶控制中车辆加速度、最高速度、惰行带宽等初值。根据设定的初值结合车辆所需行驶的具体线路工况，得到整个自牵引过程的速度曲线，并通过动力计算得到车辆行驶过程中的基本阻力f 0和附加阻力f 1，进而求算出车辆传动系统需要输出的牵引力F（参见下式）。
F = ma + f0(v) + f1(s)
最后，将牵引力乘以车辆运行速度即得到车辆传动系统所需要输出的机械功率。上述提及的车辆牵引效率瞬时值等于车辆传动系统输入电功率与车辆传动系统输出机械功率的比值。针对于特定的车辆，该牵引效率表现为一组车辆牵引效率对应于车辆速度和牵引力的三维数据列表，保存在自牵引系统的控制软件中，在能量优化行驶控制的流程中，通过查表可以得到对应速度和牵引力所对应的牵引效率。
接下来通过控制方法遴选模块,根据车载储能系统输出能力限制，选择最大电功率低于车载储能系统电功率输出能力的工况。反之，则将其认为是符合自牵引系统要求的行驶控制方法。最终由优化控制方法模块在所有符合自牵引系统要求的行驶控制方法中，寻找到所需要电能最小所对应的行驶控制方法即为优化的车辆行驶控制方法。
Claims (4)
1.一种基于能量优化的城轨车辆自牵引行驶控制方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)确定行驶控制中车辆加速度、最高速度、惰行带宽等的初值和取值范围，根据行驶控制中车辆加速度、最高速度、惰行带宽的初值，结合车辆所需要行驶的路况，得到整个自牵引过程的速度曲线，通过动力学计算得到车辆行驶过程中所受得到的基本阻力和附加阻力，并得到车辆传动系统所输出的牵引力；将牵引力乘以车辆运行速度即得到车辆传动系统所需要输出的机械功率；
(2)车辆牵引效率为车辆传动系统所获取电能转换成机械能输出驱动车辆行驶的转换效率，由电机效率、逆变器效率、滤波器效率和机械传动箱效率所组成，其值等于车辆传动系统输入电功率与车辆传动系统输出机械功率的比值，针对于特定的车辆，该牵引效率表现为一组车辆牵引效率对应于车辆速度和牵引力的三维数据列表，保存在自牵引系统中，在能量优化行驶控制方法的流程中，通过查表可以得到车辆速度和牵引力所对应的牵引效率；
(3)将车辆传动系统所需要输出的机械功率除以车辆在相应速度和牵引力下的牵引效率，得到车辆传动系统所需要输入的电功率；
(4)根据车载储能系统输出能力限制，若所需最大电功率超过车载储能系统电功率输出能力，则将其对应的工况剔除；反之，则将其认为是符合自牵引系统要求的行驶控制方法，寻找到所需要电能最小所对应的行驶控制方法即为最优行驶控制方法，从而完成自牵引任务。
2.根据权利要求1所述的基于能量优化的城轨车辆自牵引行驶控制方法，其特征在于所述的牵引供电方式，是城市轨道交通系统牵引供电网的直流供电电压。
3.根据权利要求1所述的基于能量优化的城市轨道交通自牵引行驶控制方法，其特征在于，所述的车载储能系统的输出能力，是指车载储能系统在一定重量和体积下，储能系统输出的最大电功率与储存的电能。
4.根据权利要求1所述的能量优化的城市轨道交通自牵引行驶控制方法，其特征在于，所述的自牵引任务是在车辆在外部供电中断状态下，利用车载储能系统及车辆自身的牵引系统，从静止状态开始依次完成启动、定速巡航和惰行至停车的工况，最终行驶一定的距离途径一定的路况，直至最近站点疏散乘客或进入指定区域的任务。
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