CN105365589B - 一种电动公交车储能装置的容量测算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动公交车储能装置的容量测算方法。通过记录公交车的历史无线电能接收功率、历史实际电力需求功率、历史电力供需失配功率和历史平均电力供需失配功率，计算第一储能容量和第二储能容量；如果储能装置为单一储能装置，则储能容量为第一储能容量和第二储能容量中较大的数值，如果如果储能装置为组合储能装置，则长期储能容量为第一储能容量，短期储能容量为第二储能容量。本发明通过记录或获取电动公交车无线电能接收端历史无线电能接收功率数据和电动公交车历史用电功率数据，快速、准确确定储能装置的容量，以保证电动公交车在连续、可靠行驶的前提下极大降低系统储能装置及整车的成本。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电电动公交车的无线电能传输与控制技术领域，具体涉及一种电动公交车储能装置的容量测算方法。
背景技术
由于化石燃料越来约趋于枯竭以及造成的环境污染，例如困扰发展中国家的雾霾、PM2.5的问题，世界各国正积极开发各种电动汽车技术以逐步取代化石燃料汽车。政府倡导的各种电动公交车正在进行试点，以期待通过示范作用引起大家的重视。但是受制于电池能量密度较低等问题，目前电动汽车还不是特别普遍。其问题主要表现在：如果选取的电池容量越大，单次行驶的里程则会越长，但同时会导致电动车重量越重增加单位里程耗电量，并且充电时间也会越长、电池及整车成本也会上升；但是如果选取的电池容量减小，虽然会缩短充电时间、减轻整车重量、降低单位里程耗电量、降低电池及整车的成本，但同时也使单次行驶的里程变短、甚至会使电动公交车半道抛锚无法继续行使。通过采取多点静止或移动式无线充电的方式为电动公交车充电，可以使所需电池容量大幅减小。但是具体如何选取合适的电池容量，目前还没有快速、精确的测算方法出现。因此，找到一种确定无线充电电动公交车储能容量的方法，具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种电动公交车储能装置的容量测算方法，能够在保证电动公交车连续可靠行驶的前提下实现储能装置及整车成本的最优。
本发明的技术方案如下：
一种电动公交车储能装置的容量测算方法，包括以下步骤：
步骤1、记录电动公交车沿公交线路一趟往返或者多趟往返的往返时间t总；
步骤2、在往返时间t总内，每间隔固定的时间Δt，记录下述数据，共记录n次，n＝t总/Δt：
分析电动公交车所行使的公交路线沿线上安装的无线充电站的数据，获得电动公交车的历史无线电能接收功率Pwpt(ti)，i＝1,2,...,n；
记录电动公交车的历史实际电力需求功率Pbus(ti)，i＝1,2,...,n；
计算电动公交车的历史电力供需失配功率PΔ(ti)，PΔ(ti)＝Pwpt(ti)-Pbus(ti)，i＝1,2,...,n；
计算电动公交车的历史平均电力供需失配功率PΔavg(t)，
i＝1,2,...,n；
步骤3、计算第一储能容量E1和第二储能容量E2；
所述第一储能容量E1的计算步骤为：
步骤311、计算所述步骤2中，电力供需失配功率PΔ(ti)中任意q个相连的数据之和的最大值max(ΣPΔ(ti))，1≤q≤n；
步骤312、对与所述最大值max(ΣPΔ(ti))相对应的q个相连的数据在时域上进行积分，得到第一储能容量E1；
所述第二储能容量E2的计算具体步骤为：
步骤321、对所述电力供需失配功率PΔ(ti)，i＝1,2,...,n进行快速傅里叶变换，得到频域电力供需失配功率PΔ(fi)，i＝1,2,...,n；
步骤322、将所述频域电力供需失配功率PΔ(fi)转换为以周期为自变量的周期电力供需失配功率PΔ(Ti)，i＝1,2,...,n；
由于快速傅里叶变换的本身的性质，只对t总/2时段内的数据进行分析；对t总/2时段内的周期电力供需失配功率PΔ(Ti)相加，得到半时段电力供需失配功率总量PΔ总，
i＝1,2,...,n/2；
步骤323、对半时段电力供需失配功率总量PΔ总进行标幺化，得到标幺化电力供需失配功率P′Δ(Ti)，
i＝1,2,...,n/2；
步骤324、计算标幺化电力供需失配功率累加值P″Δ(Tk),
k＝1,2,...,n/2；
可由标幺化电力供需失配功率累加值P″Δ(Tk)与周期Tk的离散函数关系得到一连续函数曲线；
步骤325、选定临界百分比kp，临界百分比kp为步骤324所述的连续函数曲线在对数坐标中,函数值由最大值衰减至最大值的处时，连续函数所对应的函数值；找到与临界百分比kp的值最接近的标幺化电力供需失配功率累加值P″Δ(Tk)，并找到其对应的周期Tk；则第二储能容量E2＝PΔavg(t)*Tk；
步骤4、计算储能容量E，
如果储能装置为单一储能装置，则储能容量E＝max{E1,E2}；
如果储能装置为组合储能装置，则长期储能容量Ea＝E1，短期储能容量Eb＝E2。
其进一步的技术方案为：所述单一储能装置为电解氢储能装置、电池储能装置、电容储能装置或者飞轮储能装置。
其进一步的技术方案为：所述组合储能装置包括长期储能装置和短期储能装置；所述长期储能装置为电解氢储能装置或者电池储能装置，所述短期储能装置为电池储能装置、电容储能装置或者飞轮储能装置；所述长期储能装置的能量密度比所述短期储能装置的能量密度高；若长期储能装置和短期储能装置都为电池储能装置，则长期储能装置和短期储能装置中的电池材料不同，具有不同的能量密度。
本发明的有益技术效果是：
本发明所提出的对于无线充电电动公交车中储能容量的测算方法，可以通过记录或获取电动公交车无线电能接收端历史无线电能接收功率数据和电动公交车历史用电功率数据，快速、准确确定储能装置的容量，以保证电动公交车在连续、可靠行驶的前提下极大降低系统储能装置及整车的成本。
附图说明
图1是电动公交车储能系统的结构图。
图2是实施例中电动公交车的历史无线电能接收功率Pwpt(ti)的函数图。
图3是实施例中电动公交车的历史实际电力需求功率Pbus(ti)的函数图。
图4是实施例中电动公交车的历史电力供需失配功率PΔ(ti)的函数图。
图5是实施例中周期电力供需失配功率PΔ(Ti)的函数图。
图6是实施例中标幺化电力供需失配功率累加值P″Δ(Tk)的函数图。
具体实施方式
图1是电动公交车储能系统的结构图。如图1所示，本发明所述储能装置安装于储能系统中。电动公交车储能系统包括数个无线充电站和电动公交车。无线充电站安装在电动公交车所行使的公交路线沿线，可以安装在电动公交车所行使的公交路线沿线的专用充电车道、红绿灯等候区、公交站台和/或首末站等候区。无线充电站包括无线电能发射模块。
电动公交车上安装有无线电能接收模块、用电负载和储能装置。用电负载包括车辆动力驱动装置、车载空调或者车载wifi装置；车辆动力驱动装置的用电量随公交车的行驶状态的不同而不同。其中车辆动力驱动装置对电力的需求占据全部需求的很大一部分，并且随着车辆的启、停、加减速、高低速行驶等状态而时刻变化。用电负载和储能装置都与无线电能接收模块相连接。储能装置为单一储能装置或者组合储能装置，单一储能装置为电解氢储能装置、蓄电池储能装置、电容储能装置或者飞轮储能装置。组合储能装置包括长期储能装置和短期储能装置，长期储能装置为电解氢储能装置或电池储能装置，短期储能装置为电池储能装置或电容储能装置或者飞轮储能装置；其中长期储能装置的能量密度要比短期储能装置的能量密度高；若长期和短期储能装置都采用电池储能装置，则两种电池的材料不同，具有不同的能量密度。电池储能装置在实际中可以选择蓄电池或锂电池。
当电动公交车沿着公交路线行驶时，无线充电站可以为电动公交车充电。当电动公交车驶入无线充电站范围之内时，无线电能发射模块与无线电能接收模块相连接，无线充电站所提供的能量，一部分提供用电负载所需的电能，剩余能量存于储能装置中，若无线充电站提供的能量不足以满足用电负载所需的电能，则不足的能量由所述储能装置提供。也就是说，储能装置用于缓冲发电和用电之间的电力供需失配。
本发明公开了电动公交车储能装置的容量测算方法。下面结合具体的实施例说明。
本发明所述的储能装置的容量测算方法，包括以下步骤：
步骤1、记录电动公交车沿公交线路一趟往返或者多趟往返的往返时间t总，在本实施例中，往返时间t总为8427秒。
步骤2、在往返时间t总内，每间隔固定的时间Δt，记录数据，共记录n次，n＝t总/Δt：在本实施例中，每秒钟记录一次数据，共记录了8427组数据，n＝8427。
所记录的数据包括：
分析电动公交车所行使的公交路线沿线上安装的无线充电站的数据，获得电动公交车的历史无线电能接收功率Pwpt(ti)，i＝1,2,...,8427；图2是实施例中电动公交车的历史无线电能接收功率Pwpt(ti)的函数图，如图2所示，历史无线电能接收功率Pwpt(ti)为时域上的函数。
记录电动公交车的历史实际电力需求功率Pbus(ti)，i＝1,2,...,8427；图3是实施例中电动公交车的历史实际电力需求功率Pbus(ti)的函数图。如图3所示，历史实际电力需求功率Pbus(ti)为时域上的函数。
计算电动公交车的历史电力供需失配功率PΔ(ti)，PΔ(ti)＝Pwpt(ti)-Pbus(ti)，i＝1,2,...,8427；图4是实施例中电动公交车的历史电力供需失配功率PΔ(ti)的函数图。
计算电动公交车的历史平均电力供需失配功率PΔavg(t)，
i＝1,2,...,8427；
步骤3、计算第一储能容量E1和第二储能容量E2；
所述第一储能容量E1的计算步骤为：
步骤311、计算所述步骤2中，电力供需失配功率PΔ(ti)中任意q个相连的数据之和的最大值max(ΣPΔ(ti))，1≤q≤8427；
步骤312、对与所述最大值max(ΣPΔ(ti))相对应的q个相连的数据在时域上进行积分，得到第一储能容量E1；
第二储能容量E2的计算具体步骤为：
步骤321、对所述电力供需失配功率PΔ(ti)，i＝1,2,...,8427；进行快速傅里叶变换，得到频域电力供需失配功率PΔ(fi)，i＝1,2,...,8427，即得到了功率-频率关系图；
步骤322、为了使显示更为直观，将所述频域电力供需失配功率PΔ(fi)转换为以周期为自变量的周期电力供需失配功率PΔ(Ti)，i＝1,2,...,8427；T＝1/f。图5是实施例中周期电力供需失配功率PΔ(Ti)的函数图。电力供需失配功率PΔ(ti)的值有正有负，但经过快速傅立叶变换后，对应每一个周期Ti，周期电力供需失配功率PΔ(Ti)只为正值，可以看作是对应于此周期Ti的正弦量幅值。
由于快速傅立叶变换的时间长度限制，快速傅立叶变换之后只需对整个计算时长(这里为8427秒)的一半时间(即4214秒)内的数据进行后续分析。对4214秒内的数据进行相加，得到半时段电力供需失配功率总量PΔ总，
i＝1,2,...,4214；
步骤323、对半时段电力供需失配功率总量PΔ总进行标幺化，得到标幺化电力供需失配功率P′Δ(Ti)，P′Δ(Ti)大于0且小于1。
i＝1,2,...,4214；
步骤324、计算标幺化电力供需失配功率累加值P″Δ(Tk),从周期大、频率低、波动小的值开始向周期小的方向逐个周期进行累加，标幺化电力供需失配功率累加值P″Δ(Tk)为：
k＝1,2,...,n/2；
标幺化电力供需失配功率累加值P″Δ(Tk)的函数值的含义为，所有周期大于自变量Tk的电力供需失配功率总值占全部供需失配功率总量的百分比。
在本实施例中，n/2＝4214，则标幺化电力供需失配功率累加值P″Δ(Tk)从P′Δ(T4214)向P′Δ(T1)的方向逐个周期进行累加。且有Tk＝k。
即：k＝1,2,...,4214；
即：
当k＝1时，Tk＝T1＝1，
当k＝2时，Tk＝T2＝2，
当k＝4213时，Tk＝T4213＝4213，
当k＝4214时，Tk＝T4214＝4214，
图6是实施例中标幺化电力供需失配功率累加值P″Δ(Tk)的函数图。可由标幺化电力供需失配功率累加值P″Δ(Tk)与周期Tk的离散函数关系得到如图6所示的连续的关系曲线，在这条关系曲线中，标幺化电力供需失配功率累加值P″Δ(Tk)对应的是周期大于等于横轴对应周期Tk的电力供需失配功率总量占整个电力供需失配功率总量的百分比。
步骤325、选定临界百分比kp，临界百分比kp的精确值选取图6中所示的关系曲线在对数坐标中,函数值由最大值衰减至最大值的处时，对应到图6中的关系曲线上的函数值，即临界百分比 而在实际中，临界百分比kp只取近似值，工程上一般可选取kp＝0.2～0.4范围内的函数值。在本实施例中，临界百分比选取kp＝0.3，找到与临界百分比kp最接近的函数值P″Δ(Tk)，找到其对应周期Tk，在图6中，对应周期Tk＝61秒，则小于对应周期Tk的周期长度可认为是需要用储能装置来缓冲的；则第二储能容量E2＝PΔavg(t)*Tk＝PΔavg(t)*61。
步骤4、计算储能容量E，
如果储能装置为单一储能装置，则E＝max{E1,E2}；
如果储能装置为组合储能装置，则长期储能容量Ea＝E1，短期储能容量Eb＝E2。
使用本发明所述的方法计算储能容量，还需要考虑无线电能传输中电力变换装置的效率、储能装置的安全裕量、安全限值、冬夏天气空调负载增大、上下班高峰驱动电力需求增大等因素。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种电动公交车储能装置的容量测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、记录电动公交车沿公交线路一趟往返或者多趟往返的往返时间t总；
步骤2、在往返时间t总内，每间隔固定的时间Δt，记录下述数据，共记录n次，n＝t总/Δt：
分析电动公交车所行使的公交路线沿线上安装的无线充电站的数据，获得电动公交车的历史无线电能接收功率Pwpt(ti)，i＝1,2,...,n；
记录电动公交车的历史实际电力需求功率Pbus(ti)，i＝1,2,...,n；
计算电动公交车的历史电力供需失配功率PΔ(ti)，PΔ(ti)＝Pwpt(ti)-Pbus(ti)，i＝1,2,...,n；
计算电动公交车的历史平均电力供需失配功率PΔavg(t)，
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步骤3、计算第一储能容量E1和第二储能容量E2；
所述第一储能容量E1的计算步骤为：
步骤311、计算所述步骤2中，电力供需失配功率PΔ(ti)中任意q个相连的数据之和的最大值max(ΣPΔ(ti))，1≤q≤n；
步骤312、对与所述最大值max(ΣPΔ(ti))相对应的q个相连的数据在时域上进行积分，得到第一储能容量E1；
所述第二储能容量E2的计算具体步骤为：
步骤321、对所述电力供需失配功率PΔ(ti)，i＝1,2,...,n进行快速傅里叶变换，得到频域电力供需失配功率PΔ(fi)，i＝1,2,...,n；
步骤322、将所述频域电力供需失配功率PΔ(fi)转换为以周期为自变量的周期电力供需失配功率PΔ(Ti)，i＝1,2,...,n；
由于快速傅里叶变换的本身的性质，只对t总/2时段内的数据进行分析；对t总/2时段内的周期电力供需失配功率PΔ(Ti)相加，得到半时段电力供需失配功率总量PΔ总，
步骤323、对半时段电力供需失配功率总量PΔ总进行标幺化，得到标幺化电力供需失配功率P′Δ(Ti)，
步骤324、计算标幺化电力供需失配功率累加值P″Δ(Tk),
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可由标幺化电力供需失配功率累加值P″Δ(Tk)与周期Tk的离散函数关系得到一连续函数曲线；
步骤325、选定临界百分比kp，临界百分比kp为步骤324所述的连续函数曲线在对数坐标中,函数值由最大值衰减至最大值的处时，连续函数所对应的函数值；找到与临界百分比kp的值最接近的标幺化电力供需失配功率累加值P″Δ(Tk)，并找到其对应的周期Tk；则第二储能容量E2＝PΔavg(t)*Tk；
步骤4、计算储能容量E，
如果储能装置为单一储能装置，则储能容量E＝max{E1,E2}；
如果储能装置为组合储能装置，则长期储能容量Ea＝E1，短期储能容量Eb＝E2。
2.如权利要求1所述的电动公交车储能装置的容量测算方法，其特征在于：所述单一储能装置为电解氢储能装置、电池储能装置、电容储能装置或者飞轮储能装置。
3.如权利要求1所述的电动公交车储能装置的容量测算方法，其特征在于：所述组合储能装置包括长期储能装置和短期储能装置；所述长期储能装置为电解氢储能装置或者电池储能装置，所述短期储能装置为电池储能装置、电容储能装置或者飞轮储能装置；所述长期储能装置的能量密度比所述短期储能装置的能量密度高；若长期储能装置和短期储能装置都为电池储能装置，则长期储能装置和短期储能装置中的电池材料不同，具有不同的能量密度。
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