CN109586389B - 一种车载混合储能系统能量控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明为车载混合储能系统能量控制策略，包括1、将P_需求作为控制策略的输入量，设置列车母线电压一V_p1、母线电压二V_p2及P_电池或电池介入电流I_电池；2、当P_需求≥0时，当列车的V_母线≤V_p1时，电池通过DC/DC变换器按照功率a_放或电流b_放放电，剩余的电制动能量回收功率由超级电容来匹配；当列车的V_母线＞V_p1时，超级电容匹配全部的P_需求；在个别复杂线路工况采取电池提前介入或增加输出的方案，3、当P_需求＜0时，当列车的母线电压V_母线＜V_p2时，超级电容吸收全部的电制动能量回收功率；当列车的母线电压V_母线≥V_p2时，列车通过DC/DC变换器开始按照一定功率c_充或电流d_充给电池充电，剩余在安全范围内的电制动能量回收功率由超级电容全部吸收。

Description

一种车载混合储能系统能量控制策略

技术领域

本发明涉及轨道交通储能领域，具体说是一种车载混合储能系统能量控制策略。

背景技术

目前处于理论研究阶段的混合储能能量控制逻辑方案，主要有以下及几种：

(1)逻辑门限值功率分配方法：

确定电池的功率限值，当负载需求的功率超过电池功率限值时，电池提供限值以内的功率，超过电池功率限值的部分由超级电容提供；当负载需求电功率小于电池功率限值时，由电池提供车辆需求的电功率。

(2)瞬时最优方法：

根据电池损耗模型、超级电容损耗模型、双向DC/DC损耗模型，以减低电池、超级电容的损耗为目标，以电池瞬时工作电流最优为原则，来进行能量的分配。

但上述方法存在以下缺点：

(1)逻辑门限值功率分配方法：

此方案分配结果并不理想，采用逻辑门限值功率分配时，只是将电池的输入输出功率限制在合理范围内，对电池的工作电流优化有限，利用也不充分，电池参与工作的频率和变化都较大，降低电池的使用寿命。利用基于逻辑门限值的控制策略，虽然可以对复合储能装置进行功率分配并实现对电池的功率限制，但由于事先制定好的逻辑门限值与车辆多变的需求相比仍然限制较大，使得混合储能装置中电池的工作电流较大，混合储能装置的效率提高有限，不能有效提高系统的工作效率。

(2)瞬时最优方法：

此方案需要高精度的运算芯片，投资成本高，工程实现难度大，目前实际工程难以实现。

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车载混合储能系统能量控制策略，结合实际工程设计出性价比最高的车载混合储能系统能量分配方案，根据列车的功率需求，实现对能量的很好分配，充分发挥超级电容和电池的优势特点，满足车辆对牵引性能的要求。同时发挥超级电容功率密度高、电池储能能量密度高的性能，从而改善车辆的牵引性能。由于电池的SOC工作区间、工作温度对电池寿命有较大影响，通过合理的能量管理，可以有效控制电池SOC工作区间和工作温度，延长电池的使用寿命。且电池经过DC/DC变换器连接到直流母线上，电池系统较超级电容系统工作效率低，通过合理的能量管理，可以提高车载混合储能系统的工作效率。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种车载混合储能系统能量控制策略，包括以下步骤：

步骤1、将列车母线需求功率P_需求作为控制策略的输入量，设置电池投入的列车母线电压一V_p1、列车母线电压二V_p2及电池介入功率P_电池或电池介入电流I_电池；

步骤2、当P_需求≥0时，车载混合储能系统处于放电过程，当列车的母线电压V_母线≤V_p1时，列车处于非复杂线路工况，动力电池通过DC/DC变换器按照某一功率a_放或电流b_放放电；列车处于个别复杂线路工况时，在个别复杂线路工况采取动力电池提前介入或增加输出的方案，剩余的电制动能量回收功率由超级电容来匹配；当列车的母线电压V_母线＞V_p1时，超级电容匹配全部的列车母线需求功率P_需求，此时电池介入功率P_电池＝0，或电池介入电流I_电池＝0；

步骤3、当P_需求＜0时，车载混合储能系统处于充电过程，当列车的母线电压V_母线＜V_p2时，超级电容吸收全部的电制动能量回收功率，此时电池介入功率P_电池＝0，或电池介入电流I_电池＝0；当列车的母线电压V_母线≥V_p2时，列车通过DC/DC变换器开始按照一定功率c_充或电流d_充给动力电池充电，剩余在安全范围内的电制动能量回收功率由超级电容全部吸收。

在上述方案的基础上，所述列车母线电压一V_p1、列车母线电压二V_p2、功率a_放、电流b_放、功率c_充、电流d_充由实际线路工况需求测出。

在上述方案的基础上，若电制动能量回收功率大于安全功率值，则使动力电池和超级电容处于最大吸收功率状态，剩余的电制动能量回收功率通过制动电阻消耗或采取限制电制动用机械制动补偿的制动方案。

在上述方案的基础上，所述个别复杂线路工况包括：长站间距、长大坡道；在个别复杂线路工况采取动力电池提前介入或增加输出的方案包括：

①PIS根据站点信息、上下行信息给予动力电池储能系统“动力电池提前介入或增加输出信号”，通过前期的牵引计算数据或线路实测数据判断需求能量较大的线路站点，动力电池可在下一线路区间提前介入或增加输出，以防止超级电容电量过低；

②按列车运行时间：根据列车运行时间，当运行至复杂线路工况的时刻时，动力电池提前介入或增加输出；

③GPS定位：根据GPS定位，当列车行驶至指定的复杂线路工况时，动力电池提前介入或增加输出；

④由司机控制，当列车行驶至复杂线路工况时，司机给予动力电池系统“电池提前介入或增加输出”信号，动力电池提前介入或增加输出。

本发明取得的有益的技术效果：

由于超级电容的能量密度低，续航里程短，容易因能量耗尽而故障停车，可靠性较差；而且低电压时对牵引系统功率发挥有较大影响，在道路拥堵的路口区段，存在车载储能装置无法提供较大的启动电流而导致列车无法启动的风险。

本发明基于超级电容+锂电池车载混合储能系统，通过车载混合储能系统能量控制策略方案——列车母线电压介入方案及个别复杂线路工况个别储能单元提前介入或增加输出的方案，更好弥补超级电容储能能量密度低的性能特点，满足了有轨电车车辆对牵引特性的要求，同时增加了列车的续航的能力。在复杂行车工况下：长站间距、长大坡道行驶，电池储能系统可提前介入或增大输出能量，补充超级电容能量不足的部分，使列车顺利行驶通过。因此，列车具备多种复杂工况的行驶条件，性能更加优越。最终通过合理的能量管理，提高车载混合储能系统的工作效率的同时，延长电池的使用寿命，使设备的性价比更高。

附图说明

本发明有如下附图：

图1母线电压介入控制策略的逻辑示意图。

图2整车系统拓扑图。

图3系统仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图1-3对本发明作进一步详细说明。

母线电压介入方案原理：

如图1母线电压介入控制策略的逻辑示意图所示，将母线需求功率作为控制策略的输入量，设置电池投入的母线电压V_p1(V_p2)及电池介入功率P_电池或电流I_电池。放电过程：当列车母线电压低于等于设定值V_p1时，电池通过DC/DC变换器按照某一功率a_放或电流b_放放电，在个别复杂线路工况是可以增加电池的放电功率或电流；充电过程：当列车母线电压高于等于设定值V_p2时，列车通过DC/DC变换器开始按照一定功率c_充或电流d_充给电池充电。其中，V_p1、V_p2、a_放、b_放、c_充、d_充等常量可由实际线路工况需求测出。

个别复杂线路工况电池提前介入或增加输出方案

主要工作步骤为：(1)通过列车母线需求功率(列车母线电流方向)来判断列车处于放电或充电状态。(2)在放电阶段，若列车的母线电压小于等于设置值，电池通过DC/DC变换器以一定的功率或电流放电，在个别复杂线路工况是可以增加动力电池的放电功率或电流，剩余的电制动能量回收功率由超级电容来匹配；当列车的母线电压大于设置值时，超级电容匹配全部需求功率。(3)在充电阶段，若列车的母线电压小于设置值时，超级电容吸收全部的电制动能量回收功率；当列车的母线电压大于等于设置值时，列车通过DC/DC变换器开始按照一定功率或电流给电池充电，剩余在安全范围内的电制动能量回收功率由超级电容全部吸收。(4)若电制动能量回收功率大于安全功率值，安全功率值为电制动能量回收功率范围内的一个界限值，则可使动力电池和超级电容处于最大能吸收功率状态，剩余的电制动能量回收功率通过制动电阻消耗或采取限制电制动用机械制动补偿的制动方案。

个别复杂线路工况动力电池提前介入或增加输出方案(复杂线路工况，例如：长站间距，长大坡道等)：

①PIS(Passenger Information System，乘客信息系统)根据站点信息、上下行信息给予电池储能系统“电池提前介入或增加输出信号”，通过前期的牵引计算数据或线路实测数据判断需求能量较大的线路站点线路工况，动力电池可在下一线路区间提前介入或增加输出，以防止超级电容电量过低。由于PIS系统提供执行指令，过程没有司机人为介入，方案可靠性高，具有较高的工程实施性。

②按列车运行时间：运行至要求工况的时刻，动力电池提前介入或增加输出向列车母线输出能量。按列车运行时间，运行至要求工况的时刻，动力电池提前介入或增加输出。此方案可应用于列车准点率较高的行驶线路。

③GPS定位：当列车行驶至指定地点时，动力电池提前介入或增加输出向列车母线输出能量。GPS定位能够准确地输入列车所处位置信息，不受列车准点率的影响，此方案可应用于GPS信号良好、信号受天气和位置的影响较小行驶线路。

④由司机控制，当列车行驶至指定区间时，司机给予动力电池系统“电池提前介入或增加输出”信号，动力电池提前介入或增加输出向列车母线输出能量。司机控制方案，让司机通过观察列车是否行驶至复杂的线路工况来发出信号给控制系统能够解决该问题。由于此方案对司机的行车操作要求较高，主观意识影响较大，也可通过充足的驾驶前培训使用。

如图3为车载混合储能系统根据实际线路数据的运行仿真结果：曲线1为超级电容的电压波动情况，车辆全程运行完毕后，超级电容电压保持在500V以上；曲线5为动力电池的电量SOC，车辆全程运行完毕后，动力电池的电量SOC保持平衡，同时保证动力电池的放电深度不会太大，延长动力电池的使用寿命；由于在列车运行线路的约前三分之一处存在两处复杂工况线路，本仿真分别在两处设置动力电池增加了输出功率，避免列车母线电压低于电压下限值500V，达到了能量控制的预期效果，可以从动力电池的电压曲线3和电流曲线4，在复杂工况线路的路段增大了输出功率。本仿真设置的V_p1为600V，V_p2为750V，a_放为60kW(复杂线路工况动力电池放电功率增大为130kW)，d_充为100A。

本发明的技术关键点和欲保护点：

本发明欲保护点为这种车载混合储能系统能量控制策略方案：列车母线电压介入方案及结合复杂线路工况个别储能单元提前介入或增加能量输出的方案。

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 (3)

1.一种车载混合储能系统能量控制策略，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将列车母线需求功率P_需求作为控制策略的输入量，设置电池投入的列车母线电压一V_p1、列车母线电压二V_p2及电池介入功率P_电池或电池介入电流I_电池；

步骤2、当P_需求≥0时，车载混合储能系统处于放电过程，当列车的母线电压V_母线≤V_p1时，列车处于非复杂线路工况，动力电池通过DC/DC变换器按照某一功率a_放或电流b_放放电；列车处于个别复杂线路工况时，在个别复杂线路工况采取动力电池提前介入或增加输出的方案，剩余的电制动能量回收功率由超级电容来匹配；当列车的母线电压V_母线＞V_p1时，超级电容匹配全部的列车母线需求功率P_需求，此时电池介入功率P_电池＝0，或电池介入电流I_电池＝0；

步骤3、当P_需求＜0时，车载混合储能系统处于充电过程，当列车的母线电压V_母线＜V_p2时，超级电容吸收全部的电制动能量回收功率，此时电池介入功率P_电池＝0，或电池介入电流I_电池＝0；当列车的母线电压V_母线≥V_p2时，列车通过DC/DC变换器开始按照一定功率c_充或电流d_充给动力电池充电，剩余在安全范围内的电制动能量回收功率由超级电容全部吸收；

所述个别复杂线路工况包括：长站间距、长大坡道；在个别复杂线路工况采取动力电池提前介入或增加输出的方案包括：

①PIS根据站点信息、上下行信息给予动力电池储能系统“动力电池提前介入或增加输出信号”，通过前期的牵引计算数据或线路实测数据判断需求能量较大的线路站点，动力电池在下一线路区间提前介入或增加输出，以防止超级电容电量过低；

②按列车运行时间：根据列车运行时间，当运行至复杂线路工况的时刻时，动力电池提前介入或增加输出；

③GPS定位：根据GPS定位，当列车行驶至指定的复杂线路工况时，动力电池提前介入或增加输出；

④由司机控制，当列车行驶至复杂线路工况时，司机给予动力电池系统“电池提前介入或增加输出”信号，动力电池提前介入或增加输出。

2.如权利要求1所述的车载混合储能系统能量控制策略，其特征在于，所述列车母线电压一V_p1、列车母线电压二V_p2、功率a_放、电流b_放、功率c_充、电流d_充由实际线路工况需求测出。

3.如权利要求1所述的车载混合储能系统能量控制策略，其特征在于，若电制动能量回收功率大于安全功率值，则使动力电池和超级电容处于最大吸收功率状态，剩余的电制动能量回收功率通过制动电阻消耗或采取限制电制动用机械制动补偿的制动方案。

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