CN105576683B - 一种轨道交通用多能源储能系统和能量分配策略 - Google Patents

一种轨道交通用多能源储能系统和能量分配策略 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轨道交通用多能源储能系统和能量分配策略。轨道交通用多能源储能系统包括锂离子电池组模块、超级电容组模块、直流‑直流(DC/DC)变换器模块、电池管理系统和控制单元。轨道交通用多能源储能系统能量分配策略包括：通过充放电设备对锂离子电池单体与超级电容单体进行充放电测试，得到锂离子电池组模块与超级电容组模块的数学模型；通过线性化，将得到的数学模型参数制成基于剩余电量的数据表格，存储在控制单元内；通过查表，实时计算出不同分配结果下锂电池组模块与超级电容组模块的总损耗最小值，以此作为依据得到两种储能元件的能量分配策略，在满足轨道车辆用电工况的前提下，尽可能减小储能元件损耗，提高系统整体效率。

Description

一种轨道交通用多能源储能系统和能量分配策略
技术领域
本发明涉及一种轨道交通用多能源储能系统和能量分配策略，特别是一种基于系统最小损耗控制的轨道交通用多能源储能系统和能量分配策略。
背景技术
目前，轻轨车辆由于采用传统的牵引电网供电，密集布置的牵引电网影响了城市的美化，并且牵引电网建设的投资较大，采用不控整流技术的牵引电网无法吸收车辆的制动能量。研究无牵引电网的城市轻型轨道车辆，可以解决上述问题，对降低城市轨道交通的运行成本具有重大意义。
在轨道交通车辆上加装独立供电电源为列车运行提供能量，维持系统运行，可达到节能减排与减少城市牵引网视觉污染等问题。锂离子电池由于其较高的能量密度，采用锂电池系统作为动力源将成为轨道交通领域未来发展的趋势，但同时，由于轨道车辆的瞬时功率需求较大，而锂离子电池对瞬时大电流充放电较为敏感，若单独使用会减少锂离子电池的使用寿命，因此采用高功率密度的超级电容加以补偿可以取得良好的运行效果。
锂离子电池与超级电容混合储能系统作为轻轨车辆的驱动能量来源，可以兼顾电池高能量密度和超级电容高功率密度的特点，可以保证车辆加速过程中与制动过程中对储能系统的功率需求，同时还能满足车辆长距离牵引的能量需求。
对于轨道交通用锂离子电池与超级电容混合储能系统来说，其应用场合还没有完全普及。目前工程应用中用到的能量分配策略为逻辑门限控制，即设定锂离子电池的最大充放电电流，当列车能量需求超过该电流值时，则使用超级电容作为补充，该种控制策略结构简单，易于实施，但没有考虑到储能系统的损耗问题，整体系统效率利用率不高。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种轨道交通用多能源储能系统和能量分配策略，以实现多能源储能系统在满足轨道车辆用电的前提下，尽可能减少储能元件的损耗，提高系统的整体效率。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种轨道交通用多能源储能系统，包括：锂离子电池组模块、超级电容组模块、直流-直流(DC/DC)变换器模块、电池管理系统和控制单元；
所述锂离子电池组模块与超级电容组模块用于为轨道车辆的牵引运行提供能量，并在车辆制动刹车时回收部分能量；
所述锂离子电池组模块由锂离子电池单体组成，超级电容组模块由超级电容单体组成；
所述直流-直流变换器模块，包括将锂离子电池组模块的电能输送到直流母线(DCBUS)的电能变换拓扑电路一，
以及用于将超级电容组模块的电能输送到直流母线(DC BUS)的电能变换拓扑电路二，
所述电能变换拓扑电路一包括电力电子开关器件和锂离子电池组模块接口，所述电能变换拓扑电路二包括电力电子开关器件和超级电容组模块接口；
所述电池管理系统(BMS:Battery Management System)用于实时监控单体电池状态和采集锂离子电池组模块信息；
所述控制单元用于监控电能变换拓扑电路运行状态以及发送控制命令。
所述控制单元包括能量分配策略控制模块和状态评估模块，
能量分配策略控制模块用于根据车辆实时能量需求进行能量分配，状态评估模块用于根据电池管理系统获取的电池电压、电流、剩余荷电状态(SOC:State of Charge)和温度数据，对锂离子电池组进行状态评估。
一种轨道交通用多能源储能系统能量分配策略，包括以下步骤：
S1、通过充放电设备对组成锂离子电池组模块的锂离子电池单体与组成超级电容组模块的超级电容单体进行充放电测试，通过对测试数据的计算，对锂离子电池单体模型与超级电容单体模型(如图1、图2所示)的模型参数(参数指图1和/或图2中电器元件的参数)进行模型辨识，得出锂离子电池单体与超级电容单体在不同剩余电量下的数学模型参数，进而得到锂离子电池组模块与超级电容组模块的数学模型；
S2、通过线性化，将得到的数学模型参数制成基于剩余电量的数据表格，存储在控制单元内；
S3、在所述轨道交通用多能源储能系统工作时，基于锂离子电池组模块与超级电容组模块的数学模型分别建立损耗方程；
S4、合并两个损耗方程为系统总损耗方程，并对其求解方程最小值，得到方程在最小值情况下的唯一自变量α，α为能量分配系数；
S5、判断在能量分配系数α下，分配能量给锂离子电池组模块与超级电容组模块是否符合各自的边界条件，若符合，则更新α值；若不符合，则丢掉该次的α值；
S6、通过α值分别计算出锂离子电池组模块与超级电容组模块的输出电流或输入电流目标值，并通过各自的直流-直流(DC/DC)变换器模块实现该电流目标值，使锂离子电池组模块与超级电容组模块共同为轨道车辆的运行提供能量或吸收能量。
S7、重复步骤S3至S6。
步骤S1中，所述的模型辨识是指，通过matlab软件的模型辨识工具箱对锂离子电池单体模型与超级电容单体模型的模型参数进行辨识。
步骤S3中，所述的损耗方程为：锂离子电池组模块的损耗量方程与超级电容组模块的损耗量方程。
步骤S4中，所述的能量分配系数α通过如下方程求解最小值取得：
p总损耗＝a3*α2+b3*α+c3，α∈[0，1] (7)
本发明能够取得的技术效果：
本发明所述的轨道交通用多能源储能系统和能量分配策略，能在满足轨道车辆用电工况的前提下，尽可能减少储能元件的总损耗，将车辆能量需求合理的分配给锂离子电池组模块与超级电容组模块，提高该系统的整体效率。
附图说明
下面结合附图对发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1锂离子电池单体的等效电路模型；
图2超级电容单体的等效电路模型；
图3轨道交通用多能源储能系统框图；
图4轨道交通用多能源储能系统能量分配策略框图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图3所示，本发明中公开的一种轨道交通用多能源储能系统，
包括：锂离子电池组模块、超级电容组模块、直流-直流(DC/DC)变换器模块、电池管理系统和控制单元；
所述锂离子电池组模块与超级电容组模块用于为轨道车辆的牵引运行提供能量，并在车辆制动刹车时回收部分能量；
所述锂离子电池组模块由锂离子电池单体组成，超级电容组模块由超级电容单体组成；
所述直流-直流变换器模块，包括将锂离子电池组模块的电能输送到直流母线(DCBUS)的电能变换拓扑电路一，
以及用于将超级电容组模块的电能输送到直流母线(DC BUS)的电能变换拓扑电路二，
所述电能变换拓扑电路一包括电力电子开关器件和锂离子电池组模块接口，所述电能变换拓扑电路二包括电力电子开关器件和超级电容组模块接口；
所述电池管理系统(BMS:Battery Management System)用于实时监控单体电池状态和采集锂离子电池组模块信息；
所述控制单元用于监控电能变换拓扑电路运行状态以及发送控制命令。
所述控制单元包括能量分配策略控制模块和状态评估模块，
能量分配策略控制模块用于根据车辆实时能量需求进行能量分配，状态评估模块用于根据电池管理系统获取的电池电压、电流、剩余荷电状态(SOC:State of Charge)和温度数据，对锂离子电池组进行状态评估。
锂离子电池组模块由锂离子电池单体组成，首先对锂离子电池单体进行建模。本发明采用一阶Thevenin模型作为锂离子电池单体的等效电路模型，如图1所示为一阶Thevenin模型的电路结构，其中VO表示电池端电压，IO表示电池输出电流，VOCV表示开路电压，RO表示欧姆内阻，CP表示极化电容,RP表示极化电阻,VP表示极化电压。基于电路模型原理，利用测得的电池电压电流数据，可以将电池模型参数欧姆内阻RO，极化电容CP,极化电阻RP通过计算与参数辨识得到。
首先将锂离子电池单体SOC(剩余电量)从0％至100％分成20等分，每5％SOC变化进行一次测试。例如，当电池单体SOC处于0％状态时，对其进行IO＝1C(倍率)充电，充电至SOC达到5％为止，之后静止一小时，可得以下模型参数的数据表：
上式中，VO(0)为锂电池单体初始端电压，VO(1)为锂电池单体充电1秒后的端电压，VO静止为充电至SOC达到5％静止一小时后锂电池单体端电压，使用matlab软件的模型辨识工具箱通过对Vp数据表进行参数辨识，可以得到模型参数RP与CP。
将上述实验进行20次，可得到锂离子电池单体SOC每5％一段的锂离子电池单体模型参数VOCV、RO、CP、RP，将其数据表通过matlab软件线性化工具箱进行线性化，可得到锂离子电池单体SOC0％-100％的近似模型参数。
超级电容组模块由超级电容单体组成，对超级电容单体进行建模。本发明采用电容串联等效串联内阻的模型作为超级电容单体的电路模型，如图2所示，其中VO表示超级电容端电压，IO表示超级电容输出电流，Vuc表示开路电压，Ruc表示超级电容单体等效串联内阻。
等效串联内阻Ruc的测试采用恒流充放电试验。将超级电容静止1分钟，之后对其进行放电实验。静止末端超级电容单体端电压与放电开始后10ms时的超级电容单体端电压电压之差ΔU与放电电流的比值即为在该超级电容单体的等效串联内阻Ruc。
一种轨道交通用多能源储能系统能量分配策略，该控制策略步骤包括：
S1、通过充放电设备对组成锂离子电池组模块的锂离子电池单体与组成超级电容组模块的超级电容单体进行充放电测试，通过对测试数据的计算，对锂离子电池单体模型与超级电容单体模型(如图1、图2所示)的模型参数(参数指图1和/或图2中电器元件的参数)进行模型辨识，得出锂离子电池单体与超级电容单体在不同剩余电量下的数学模型参数，进而得到锂离子电池组模块与超级电容组模块的数学模型；
S2、通过线性化，将得到的数学模型参数制成基于剩余电量的数据表格，存储在控制单元内；
S3、在所述轨道交通用多能源储能系统工作时，基于锂离子电池组模块与超级电容组模块的数学模型分别建立损耗方程；
S4、合并两个损耗方程为系统总损耗方程，并对其求解方程最小值，得到方程在最小值情况下的唯一自变量α，α为能量分配系数；
S5、判断在能量分配系数α下，分配能量给锂离子电池组模块与超级电容组模块是否符合各自的边界条件，若符合，则更新α值；若不符合，则丢掉该次的α值；
S6、通过α值分别计算出锂离子电池组模块与超级电容组模块的输出电流或输入电流目标值，并通过各自的直流-直流(DC/DC)变换器模块实现该电流目标值，使锂离子电池组模块与超级电容组模块共同为轨道车辆的运行提供能量或吸收能量。
S7、重复步骤S3至S6。
步骤S1中，所述的模型辨识是指，通过matlab软件的模型辨识工具箱对锂离子电池单体模型与超级电容单体模型的模型参数进行辨识。
步骤S3中，所述的损耗方程为：锂离子电池组模块的损耗量方程与超级电容组模块的损耗量方程。
步骤S4中，所述的能量分配系数α通过如下方程求解最小值取得：
P总损耗＝a3*α2+b3*α+c3，α∈[0，1] (7)
当所述的轨道交通用多能源储能系统工作时，首先控制单元通过BMS得到锂离子电池组模块的参数信息，确定电池组是否出现故障；并通过测量超级电容组模块端电压确定超级电容组模块电压是否正常。当系统运行时，控制单元从车辆牵引系统得到实时的功率需求信息，通过能量分配策略控制模块得到能量分配权重系数α，分别计算得出锂离子电池组模块与超级电容组模块的电流目标值，输送给各自的直流-直流(DC/DC)变换器模块，完成能量的分配。
能量分配策略如图4所示，首先设定锂离子电池组模块共串并联m1*n1支锂离子电池单体；超级电容组模块共串并联m2*n2支超级电容组单体，则在假设各锂离子电池单体与超级电容单体一致性较好的情况下可得到：
P总损耗＝m1*n1*P锂电池损耗+m2*n2*P超级电容损耗 (1)
上式中P总损耗为多能源储能系统总损耗，P锂电池损耗为锂离子电池单体损耗，P超级电容损耗为超级电容单体损耗。
根据图1所示，可以得出锂离子电池单体损耗为：
上式中I锂电池为锂离子电池单体输出电流(或输入电流)，VO为锂离子电池单体端电压
根据图2，可以得出超级电容单体损耗为：
P超级电容损耗＝I超级电容 2*Ruc (3)
上式中I超级电容为超级电容单体输出电流(或输入电流)，Ruc表示超级电容单体等效串联内阻。
式(2)，式(3)分别为I锂电池、I超级电容的两个方程，因此设
则式(2)，式(3)可改写为
设定能量分配系数α，α是0到1之间的小数，即α＝1时，能量完全由锂离子电池组模块来提供；α＝0时，能量完全由超级电容组模块来提供，则有下式：
上式中P需求为控制单元从车辆牵引系统得到的列车瞬时功率需求，V锂电池组与V超级电容组分别为从电能变换拓扑电路一与电能变换拓扑电路二得到的锂电池组模块总电压与超级电容组模块总电压
将(5)代入(4)，可将仅有的两个变量I锂电池、I超级电容替换成唯一变量α，得到下式：
将(6)式代入(1)式，可得所述多能源储能系统总损耗为关于α的方程，设
则可得所述多能源储能系统总损耗为：
P总损耗＝a3*α2+b3*α+c3，α∈[0，1] (7)
因此求所述多能源储能系统最小总损耗的能量分配系数α，即转化为对(7)式的方程最小值求解，其中自变量α取值范围为0-1。求解该方程最小值即可得到能量分配系数α。之后将α代入公式(5)可求出I锂电池与I超级电容，即可得到锂离子电池组模块与超级电容组模块的电流目标值为：
判断锂离子电池组模块电流目标值是否小于锂离子电池最大充放电电流保护值，若小于，则更新该α值；若大于，则放弃该α值。
将锂离子电池组模块电流目标值与超级电容组模块电流目标值分别发送至各自的直流-直流(DC/DC)变换器模块，将实时的功率需求分配给动力锂离子电池组模块与超级电容组模块，使锂离子电池模组模块与超级电容组模块共同为轨道车辆的运行提供能量(或吸收能量)。
综上所述，本发明能良好地使轨道交通用多能源储能系统在满足轨道车辆用电工况的前提下，尽可能减小储能系统的损耗，提高储能系统的整体效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细描述说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种轨道交通用多能源储能系统能量分配策略，所述轨道交通用多能源储能系统，包括：锂离子电池组模块、超级电容组模块、直流-直流变换器模块、电池管理系统和控制单元；
所述锂离子电池组模块与超级电容组模块用于为轨道车辆的牵引运行提供能量，并在车辆制动刹车时回收部分能量；
所述锂离子电池组模块由锂离子电池单体组成，超级电容组模块由超级电容单体组成；
所述直流-直流变换器模块，包括将锂离子电池组模块的电能输送到直流母线的电能变换拓扑电路一，以及用于将超级电容组模块的电能输送到直流母线的电能变换拓扑电路二；
所述电池管理系统用于实时监控单体电池状态和采集锂离子电池组模块信息；
所述控制单元用于监控电能变换拓扑电路运行状态以及发送控制命令；
所述电能变换拓扑电路一包括电力电子开关器件和锂离子电池组模块接口，所述电能变换拓扑电路二包括电力电子开关器件和超级电容组模块接口；
所述控制单元包括能量分配策略控制模块和状态评估模块；
所述能量分配策略控制模块用于根据车辆实时能量需求进行能量分配，状态评估模块用于根据电池管理系统获取的电池电压、电流、剩余荷电状态和温度数据，对锂离子电池组进行状态评估；其特征在于：包括以下步骤：
S1、通过充放电设备对组成锂离子电池组模块的锂离子电池单体与组成超级电容组模块的超级电容单体进行充放电测试，通过对测试数据的计算，对锂离子电池单体模型与超级电容单体模型的模型参数进行模型辨识，得出锂离子电池单体与超级电容单体在不同剩余电量下的数学模型参数，进而得到锂离子电池组模块与超级电容组模块的数学模型；
S2、通过线性化，将得到的数学模型参数制成基于剩余电量的数据表格，存储在控制单元内；
S3、在所述轨道交通用多能源储能系统工作时，基于锂离子电池组模块与超级电容组模块的数学模型分别建立损耗方程；
S4、合并两个损耗方程为系统总损耗方程，并对其求解方程最小值，得到方程在最小值情况下的唯一自变量α，α为能量分配系数；
S5、判断在能量分配系数α下，分配能量给锂离子电池组模块与超级电容组模块是否符合各自的边界条件，若符合，则更新α值；若不符合，则丢掉该次的α值；
S6、通过α值分别计算出锂离子电池组模块与超级电容组模块的输出电流或输入电流目标值，并通过各自的直流-直流变换器模块实现该电流目标值，使锂离子电池组模块与超级电容组模块共同为轨道车辆的运行提供能量或吸收能量；
S7、重复步骤S3至S6。
2.如权利要求1所述的轨道交通用多能源储能系统能量分配策略，其特征在于：所述的模型辨识是指，通过matlab软件的模型辨识工具箱对锂离子电池单体模型与超级电容单体模型的模型参数进行辨识。
3.如权利要求1所述的轨道交通用多能源储能系统能量分配策略，其特征在于：所述的损耗方程为：锂离子电池组模块的损耗量方程与超级电容组模块的损耗量方程。
4.如权利要求1所述的轨道交通用多能源储能系统能量分配策略，其特征在于：步骤S4中，所述的能量分配系数α通过如下方程求解最小值取得：
P总损耗＝a3*α2+b3*α+c3，α∈[0，1]。
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