CN103723050B - 一种混合动力系统轨道电动车的能量控制方法 - Google Patents

Abstract

一种混合动力系统轨道电动车的能量控制方法，包括电池单元、超级电容单元、变流器、电机以及主控器，电池单元和超级电容单元并联接入一个总的逆变器，逆变器与电机连接，电池单元、超级电容单元以及逆变器通过主控器控制，主控器根据系统实时反馈的信息，计算出相应时刻车辆运行所需的实时功率，调整电池单元以及超级电容单元的输出功率的分配因子。本发明充分利用超级电容器的功率密度大，充放电电流大以及循环次数多的特性和电池单元的能量密度大的特点，利用超级电容器来平滑电池单元工作电流曲线，降低对电池单元的冲击和发热以及车辆变换器等相关器件的冲击；同时减少电池单元的循环次数，提升电池单元的使用寿命，降低轨道车辆的运行成本。

Description

一种混合动力系统轨道电动车的能量控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动车控制技术，特别是一种混合动力系统轨道电动车的能量控制方法。

背景技术

对于混合动力汽车来说，能量控制方法是其关键技术之一，合理的控制方法和控制逻辑不但可以优化能量配置，而且能够在很大程度上改善混合动力汽车的性能。对混合动力汽车进行能量控制的主要目的是确定发动机和电池的工作模式，并合理地在两者之间分配功率，使发动机工作在最佳效率区。

目前轨道机车的动力源主要是内燃机、电力机车为主，蓄电池组和超级电容器组成的混合能源为动力的机车还处于研究阶段，处于研究阶段的蓄电池和超级电容器轨道机车能量控制主要是变流器根据车辆工况需要调节功率输出。轨道车辆启动和制动过程中过大的脉冲电流对高压器件造成严重冲击，对有蓄电池组构成的动力系统中的蓄电池组寿命造成严重影响，减少蓄电池组的使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是一种减少电池单元循环次数，提高动力系统性能的混合动力系统轨道电动车的能量控制方法

为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：

一种混合动力系统轨道电动车的能量控制方法，该电动车包括电池单元、超级电容单元、逆变器、电机以及主控制器，电池单元包括电池组、变流器以及其相应的电池管理系统，超级电容单元包括超级电容组、变流器以及其相应的超级电容管理系统，电池单元和超级电容单元并联接入一个总的逆变器，逆变器与电机连接，电池单元、超级电容单元以及逆变器通过主控制器控制；其控制方法包括以下步骤：

(1)启动系统，轨道车辆系统初始化；

(2)车辆主控制器调取启动时刻历史数据中启动功率的大小，根据该启动功率大小控制对应功率变流器启动车辆，并存储相应功率及速度信息；

(3)车辆启动后继续行驶，主控制器实时采集t时刻车辆的速度V_t、t_t-Δt时刻车辆的速度V_t-Δt以及t时刻和t_t-Δt时刻的输出功率p_t、p_t-Δt，根据功率与速度及阻力系数的关系p∝ξV，得出t时刻和t_t-Δt时刻的阻力系数ξ_t、ξ_t-Δt，由此得出t时刻和t_t-Δt时刻之间阻力系数平均值ξ；

(4)主控制器通过车辆上的GPS模块获取车辆当前位置，获取t时刻与t_t-Δt时刻之间车辆所处位置水平高度变化Δh，根据公式 $p=\frac{\mathrm{\ξ}*MgV\left(t-t_{t-\mathrm{\Δ}t}\right)+Mg\mathrm{\Δ}h+\frac{1}{2}M\left(V_t^2-V_{t-\mathrm{\Δ}t}^2\right)}{t-t_{t-\mathrm{\Δ}t}}$ ，得出车辆当前所需功率p的大小,其中M为车重，g为重力加速度；

(5)根据步骤(4)中获得的车辆运行所需的功率p，主控制器调整电池单元以及超级电容单元的输出功率。

其中，在(5)步骤中，主控制器根据p＝αp_b-βp_sc调整电池单元以及超级电容单元的输出功率，其中α、β分别为电池单元和超级电容单元功率分配因子，由主控制器根据电池单元及超级电容单元状态而定，p_b和p_sc分别为电池单元和超级电容单元的输出功率。

与现有技术相比，本发明通过实时修正电池单元和超级电容器输出功率分配因子，且充分利用超级电容器的功率密度大，充放电电流大以及循环次数多的特性和电池单元的能量密度大的特点，尽可能通过利用超级电容器来平滑电池单元工作电流曲线，降低对电池单元的冲击和发热，以及车辆变换器等相关器件的冲击；同时通过高效的能量控制，减少电池单元的循环次数，可以有效提升电池单元的使用寿命，提升能量利用效率，降低轨道车辆的运行成本。

附图说明

图1为本发明实施例的原理图。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本实施例揭示的混合动力系统轨道电动车的能量控制方法，所涉及电动车包括电池单元1、超级电容单元2、逆变器、电机以及主控制器，电池单元1包括电池组、变流器以及其相应的电池管理系统，超级电容单元2包括超级电容组、变流器以及其相应的超级电容管理系统，电池单元1和超级电容单元2并联接入一个总的逆变器，逆变器与电机连接，电池单元1、超级电容单元2以及逆变器通过主控制器控制；其控制方法包括以下步骤：

(1)启动系统，轨道车辆系统初始化；

(2)车辆主控制器调取启动时刻历史数据中启动功率的大小，根据该启动功率大小控制对应功率变流器启动车辆，并存储相应功率及速度信息；

(3)车辆启动后继续行驶，主控制器实时采集t时刻车辆的速度V_t、t_t-Δt时刻车辆的速度V_t-Δt以及t时刻和t_t-Δt时刻的输出功率p_t、p_t-Δt，根据功率与速度及阻力系数的关系p∝ξV，得出t时刻和t_t-Δt时刻的阻力系数ξ_t、ξ_t-Δt，由此得出t时刻和t_t-Δt时刻之间阻力系数平均值ξ；

(4)主控制器通过车辆上的GPS模块获取车辆当前位置，获取t时刻与t_t-Δt时刻之间车辆所处位置水平高度变化Δh，根据公式 $p=\frac{\mathrm{\ξ}*MgV\left(t-t_{t-\mathrm{\Δ}t}\right)+Mg\mathrm{\Δ}h+\frac{1}{2}M\left(V_t^2-V_{t-\mathrm{\Δ}t}^2\right)}{t-t_{t-\mathrm{\Δ}t}}$ ，得出车辆当前所需功率p的大小,其中M为车重，g为重力加速度；

(5)根据步骤(4)中获得的车辆运行所需的功率P，主控制器调整电池单元以及超级电容单元的输出功率。

其中，在上述(5)步骤中，主控制器根据P＝αP_b+βP_sc调整电池单元以及超级电容单元的输出功率，其中α、β分别为电池单元和超级电容单元功率分配因子，由主控制器根据电池单元及超级电容单元状态而定，如荷电状态、当前可充放电电流大小合理分配电池单元和超级电容单元输出功率大小。例如当电池单元荷电量较小、而超级电容单元荷电量较大时，主控制器降低功率分配因子αβ值，使超级电容单元承担更多的功率输出。

上述实施例仅为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种混合动力系统轨道电动车的能量控制方法，该电动车包括电池单元(1)、超级电容单元(2)、逆变器、电机以及主控制器，电池单元(1)包括电池组、变流器以及其相应的电池管理系统，超级电容单元(2)包括超级电容组、变流器以及其相应的超级电容管理系统，电池单元(1)和超级电容单元(2)并联接入一个总的逆变器，逆变器与电机连接，电池单元(1)、超级电容单元(2)以及逆变器通过主控制器控制；其特征在于，其控制方法包括以下步骤：

(1)启动系统，轨道车辆系统初始化；

(2)车辆主控制器调取启动时刻历史数据中启动功率的大小，根据该启动功率大小控制对应功率变流器启动车辆，并存储相应功率及速度信息；

(3)车辆启动后继续行驶，主控制器实时采集t时刻车辆的速度V_t、t_t-Δt时刻车辆的速度V_t-Δt以及t时刻和t_t-Δt时刻的输出功率p_t、p_t-Δt，根据功率与速度及阻力系数的关系p∝ξV，得出t时刻和t_t-Δt时刻的阻力系数ξ_t、ξ_t-Δt，由此得出t时刻和t_t-Δt时刻之间阻力系数平均值ξ；

(4)主控制器通过车辆上的GPS模块获取车辆当前位置，获取t时刻与t_t-Δt时刻之间车辆所处位置水平高度变化Δh，根据公式

$p=\frac{\mathrm{\ξ}*\mathrm{MgV}(t-t_{t-\mathrm{\Δt}})+\mathrm{Mg\Δh}+\frac{1}{2}M({V_t}^2-V_{t-\mathrm{\Δt}}^2)}{t-t_{t-\mathrm{\Δt}}}$ ，

得出车辆当前所需功率p的大小,其中M为车重，g为重力加速度；

(5)根据步骤(4)中获得的车辆运行所需的功率p，主控制器调整电池单元以及超级电容单元的输出功率。

2.根据权利要求1所述的混合动力系统轨道电动车的能量控制方法，其特征在于，在(5)步骤中，主控制器根据p＝αp_b-βp_sc调整电池单元以及超级电容单元的输出功率，其中α、β分别为电池单元和超级电容单元功率分配因子，由主控制器根据电池单元及超级电容单元状态而定，p_b和p_sc分别为电池单元和超级电容单元的输出功率。