CN113733938B - 动力电池充电方法、充电系统、混合动力系统及列车 - Google Patents

动力电池充电方法、充电系统、混合动力系统及列车 Download PDF

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Abstract

本发明提供了动力电池充电方法、充电系统、混合动力系统及列车，充电时，将动力电池的荷电状态依次划分为多个不同的连续区间；获取动力电池的当前荷电状态，确定其所属的区间；根据当前动力电池的荷电状态所在的区间，选择与其区间相适配的动力电池充电功率对动力电池进行充电。通过自适应扰动观察法寻找列车静态下各SOC区间最优动力电池充电功率，保证燃料电池从上次停机到本次停机具有最长运行时间，从而减少全寿命周期燃料电池启停次数，有效提升燃料电池系统耐久性。

Description

动力电池充电方法、充电系统、混合动力系统及列车
技术领域
本发明属于动力电池充电技术领域，具体涉及动力电池充电方法、充电系统、混合动力系统及列车。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
氢燃料电池作为一种新的绿色能源技术，通过电化学反应直接转化为电能，转化过程不受卡诺循环限制，具有能量转换效率高、零污染，低噪声、结构模块化、比功率高等优点，既可用于集中供电，又适用于分散供电，被誉为21世纪的分布式电源和最有前途的绿色能源。
目前，应用于轨道交通的燃料电池的类型主要是质子交换膜燃料电池。在大多数应用中，燃料电池与电池或其他能量存储装置耦合。在这种配置下，燃料电池可以作为主要的动力源，提供最为充足的动力或给电池充电。
现有技术中，一般的混合动力控制策略为了防止电池过充或过放通常设定电池SOC运行区间，当SOC超出区间右边界时，须立即切除燃料电池系统，防止燃料电池进一步给动力电池充电，然而列车静态下的电池充电功率并非最优是导致SOC上升的关键。
具体的，以某氢能源有轨电车能量管理控制策略为例，燃料电池、DC/DC和动力电池相互配合为有轨电车提供混合动力，混合动力系统结构示意图如图1所示，由能量管理控制器协调燃料电池、动力电池、DC/DC的工作状态，能量分配示意如图2所示。牵引时，主要由燃料电池供电，动力电池配合燃料电池为列车供电；制动时，根据燃料电池的输出功率、动力电池允许的最大充放电功率来控制通过制动电阻的电流，最终使得动力电池能吸收一部分制动能量。对于动力电池，牵引时输出的能量与制动时回收的能量大体一致。而实际的动力电池SOC与燃料电池功率变化曲线如图3所示，可以看出，氢能源有轨电车在5h的运行过程中，动力电池SOC在70％～85％区间范围内变化，燃料电池系统启停3次以响应动力电池SOC在可靠范围内变化，上述频繁启停将会对燃料电池的使用寿命产生重要影响，导致减少燃料电池运行时间，增加燃料电池系统的更换次数，不利于整个系统的长时间安全稳定的运行。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了，本发明公开了一种动力电池充电方法、充电系统、混合动力系统及列车，对静态下电池充电功率优化，从而削弱动力电池SOC上升速度，增加燃料电池运行时间，提升燃料电池系统耐久性。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
第一方面，公开了一种动力电池充电方法，应用于燃料电池对动力电池的充电，包括：
将动力电池的荷电状态依次划分为多个不同的连续区间；
获取动力电池的当前荷电状态，确定其所属的区间；
根据当前动力电池的荷电状态所在的区间，选择与其区间相适配的动力电池充电功率对动力电池进行充电。
进一步优选的技术方案，划分为四个不同区间，设定三个阈值，从小至大分别是第一阈值、第二阈值及第三阈值，当动力电池的荷电状态小于第一阈值时为第一区间，当动力电池的荷电状态大于等于第一阈值时小于第二阈值时为第二区间，当动力电池的荷电状态大于等于第二阈值时小于第三阈值时为第三区间，当动力电池的荷电状态大于等于第三阈值时为第四区间。
进一步优选的技术方案，选择与其区间相适配的动力电池充电功率对动力电池进行充电时，每个区间采用自适应扰动观察法，优化列车静态下各荷电状态区间的电池充电功率，确保燃料电池系统运行时间最长，减少燃料电池系统启停次数。
进一步优选的技术方案，优化列车静态下各荷电状态区间的电池充电功率时，随着动力电池的荷电状态的增加各荷电状态区间的电池充电功率逐渐减小。
进一步的技术方案，每个区间采用自适应扰动观察法，控制中需要扰动值在稳定运行时尽可能变小，当自适应扰动控制输入值收敛于极小范围时，本区间充电功率优化结束，进行下一区间的充电功率优化。
进一步的技术方案，单个区间的充电功率优化时，将相邻控制周期内的燃料电池运行时间差进行比例-积分运算，产生自适应扰动功率值，再通过扰动观察原理生成动力电池静态充电功率，并将该充电功率归于燃料电池功率输出，获得动力电池充电电流；
燃料电池变换器参考输出电流为动力电池充电电流与附件电流之和；
燃料电池变换器输出电流跟随该参考电流，可由电流环实现，燃料电池参考输出电流与实际输出电流的误差，经过控制器生成变换器所需要的PWM占空比，直到满足要求，本区间优化结束。
进一步的技术方案，将相邻控制周期内的燃料电池运行时间差进行比例-积分运算，产生自适应扰动功率值，具体为：根据工况、系统性能潜在因素及燃料电池运行状态直接因素变化自适应调整扰动步长。
第二方面，公开了一种动力电池充电系统，应用于燃料电池对动力电池的充电，能量管理控制器，所述能量管理控制器被配置为：
将动力电池的荷电状态依次划分为多个不同的连续区间；
获取动力电池的当前荷电状态，确定其所属的区间；
根据当前动力电池的荷电状态所在的区间，选择与其区间相适配的动力电池充电功率发送至燃料电池系统，每个区间采用自适应扰动观察法，优化列车静态下各荷电状态区间的电池充电功率，以对动力电池进行充电。
进一步的，能量管理控制器包括第一PI控制器及第二PI控制器；
所述第一PI控制器被配置为：将相邻控制周期内的燃料电池运行时间差△T进行比例-积分运算，产生自适应扰动功率值，自适应扰动功率值作为自适应可变步长；
所述第二PI控制器被配置为：使燃料电池DCDC输出电流跟随电流给定值，生成DC/DC变换器所需要的PWM占空比，直到△T＜ε，ε为极小值，本区间优化结束；
其中，自适应扰动功率值与直流母线电压比值为动力电池充电电流，燃料电池DC/DC变换器参考输出电流Iref为动力电池充电电流与附件电流之和。
进一步的，所述能量管理控制器还包括第三PI控制器；
所述第三PI控制器被配置为：使燃料电池DCDC输出电压跟随动力电池总电压；
所述第二PI控制器被配置为：使燃料电池DCDC输出电流跟随电流给定值与电压环输出之和。
第三方面，公开了混合动力系统，包括：
依次连接的燃料电池系统、变换器、逆变器及牵引电机；
动力电池，所述动力电池连接在变换器、逆变器之间的线路上；
能量管理控制器，分别连接至燃料电池系统、变换器、逆变器、动力电池及牵引电机；
能量管理控制器按照上述动力电池充电方法对动力电池进行充电。
第四方面，公开了列车，所述列车采用混合动力系统提供动力。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明所提供的动力电池充电方法在保证动力电池SOC处于合理区间的同时，能够根据工况、系统性能等潜在因素、燃料电池运行状态的直接因素变化自适应调整扰动步长，保证系统稳定运行时减少控制作用；通过自适应扰动观察法寻找列车静态下各SOC区间最优动力电池充电功率，保证燃料电池从上次停机到本次停机具有最长运行时间，从而减少全寿命周期燃料电池启停次数，有效提升燃料电池系统耐久性。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为现有的混合动力系统结构示意图；
图2为现有的混合动力系统能量分配示意图；
图3为实际SOC和燃料电池功率变化曲线；
图4为本发明实施例自适应扰动观察法列车静态下电池充电示意图；
图5为燃料电池运行时间与电池充电功率的关系曲线。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一：
在本实施例中，以列车上的燃料电池系统为例进行举例说明，但并不代表本发明提供的充电方法及系统仅能适用于列车上的燃料电池系统中。
在该实施例中，公开了一种动力电池充电方法，应用于燃料电池对动力电池的充电，包括：
将动力电池的荷电状态依次划分为多个不同的连续区间；
获取动力电池的当前荷电状态，确定其所属的区间；
根据当前动力电池的荷电状态所在的区间，选择与其区间相适配的动力电池充电功率对动力电池进行充电。
本发明通过上述不同的动力电池的荷电状态对应不同的动力电池充电功率的方式能够实现增加燃料电池从上次停机到本次停机的运行时间，减少有轨电车运行过程中燃料电池启停次数，提升燃料电池耐久性。
在具体实施例中，可以划分为四个不同区间，设定三个阈值，从小至大分别是第一阈值、第二阈值及第三阈值，当动力电池的荷电状态小于第一阈值时为第一区间，当动力电池的荷电状态大于等于第一阈值时小于第二阈值时为第二区间，当动力电池的荷电状态大于等于第二阈值时小于第三阈值时为第三区间，当动力电池的荷电状态大于等于第三阈值时为第四区间。
当然，在划分区间时，也可以根据实际的动力电池的荷电状态经常出现的数据或者范围进行划分所需数量的区间，此处不做具体限定。
具体实现时，选择与其区间相适配的动力电池充电功率对动力电池进行充电时，每个区间采用自适应扰动观察法，优化列车静态下各荷电状态区间的电池充电功率，确保燃料电池系统运行时间最长，减少燃料电池系统启停次数。
优化列车静态下各荷电状态区间的电池充电功率时，随着动力电池的荷电状态的增加各荷电状态区间的电池充电功率逐渐减小。
本发明的动力电池充电控制是以减少燃料电池系统启停次数，即增加燃料电池系统由上次停机到本次停机所经历的运行时间，简称燃料电池运行时间；同时，控制周期为长时间尺度，可根据实际燃料电池运行时间制定；
基本原理为：根据动力电池SOC，采用自适应扰动观察法，将列车静态下各SOC区间的电池充电功率优化，静态下燃料电池功率输出控制策略如表1，从而确保燃料电池运行时间最长，即减少燃料电池系统启停次数。
当SOC区间划分为四个区间时，具体的电池充电功率与SOC的关系为表1所示。
表1静态下，电池充电功率输出根据SOC决定
每个区间采用自适应扰动观察法，控制中需要扰动值在稳定运行时尽可能变小，当自适应扰动控制输入值收敛于极小范围时，本区间充电功率优化结束，进行下一区间的充电功率优化。
具体的，以表1中控制策略为例，须优化SOC＜45％、45％≤SOC＜55％、55％≤SOC＜65％和SOC≥65％四个SOC区间所对应的动力电池充电功率；每个SOC区间皆采用自适应扰动观察法，控制中需要扰动值在稳定运行时尽可能变小，当自适应扰动控制输入值收敛于极小范围时，本SOC区间充电功率优化结束，进行下一SOC区间的充电功率优化。
单个区间的充电功率优化时，将相邻控制周期内的燃料电池运行时间差进行比例-积分运算，产生自适应扰动功率值，再通过扰动观察原理生成动力电池静态充电功率，并将该充电功率归于燃料电池功率输出，获得动力电池充电电流；
燃料电池变换器参考输出电流为动力电池充电电流与附件电流之和；
燃料电池变换器输出电流跟随该参考电流，可由电流环实现，燃料电池参考输出电流与实际输出电流的误差，经过控制器生成变换器所需要的PWM占空比，直到满足要求，本区间优化结束。
将相邻控制周期内的燃料电池运行时间差进行比例-积分运算，产生自适应扰动功率值，具体为：根据工况、系统性能潜在因素及燃料电池运行状态直接因素变化自适应调整扰动步长。
参见附图4所示，图中T表示燃料电池系统由上次停机到本次停机所经历的运行时间；
P表示列车静态下动力电池当前充电功率；
SOC表示当前动力电池剩余电量，即荷电状态(State-of-Charge)；
Pref表示列车静态下动力电池参考充电功率；
Pinit表示列车静态下动力电池初始充电功率；
Ubus表示直流母线电压；
Iout表示燃料电池DC/DC输出电流；
Duty表示燃料电池DC/DC变换器所需要的占空比。
针对单个SOC区间的充电功率优化策略，采用第一PI控制器将相邻控制周期内的燃料电池运行时间差△T进行比例-积分运算，产生自适应扰动功率值△Pref，即根据工况、系统性能等潜在因素、燃料电池运行状态直接因素变化自适应调整扰动步长；
上述第一PI控制器用于获得自适应扰动步长，当△T较大时，产生大的扰动步长；当系统稳定时，即△T较小时，产生较小的扰动步长。
具体的，根据扰动观察控制Pref＝P+△Pref或Pref＝P-△Pref；其中，△Pref作为自适应可变步长，能够在系统稳定时，稳定系统工作点。
针对燃料电池系统由上次停机到本次停机所经历的运行时间T，经过延迟环节，继而获得上次燃料电池运行时间，以此获得相邻控制周期内的燃料电池运行时间差△T。
再通过扰动观察原理生成动力电池静态充电功率，并将该充电功率归于燃料电池功率输出，即燃料电池承担动力电池充电，动力电池充电电流为Ichg＝Pref/Ubus；
扰动观察法又称为爬山法。参见附图5所示，具体控制为：
1)施加扰动△Pref，若△T＞0，体现在图5中工作点由a点向b点移动，即此时工作点在Tm的左侧位置，此时继续按照原方向扰动即可追踪到最大燃料电池运行时间；
2)施加扰动△Pref，若△T＜0，体现在图5中工作点由c点向右侧移动，即此时工作点在Tm的右侧位置，此时继续按照原方向的反方向扰动即可追踪到最大燃料电池运行时间；
燃料电池DC/DC变换器参考输出电流Iref为动力电池充电电流与附件电流之和；附件电流具体为空调、照明、PIDS、控制电源等的电流。
Uref表示动力电池总电压，Uref与Ubus的差值输出第三PI控制器，为电压外环控制器，使燃料电池DCDC输出电压跟随动力电池总电压。一般情况下。因为动力电池直接挂载到直流母线上，故Uref＝Ubus，所以该电压环作用甚微。此处的作用是非正常情况下，动力电池投入到直流母线上，防止母线电压突变。
燃料电池DC/DC变换器输出电流须跟随该参考电流Iref，可由电流环实现，燃料电池参考输出电流与实际输出电流的误差，经过第二PI控制器即电流内环控制器，该控制器使燃料电池DCDC输出电流跟随电流给定值与电压环输出之和，生成DC/DC变换器所需要的PWM占空比，直到△T＜ε，ε为极小值，本区间优化结束。
实施例二：
该实施例公开了一种动力电池充电系统，应用于燃料电池对动力电池的充电，能量管理控制器，所述能量管理控制器被配置为：
将动力电池的荷电状态依次划分为多个不同的连续区间；
获取动力电池的当前荷电状态，确定其所属的区间；
根据当前动力电池的荷电状态所在的区间，选择与其区间相适配的动力电池充电功率发送至燃料电池系统，以对动力电池进行充电。
上述控制器可以为列车上现有的控制系统，也可以额外增加专门的充电控制系统，控制器与燃料电池系统及动力电池分别进行通信，获取动力电池当前荷电状态，并根据动力电池当前荷电状态控制燃料电池系统的工作状态，实现增加燃料电池从上次停机到本次停机的运行时间，减少有轨电车运行过程中燃料电池启停次数的目的。
实施例三：
该实施例公开了混合动力系统，包括：
依次连接的燃料电池系统、变换器、逆变器及牵引电机；
动力电池，所述动力电池连接在变换器、逆变器之间的线路上；
能量管理控制器，分别连接至燃料电池系统、变换器、逆变器、动力电池及牵引电机；
能量管理控制器按照上述实施例一中的动力电池充电方法对动力电池进行充电。
实施例三：
该实施例公开了列车，所述列车采用上述混合动力系统提供动力。上述列车可以为动车组、高铁组等。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种动力电池充电方法，应用于燃料电池对动力电池的充电，其特征是，包括：
将动力电池的荷电状态依次划分为多个不同的连续区间；
获取动力电池的当前荷电状态，确定其所属的区间；
根据当前动力电池的荷电状态所在的区间，选择与其区间相适配的动力电池充电功率对动力电池进行充电；
每个区间采用自适应扰动观察法，控制中需要扰动值在稳定运行时尽可能变小，当自适应扰动控制输入值收敛于极小范围时，本区间充电功率优化结束，进行下一区间的充电功率优化；
单个区间的充电功率优化时，将相邻控制周期内的燃料电池运行时间差进行比例-积分运算，产生自适应扰动功率值，再通过扰动观察原理生成动力电池静态充电功率，并将该充电功率归于燃料电池功率输出，获得动力电池充电电流；
燃料电池DC/DC变换器参考输出电流为动力电池充电电流与附件电流之和；
燃料电池DC/DC变换器输出电流跟随该参考输出电流，燃料电池参考输出电流与实际输出电流的误差，经过控制器生成燃料电池DC/DC变换器所需要的PWM占空比，直到满足要求，本区间优化结束。
2.如权利要求1所述的一种动力电池充电方法，其特征是，选择与其区间相适配的动力电池充电功率对动力电池进行充电时，每个区间采用自适应扰动观察法，优化列车静态下各荷电状态区间的电池充电功率。
3.如权利要求2所述的一种动力电池充电方法，其特征是，优化列车静态下各荷电状态区间的电池充电功率时，随着动力电池的荷电状态的增加各荷电状态区间的电池充电功率逐渐减小。
4.如权利要求1所述的一种动力电池充电方法，其特征是，还包括电压外环控制，使燃料电池DC/DC变换器输出电压跟随动力电池总电压。
5.如权利要求4所述的一种动力电池充电方法，其特征是，将相邻控制周期内的燃料电池运行时间差进行比例-积分运算，产生自适应扰动功率值，具体为：根据工况、系统性能潜在因素及燃料电池运行状态直接因素变化自适应调整扰动步长。
6.如权利要求1所述的一种动力电池充电方法，其特征是，划分为四个不同区间，设定三个阈值，从小至大分别是第一阈值、第二阈值及第三阈值，当动力电池的荷电状态小于第一阈值时为第一区间，当动力电池的荷电状态大于等于第一阈值且小于第二阈值时为第二区间，当动力电池的荷电状态大于等于第二阈值且小于第三阈值时为第三区间，当动力电池的荷电状态大于等于第三阈值时为第四区间。
7.一种动力电池充电系统，应用于燃料电池对动力电池的充电，其特征是，包括能量管理控制器，所述能量管理控制器被配置为：
将动力电池的荷电状态依次划分为多个不同的连续区间；
获取动力电池的当前荷电状态，确定其所属的区间；
根据当前动力电池的荷电状态所在的区间，选择与其区间相适配的动力电池充电功率发送至燃料电池系统，每个区间采用自适应扰动观察法，优化列车静态下各荷电状态区间的电池充电功率，以对动力电池进行充电；
能量管理控制器包括第一PI控制器及第二PI控制器；
所述第一PI控制器被配置为：将相邻控制周期内的燃料电池运行时间差△T进行比例-积分运算，产生自适应扰动功率值，自适应扰动功率值作为自适应可变步长；
所述第二PI控制器被配置为：使燃料电池DC/DC变换器输出电流跟随参考输出电流Iref，生成燃料电池DC/DC变换器所需要的的PWM占空比，直到△T＜ε，ε为极小值，本区间优化结束；
其中，自适应扰动功率值与直流母线电压比值为动力电池充电电流，燃料电池DC/DC变换器参考输出电流Iref为动力电池充电电流与附件电流之和。
8.如权利要求7所述的一种动力电池充电系统，其特征是，所述能量管理控制器还包括第三PI控制器；
所述第三PI控制器被配置为：使燃料电池DC/DC变换器输出电压跟随动力电池总电压。
9.混合动力系统，其特征是，包括：
依次连接的燃料电池系统、燃料电池DC/DC变换器、逆变器及牵引电机；
动力电池，所述动力电池连接在燃料电池DC/DC变换器、逆变器之间的线路上；
能量管理控制器，分别连接至燃料电池系统、燃料电池DC/DC变换器、逆变器、动力电池及牵引电机；
能量管理控制器按照上述权利要求1-6任一所述的动力电池充电方法对动力电池进行充电。
10.列车，其特征是，所述列车采用权利要求9所述的混合动力系统提供动力。
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