CN108099635B - 燃料电池混合动力有轨电车多能量源耦合惩罚控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池混合动力有轨电车多能量源耦合惩罚控制系统，属于燃料电池混合动力能量管理控制领域。包括多能量源系统监控单元接口，用于通信连接燃料电池系统监控单元、超级电容系统监控单元、锂电池系统监控单元以及牵引驱动系统直流母线监测单元；耦合惩罚控制单元，其根据整车实时牵引工况和多能量源工作特性实现燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统自适应能量分配，并根据各能量源性能衰减特性对自适应能量需求分配进行预测修正，确保整车运行稳定性的同时，使得燃料电池系统工作于实时最优净功率输出、超级电容系统和锂电池系统工作于期望荷电状态范围内，提高各能量源系统工作效率，延长各能量源的循环使用寿命。

Description

燃料电池混合动力有轨电车多能量源耦合惩罚控制系统

技术领域

本发明属于燃料电池混合动力能量管理控制领域，具体涉及一种燃料电池混合动力有轨电车多能量源耦合惩罚控制系统。

背景技术

随着社会经济的发展和城市化进程的加快，城市交通拥堵和汽车尾气排放等引起的环境污染问题已经成为困扰每个大中城市的顽疾。特别地，其中传统燃油车辆怠速时的汽车尾气排放量是正常行驶的20-30倍。缓解城市拥堵，治理城市污染，已经成为我国各大城市亟待解决的难题。发展城市公共交通，尤其是城市轨道交通，以及新能源应用，是解决城市拥堵和空气污染的有效途径。其中，具有清洁、环保、高效等突出优点的中等运量燃料电池混合动力有轨电车是对地铁、轻轨、公交系统的有效补充，是形成生态化、一体化交通体系的重要组成部分，其相对于既有无接触网有轨电车技术而言，可完全摆脱牵引供电系统、无需配置牵引变电站和受流站点，因而可作为大城市的骨干线、近郊联络线、中小城市的主干线。

在燃料电池有轨电车混合动力供电系统中，由于作为主能量源的燃料电池系统配置的空气供给模块、冷却循环模块具有明显的机电暂态延迟，因而需要配置合理的辅助供电系统，以满足快速动态变化的有轨电车牵引负荷需求。目前，大功率车载辅助供电系统主要包括独立超级电容系统、独立锂电池系统以及超级电容/锂电池混合系统三种制式，其中，独立超级电容系统比功率高，大电流充放电循环性能好，但自放电率大，持续放电时间短；而锂电池系统比能量大，自放电率低，适用于中小电流持续充放电，因此，通过燃料电池、超级电容、锂电池的有效耦合，充分发挥三种能量源的性能优势，构建有轨电车用大功率燃料电池混合动力系统，是燃料电池混合动力有轨电车发展的必然趋势。

其中，如何有效结合有轨电车运行工况与燃料电池、超级电容、锂电池等多能量源工作特性，设计高效合理的能量管理系统，对于实现燃料电池混合动力有轨电车整车动力性与燃料经济性的有效兼顾，提高燃料电池系统运行性能，延长燃料电池混合动力系统循环使用寿命，具有非常重要的现实意义。

目前，在有燃料电池有轨电车混合动力系统设计中，主要由作为混合动力主能量源的燃料电池系统优先满足整车动力性能要求，由超级电容系统和锂电池系统构成的储能系统提供辅助功率需求和制动能量回收，在此基础上提出了多种基于切换策略、模糊规则和信号频率分割的多能量源管理控制系统。其中，超级电容系统主要用于补充有轨电车启动加速过程的功率需求，并回收有轨电车再生制动回馈能量；而锂电池系统在提供燃料电池系统启动功率、补充有轨电车牵引功率以及回收超级电容系统无法吸收的再生制动回馈能量的同时，需要满足燃料电池低功率运行能量吸收以及有轨电车紧急牵引模式下的能量需求。

然而，上述燃料电池混合动力有轨电车多能量源控制系统虽然满足了多能量源实时控制管理需求，但并未充分考虑燃料电池、超级电容、锂电池等多能量源工作特性。特别地，与中小功率燃料电池系统运行特性不同，大功率燃料电池系统的功率输出与氢气、空气计量比特性密切相关，其中，氢气供给模块的固有高压工作特性使其响应较为迅速，而空气供给模块由于空压机固有的机电暂态延迟，会使得燃料电池处于暂态氧饥饿和氧饱和状态，影响燃料电池系统的最优净功率输出，降低燃料电池系统的循环使用寿命。而既有燃料电池混合动力有轨电车能量管理系统并未充分计及燃料电池系统净输出功率与运行寿命特性，也并未有效量化燃料电池系统缓变暂态响应对辅助储能供电系统的反馈影响，因此，上述依赖专家经验的规则策略制定也不能保证多能量源实时最佳匹配，并不适用于大功率燃料电池混合动力有轨电车能量管理，无法有效兼顾整车动力性与燃料经济性。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种燃料电池混合动力有轨电车多能量源耦合惩罚控制系统，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种燃料电池混合动力有轨电车多能量源耦合惩罚控制系统，包括多能量源耦合惩罚控制单元和多能量源系统监控单元接口；

多能量源耦合惩罚控制单元，被配置为用于根据整车实时牵引工况和有轨电车混合动力系统多能量源工作特性实现燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统的自适应能量需求分配，并根据各能量源性能衰减特性对自适应能量需求分配进行预测修正，包括状态控制律切换单元、动态惩罚功率自适应分配单元、多能量源性能衰减补偿单元和燃料电池系统最优净功率估计单元；

状态控制律切换单元，被配置为用于根据所述超级电容系统、锂电池系统期望工作荷电状态范围，对燃料电池有轨电车混合动力系统的各能量源工作状态进行设置，为动态惩罚功率自适应分配单元的自适应功率分配提供基准判定逻辑信号；

动态惩罚功率自适应分配单元，被配置为用于基于状态控制律切换单元给出的自适应功率分配基准判定逻辑，综合惩罚分配函数、系统性能衰减补偿系数与燃料电池系统动态补偿函数，计算所述燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统的工作功率参考信号；包括功率惩罚分配单元和燃料电池系统差分功率动态补偿单元；

功率惩罚分配单元，被配置为用于根据状态控制律切换单元得到的基准判定逻辑信号，结合惩罚分配函数以及多能量源性能衰减补偿单元得到的燃料电池系统工作功率参考信号性能衰减系数和超级电容系统工作功率参考信号性能衰减系数计算结果，自适应求解燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统的工作功率参考设定信号；

燃料电池系统差分功率动态补偿单元，被配置为用于根据燃料电池系统工作电流请求信号与燃料电池系统工作电流设定信号差值，以及燃料电池系统工作电流设定信号与燃料电池系统试工作电流信号差值，对超级电容系统的初始工作功率参考信号进行前馈补偿；

多能量源性能衰减补偿单元，被配置为用于根据所述燃料电池系统、锂电池系统累计工况特征，计算动态惩罚功率自适应分配单元所需的所述燃料电池系统、锂电池系统的工作功率参考信号的实时性能衰减修正系数，以及燃料电池系统最优净功率估计单元所需的最优净功率跟踪曲线所需的性能衰减修正系数；包括燃料电池系统性能衰减补偿单元和锂电池系统性能衰减补偿单元；

燃料电池系统性能衰减补偿单元，被配置为用于根据燃料电池系统累计工况持续时间，计算燃料电池系统的实时性能衰减补偿系数，以及燃料电池系统最优净功率估计单元所需的最优净功率跟踪曲线所需的性能衰减修正系数；

锂电池系统性能衰减补偿单元，被配置为用于根据锂电池系统循环工况累计参数，计算锂电池系统的实时性能衰减补偿系数；

燃料电池系统最优净功率估计单元，被配置为用于根据动态惩罚功率自适应分配单元自适应求解得到的燃料电池系统的初始工作功率参考信号，综合测试得到的燃料电池系统最优净功率跟踪曲线，插值得到燃料电池系统实时最优净功率输出条件下的所述燃料电池系统工作电流请求信号，并根据多能量源性能衰减补偿单元得到的最优净功率跟踪曲线性能衰减修正系数，对燃料电池系统最优净功率跟踪曲线进行修正；

多能量源系统监控单元接口通过燃料电池系统监控单元接口、超级电容系统监控单元接口、锂电池系统监控单元接口以及牵引驱动系统直流母线监测单元接口通信连接有燃料电池系统监控单元、超级电容系统监控单元、锂电池系统监控单元以及牵引驱动系统直流母线监测单元；

多能量源系统监控单元接口，被配置为用于

与燃料电池系统监控单元接口通过通信总线协议交互燃料电池系统的工作电流请求信号、工作电流设定信号、实时输出电流信号以及实时输出电压信号；

与超级电容系统监控单元接口通过通信总线协议交互超级电容系统的实时荷电状态信号与工作功率设定信号；

与锂电池系统监控单元接口通过通信总线协议交互锂电池系统的实时荷电状态信号与工作功率设定信号；

与牵引驱动系统直流母线监测单元接口通过通信总线协议交互牵引驱动系统直流母线的工作功率需求信号。

优选地，燃料电池系统监控单元，被配置为用于接收来自耦合惩罚控制单元的燃料电池系统的工作电流请求信号，并通过燃料电池系统监控单元接口向耦合惩罚控制单元发送燃料电池系统的实时工作电流设定信号、实时输出电流信号和实时输出电压信号；

超级电容系统监控单元，被配置为用于接收来自耦合惩罚控制单元的超级电容系统的工作功率请求信号，并通过超级电容系统监控单元接口向述耦合惩罚控制单元发送超级电容系统的实时荷电状态信号；

锂电池系统监控单元，被配置为用于接收来自耦合惩罚控制单元的锂电池系统的工作功率请求信号，并通过锂电池系统监控单元接口向耦合惩罚控制单元发送锂电池系统的实时荷电状态信号；

牵引驱动系统直流母线监测单元，被配置为用于通过牵引驱动系统直流母线监测单元接口向耦合惩罚控制单元发送牵引驱动系统直流母线的工作工况需求功率信号。

本发明所带来的有益技术效果：

相较于现有技术，本发明能够有效结合燃料电池系统最优净输出功率特性及其性能衰减特性，通过燃料电池系统接口向燃料电池系统提供工作电流设定信号，并获取燃料电池系统的工作电流设定信号，实现燃料电池系统电流差分耦合前馈补偿，叠加于超级电容系统工作功率设定信号；此外，根据超级电容系统、锂电池系统惩罚函数及其性能衰减特性，通过超级电容系统接口和锂电池系统接口，分别向超级电容系统和锂电池系统提供工作功率设定信号。由此，实现了燃料电池系统、超级电容系统以及锂电池系统的自适应能量分配管理，并根据各能量源性能衰减特性对自适应能量需求分配进行预测修正，在满足整车动力性能基础上，使得燃料电池系统工作于实时最优净功率输出、超级电容系统和锂电池系统工作于期望荷电状态范围内，保证各能量源“舒适”运行，从而提高各能量源系统工作效率，兼顾燃料电池混合动力有轨电车系统的燃料经济性，延长各能量源的循环使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的燃料电池系统净功率曲线簇及其最优净功率-输出电流插值关系曲线示意图。

图3为本发明实施例提供的有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力供电系统的结构示意图。

其中，10-有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力供电系统；20-燃料电池供电系统；210-燃料电池单元；220-功率反向钳位单元；230-燃料电池系统监控单元；30-超级电容系统；310-超级电容单元；320-超级电容系统直流变换单元；330-超级电容系统监控单元；40-锂电池系统；410-锂电池单元；420-锂电池系统直流变换单元；430-锂电池系统监控单元；50-牵引驱动系统直流母线监控系统；510-牵引驱动系统直流母线采控单元；520-牵引驱动系统直流母线监测单元；60-多能量源耦合惩罚控制系统；600-多能量源耦合惩罚控制单元；610-多能量源系统监控单元接口；620-状态控制律切换单元；630-动态惩罚功率自适应分配单元；632-功率惩罚分配单元；634-燃料电池系统差分功率动态补偿单元；640-多能量源性能衰减补偿单元；642-燃料电池系统性能衰减补偿单元；644-锂电池系统性能衰减补偿单元；650-燃料电池系统最优净功率估计单元。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

如图1所示，本发明提供一种多能量源耦合惩罚控制系统60，包括多能量源耦合惩罚控制单元600和多能量源系统监控单元接口610。

多能量源耦合惩罚控制单元600，包括状态控制律切换单元620、多能量源性能衰减补偿单元640、动态惩罚功率自适应分配单元630以及燃料电池系统最优净功率估计单元650。

动态惩罚功率自适应分配单元630，包括功率惩罚分配单元632和燃料电池系统差分功率动态补偿单元634。

多能量源性能衰减补偿单元640，包括燃料电池系统性能衰减补偿单元642和锂电池系统性能衰减补偿单元644。

多能量源系统监控单元接口610通过燃料电池系统监控单元接口230、超级电容系统监控单元接口330、锂电池系统监控单元接口430以及牵引驱动系统直流母线监测单元520与燃料电池系统监控单元、超级电容系统监控单元、锂电池系统监控单元以及牵引驱动系统直流母线监测单元实现通信总线连接。其中，可采用的通信总线类型包括CAN总线，MODBUS总线以及PROFINET总线等现场通信总线类型。

多能量源系统监控单元接口610，被配置为用于与燃料电池系统监控单元接口230通过通信总线协议交互燃料电池系统工作电流请求信号、燃料电池系统工作电流设定信号、燃料电池系统实时输出电流信号、燃料电池系统实时输出电压信号；与超级电容系统监控单元接口330通过通信总线协议交互超级电容系统荷电状态信号与超级电容系统工作功率设定信号；与锂电池系统监控单元接口430通过通信总线协议交互锂电池系统荷电状态信号与锂电池系统工作功率设定信号；与牵引驱动系统直流母线监测单元520通过通信总线协议交互牵引驱动系统直流母线工作功率需求信号。

多能量源耦合惩罚控制单元600，被配置为用于结合状态控制律切换单元620、多能量源性能衰减补偿单元640、动态惩罚功率自适应分配单元630和燃料电池系统最优净功率估计单元650的功能与交互，实现根据整车实时牵引工况和有轨电车混合动力系统多能量源工作特性实现燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统自适应能量需求分配，并根据各能量源性能衰减特性对自适应能量需求分配进行预测修正的目的。

状态控制律切换单元620，被配置为用于根据多能量源系统监控单元接口610接收的来自牵引驱动系统直流母线监测单元520的牵引驱动系统直流母线工作功率需求信号以及接收的来自超级电容系统监控单元接口330的超级电容系统荷电状态信号和来自锂电池系统监控单元接口430的锂电池系统荷电状态信号，对燃料电池有轨电车混合动力系统各能量源工作状态进行设置，为动态惩罚功率自适应分配单元的自适应功率分配提供基准判定逻辑信号，如式(1)所示。

其中，k₁₁、k₁₂、k₁₃为超级电容系统实时荷电状态对应的切换逻辑信号；k₂₁、k₂₂、k₂₃为锂电池系统实时荷电状态对应的切换逻辑信号；k₃₁、k₃₂为牵引驱动系统实时功率需求对应的切换逻辑信号；SOC_sc、SOC_sc,min、SOC_sc,max分别为超级电容系统实时荷电状态、期望荷电状态下限以及期望荷电状态上限；SOC_LIB、SOC_LIB,min、SOC_LIB,max分别为锂电池系统实时荷电状态、期望荷电状态下限以及期望荷电状态上限；P_Ld为牵引驱动系统实时需求功率信号。

多能量源性能衰减补偿单元640，被配置为用于根据多能量源系统监控单元接口610接收的来自锂电池系统监控单元接口430的锂电池系统荷电状态信号、以及燃料电池系统最优净功率估计单元650发送的燃料电池系统最优净功率估计工作电流信号，计算得到燃料电池系统和锂电池系统累计工况特征，计算动态惩罚功率自适应分配单元630所需的所述燃料电池系统和锂电池系统的工作功率参考信号对应的实时性能衰减修正系数，以及所述燃料电池系统最优净功率估计单元650所需的最优净功率跟踪曲线所需的性能衰减修正系数。

多能量源性能衰减补偿单元640包括的燃料电池系统性能衰减补偿单元642，被配置为用于基于燃料电池系统最优净功率估计单元650发送的所述燃料电池系统最优净功率估计工作电流请求信号，根据式(2)对燃料电池系统累计工况特征进行累计划分，并计算动态惩罚功率自适应分配单元630所需的所述燃料电池系统工作功率参考信号以及燃料电池系统最优净功率估计单元650所需的所述燃料电池系统最优净功率跟踪曲线对应的实时性能衰减修正系数。

Δφ_{PEMFC,degradation}＝k_idlet_idle+k_ex-dynmict_ex-dynamic+k_high-loadt_high-load+k_cyclen_cycle (2)；

其中，Δφ_{PEMFC,degradation}为所需燃料电池系统工作功率参考信号和最优净功率跟踪曲线对应的实时性能衰减修正系数；t_idle、t_ex-dynamic、t_high-load和n_cycle分别为燃料电池系统运行过程中的空闲累计时间、负载动态变化超限累计时间、高负载累计持续时间以及启停循环累计次数；k_idle、k_ex-dynamic、k_high-load和k_cycle分别为燃料电池系统运行过程中的空闲累计时间、负载动态变化超限累计时间、高负载累计持续时间以及启停循环累计次数对应的性能衰减因子。

多能量源性能衰减补偿单元640包括的锂电池系统性能衰减补偿单元644，被配置为用于基于多能量源系统监控单元接口610接收的来自锂电池系统监控单元接口430的锂电池系统荷电状态信号，根据式(3)对锂电池系统当前充/放电半周期荷电状态变化幅值进行累计计算，然后计算动态惩罚功率自适应分配单元630所需的所述锂电池系统工作功率参考信号对应的实时性能衰减修正系数。

其中，Δφ_{LIB,degradation}为所需锂电池系统工作功率参考信号对应的实时性能衰减修正系数；k_ch,SOC、k_dis,SOC为由于充、放电半周期荷电状态变化引起的锂电池系统性能衰减因子；k_c、k_d分别为充、放电倍率相关的锂电池系统性能衰减因子；C_R、D_R分别为充、放电半周期对应的等效超额定放电倍率；E_a为电池组活化能，R为理想气体常数，T_LIB为锂电池系统平均工作温度；|ΔSOC_ch|、|ΔSOC_dis|分别为充、放电半周期对应的荷电状态变化幅值。

动态惩罚功率自适应分配单元630，被配置为用于根据多能量源系统监控单元接口610接收的来自所述燃料电池系统监控单元接口230的燃料电池系统工作电流设定信号、来自燃料电池系统最优净功率估计单元650的燃料电池系统最优净功率估计工作电流请求信号、来自超级电容系统监控单元接口330的超级电容系统荷电状态信号、来自锂电池系统监控单元接口430的锂电池系统荷电状态信号以及来自牵引驱动系统直流母线监测单元520的牵引驱动系统直流母线工作功率需求信号，基于状态控制律切换单元620给出的自适应功率分配基准判定逻辑，综合惩罚分配函数、系统性能衰减补偿系数与燃料电池系统动态补偿函数，计算所述燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统的工作功率参考信号。

动态惩罚功率自适应分配单元630包含的燃料电池系统差分功率动态补偿单元634，被配置为用于基于所述多能量源系统监控单元接口610接收的来自燃料电池系统监控单元接口230的燃料电池系统工作电流设定信号、燃料电池系统实时输出电压信号、燃料电池系统实时输出电流信号，来自燃料电池系统最优净功率估计单元650的燃料电池系统最优净功率估计工作电流请求信号，根据式(4)计算差分动态补偿功率，补偿所述功率惩罚分配单元632中超级电容系统工作功率参考信号。

其中，P_SC,comp为燃料电池系统差分功率动态补偿单元634最终计算得到的差分动态补偿功率，P_SC,diff-comp为燃料电池系统工作电流请求信号与燃料电池系统工作电流设定信号差值引起的差值补偿功率，P_SC,dyn-comp为燃料电池系统工作电流设定信号与燃料电池系统实时输出电流差值引起的动态补偿功率；V_PEMFC(real)为燃料电池系统实时输出电压信号，I_PEMFC(req)为燃料电池系统工作电流请求信号，I_PEMFC(sp)为燃料电池系统工作电流设定信号；I_{PEMFC(dyn-diff)}为燃料电池系统动态差值电流信号，I_PEMFC(real)为燃料电池系统实时输出电流信号；k_p和k_i分别为动态补偿比例系数和动态补偿积分系数；Δt为积分控制步长。

动态惩罚功率自适应分配单元630包含的功率惩罚分配单元632，被配置为用于根据状态控制律切换单元620得到的基准判定逻辑信号，结合惩罚分配函数以及所述多能量源性能衰减补偿单元640得到的燃料电池系统工作功率参考信号性能衰减系数和超级电容系统工作功率参考信号性能衰减系数，得到所述燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统的修正工作功率参考信号，如公式(5)所示。

其中，P_demand为混合动力系统实时需求功率；P_PEMFC,ref、P_SC,ref、P_LIB,ref分别为燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统修正工作功率参考信号；P_PEMFC,max、P_SC,max、P_LIB,max分别为燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统允许最大输出功率；f_SC,dpc、f_SC,dpd分别为超级电容系统充电、放电惩罚函数；f_LIB,dpc、f_LIB,dpd分别为锂电池系统充电、放电惩罚函数。

超级电容系统充电、放电惩罚函数如式(6)(7)所示。

其中，SOC_SC,expect为超级电容系统期望工作荷电状态。

锂电池系统充电、放电惩罚函数如式(8)(9)所示。

其中，SOC_LIB,expect为锂电池系统期望工作荷电状态。

燃料电池系统最优净功率估计单元650，被配置为用于根据功率惩罚分配单元632计算得到的燃料电池系统工作功率参考信号P_PEMFC,ref，结合预置燃料电池系统最优净功率-输出电流关系式，插值得到燃料电池系统工作电流请求信号。

燃料电池系统最优净功率-输出电流关系式可以通过燃料电池稳态试验获取。通过不同稳态输出电流条件下改变述燃料电池系统空气供给模块空气供给量，来调整燃料电池系统的工作空气计量系数OER，实现调整燃料电池系统净功率的目的，从而绘制得到不同稳态输出电流条件下的燃料电池系统净功率曲线簇，进而得到燃料电池系统的最优净功率-输出电流插值关系式，如图2所示。

综合考虑燃料电池系统性能衰减，燃料电池系统的最优净功率-输出电流插值关系如式(10)所示。

其中，I_PEMFC,req为燃料电池系统最优净功率对应的燃料电池系统工作电流请求信号。

实施例2：

如图3所示，本发明提供了一种有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力供电系统10，包括燃料电池系统20、超级电容系统30、锂电池系统40、牵引驱动系统直流母线监控系统50以及多能量源耦合惩罚控制系统60。

燃料电池系统20包括燃料电池单元210、功率反向钳位单元220以及燃料电池系统监控单元230。

燃料电池单元210包括燃料电池模块或相互串联的多个燃料电池。该燃料电池可选用现有的燃料电池，如质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、直接甲醇燃料电池(CMFC)等；功率反向钳位单元220用于防止燃料电池单元210承受反向输入功率，降低燃料电池单元210的循环使用寿命，可选用功率二极管、背靠背金属氧化物场效应管MOSFET、背靠背绝缘栅双极型晶体管IGBT等；燃料电池系统监控单元230，被配置为用于与多能量源耦合惩罚控制单元60的多能量源系统监控单元接口610进行通信总线连接交互，接收来自多能量源系统监控单元接口610发送的燃料电池系统工作电流请求信号，并通过多能量源系统监控单元接口610向多能量源耦合惩罚控制单元60发送燃料电池单元210的实时工作电流设定信号、实时输出电流信号和实时输出电压信号。

超级电容系统30包括超级电容单元310、超级电容系统直流变换单元320以及超级电容系统监控单元330。

超级电容单元310包括超级电容模块或相互串并联的多个超级电容模块。超级电容系统直流变换单元320，被配置为用于匹配超级电容单元310与牵引驱动系统直流母线采控单元510之间的工作电压；超级电容系统监控单元330，被配置为用于与多能量源耦合惩罚控制单元60的多能量源系统监控单元接口610进行通信总线连接交互，接收来自多能量源系统监控单元接口610发送的超级电容系统工作功率参考信号，并通过多能量源系统监控单元接口610向多能量源耦合惩罚控制单元60发送所述超级电容单元310的实时工作荷电状态。

锂电池系统40包括锂电池单元410、锂电池系统直流变换单元420以及锂电池系统监控单元430。

锂电池单元410包括锂电池模块或相互串并联的多个锂电池模块。锂电池系统直流变换单元420，被配置为用于匹配锂电池单元310与牵引驱动系统直流母线采控单元510之间的工作电压；锂电池系统监控单元430，被配置为用于与多能量源耦合惩罚控制单元60的多能量源系统监控单元接口610进行通信总线连接交互，接收来自多能量源系统监控单元接口610发送的锂电池系统工作功率参考信号，并通过多能量源系统监控单元接口610向多能量源耦合惩罚控制单元60发送锂电池单元310的实时工作荷电状态。

牵引驱动系统直流母线监控系统50包括牵引驱动系统直流母线采控单元510以及牵引驱动系统直流母线监测单元520。牵引驱动系统直流母线采控单元510，被配置为用于采样牵引驱动系统直流母线实时工作电压信号和实时工作电流信号；牵引驱动系统直流母线监测单元520，被配置为用于根据牵引驱动系统直流母线采控单元510采样的牵引驱动系统直流母线实时工作电压信号和实时工作电流信号，计算牵引驱动系统直流母线实时工作功率需求信号，并与多能量源耦合惩罚控制单元60的多能量源系统监控单元接口610进行通信总线连接交互，通过多能量源系统监控单元接口610向耦合惩罚控制单元60发送牵引驱动系统直流母线的实时工作功率需求信号。

所述有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合能量源耦合惩罚控制系统充分结合有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力供电系统多能量源性能特性，在确保所述燃料电池系统能够工作于实时最优净功率输出状态、确保超级电容系统和锂电池系统工作于期望荷电状态范围的基础上，实现燃料电池系统、超级电容系统以及锂电池系统输出功率的自适应分配，从而提高燃料电池系统的输出能效，延长燃料电池系统超级电容系统以及锂电池系统的循环使用寿命，兼顾有轨电车整车动力性和燃料经济性的同步提升。此外，燃料电池系统侧消除对单相直流变换器的依赖，进一步降低了有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力供电系统的集成成本，进一步提高了有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力供电系统的燃料经济性。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种燃料电池混合动力有轨电车多能量源耦合惩罚控制系统，其特征在于：包括多能量源耦合惩罚控制单元和多能量源系统监控单元接口；

多能量源耦合惩罚控制单元，被配置为用于根据整车实时牵引工况和有轨电车混合动力系统多能量源工作特性实现燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统的自适应能量需求分配，并根据各能量源性能衰减特性对自适应能量需求分配进行预测修正，包括状态控制律切换单元、动态惩罚功率自适应分配单元、多能量源性能衰减补偿单元和燃料电池系统最优净功率估计单元；

状态控制律切换单元，被配置为用于根据所述超级电容系统、锂电池系统期望工作荷电状态范围，对燃料电池有轨电车混合动力系统的各能量源工作状态进行设置，为动态惩罚功率自适应分配单元的自适应功率分配提供基准判定逻辑信号；

动态惩罚功率自适应分配单元，被配置为用于基于状态控制律切换单元给出的自适应功率分配基准判定逻辑，综合惩罚分配函数、系统性能衰减补偿系数与燃料电池系统动态补偿函数，计算所述燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统的工作功率参考信号；包括功率惩罚分配单元和燃料电池系统差分功率动态补偿单元；

功率惩罚分配单元，被配置为用于根据状态控制律切换单元得到的基准判定逻辑信号，结合惩罚分配函数以及多能量源性能衰减补偿单元得到的燃料电池系统工作功率参考信号性能衰减系数和超级电容系统工作功率参考信号性能衰减系数计算结果，自适应求解燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统的工作功率参考设定信号；

燃料电池系统差分功率动态补偿单元，被配置为用于根据燃料电池系统工作电流请求信号与燃料电池系统工作电流设定信号差值，以及燃料电池系统工作电流设定信号与燃料电池系统试工作电流信号差值，对超级电容系统的初始工作功率参考信号进行前馈补偿；

多能量源性能衰减补偿单元，被配置为用于根据所述燃料电池系统、锂电池系统累计工况特征，计算动态惩罚功率自适应分配单元所需的所述燃料电池系统、锂电池系统的工作功率参考信号的实时性能衰减修正系数，以及燃料电池系统最优净功率估计单元所需的最优净功率跟踪曲线所需的性能衰减修正系数；包括燃料电池系统性能衰减补偿单元和锂电池系统性能衰减补偿单元；

燃料电池系统性能衰减补偿单元，被配置为用于根据燃料电池系统累计工况持续时间，计算燃料电池系统的实时性能衰减补偿系数，以及燃料电池系统最优净功率估计单元所需的最优净功率跟踪曲线所需的性能衰减修正系数；

锂电池系统性能衰减补偿单元，被配置为用于根据锂电池系统循环工况累计参数，计算锂电池系统的实时性能衰减补偿系数；

燃料电池系统最优净功率估计单元，被配置为用于根据动态惩罚功率自适应分配单元自适应求解得到的燃料电池系统的初始工作功率参考信号，综合测试得到的燃料电池系统最优净功率跟踪曲线，插值得到燃料电池系统实时最优净功率输出条件下的所述燃料电池系统工作电流请求信号，并根据多能量源性能衰减补偿单元得到的最优净功率跟踪曲线性能衰减修正系数，对燃料电池系统最优净功率跟踪曲线进行修正；

多能量源系统监控单元接口通过燃料电池系统监控单元接口、超级电容系统监控单元接口、锂电池系统监控单元接口以及牵引驱动系统直流母线监测单元接口通信连接有燃料电池系统监控单元、超级电容系统监控单元、锂电池系统监控单元以及牵引驱动系统直流母线监测单元；

多能量源系统监控单元接口，被配置为用于

与燃料电池系统监控单元接口通过通信总线协议交互燃料电池系统的工作电流请求信号、工作电流设定信号、实时输出电流信号以及实时输出电压信号；

与超级电容系统监控单元接口通过通信总线协议交互超级电容系统的实时荷电状态信号与工作功率设定信号；

与锂电池系统监控单元接口通过通信总线协议交互锂电池系统的实时荷电状态信号与工作功率设定信号；

与牵引驱动系统直流母线监测单元接口通过通信总线协议交互牵引驱动系统直流母线的工作功率需求信号。

2.根据权利要求1所述的燃料电池混合动力有轨电车多能量源耦合惩罚控制系统，其特征在于：

燃料电池系统监控单元，被配置为用于接收来自耦合惩罚控制单元的燃料电池系统的工作电流请求信号，并通过燃料电池系统监控单元接口向耦合惩罚控制单元发送燃料电池系统的实时工作电流设定信号、实时输出电流信号和实时输出电压信号；

超级电容系统监控单元，被配置为用于接收来自耦合惩罚控制单元的超级电容系统的工作功率请求信号，并通过超级电容系统监控单元接口向述耦合惩罚控制单元发送超级电容系统的实时荷电状态信号；

锂电池系统监控单元，被配置为用于接收来自耦合惩罚控制单元的锂电池系统的工作功率请求信号，并通过锂电池系统监控单元接口向耦合惩罚控制单元发送锂电池系统的实时荷电状态信号；

牵引驱动系统直流母线监测单元，被配置为用于通过牵引驱动系统直流母线监测单元接口向耦合惩罚控制单元发送牵引驱动系统直流母线的工作工况需求功率信号。