阅读说明：本技术 基于变门限值的混合动力有轨电车能量管理方法 (Hybrid power tramcar energy management method based on variable threshold value ) 是由 王子豪 曹慧坤 杨斌辉 滕凯 邢宗义 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于变门限值的混合动力有轨电车能量管理方法,该方法为：首先基于有轨电车运行状态,计算有轨电车运行功率需求；然后根据不同区间运行功率需求,动态调整对应区间功率门限值；在不同的功率门限值下,针对混合储能元件选择相应的工作模式。本发明具有满足工况变化下的有轨电车功率需求、充分发挥不同储能元件工作特性、延长储能元件使用寿命的优点。(The invention discloses a hybrid power tramcar energy management method based on a variable threshold value, which comprises the following steps: firstly, calculating the running power requirement of the tramcar based on the running state of the tramcar; then dynamically adjusting the power threshold value of the corresponding interval according to the operating power requirements of different intervals; and under different power threshold values, selecting a corresponding working mode aiming at the hybrid energy storage element. The invention has the advantages of meeting the power requirement of the tramcar under the condition of working condition change, fully playing the working characteristics of different energy storage elements and prolonging the service life of the energy storage elements.)

基于变门限值的混合动力有轨电车能量管理方法

技术领域

本发明属于有轨电车能量管理技术领域，特别是一种基于变门限值的混合有轨电车能量管理方法。

背景技术

储能式有轨电车具有对景观影响小、对电网依赖小、便于检修等优势，在城市轨道交通中大力推广。由于当前缺少同时具备高能量密度、高功率密度的单一储能元件来满足有轨电车运行需要，多采用不同储能元件组成混合动力系统。在各储能元件中，动力电池具有高能量密度、续航能力强，超级电容具有高功率密度满足有轨电车牵引短时大功率需求并能实现制动能量回收，因而多采用动力电池+超级电容的混合动力作为储能式有轨电车的储能系统。

为了保证不同特性的储能元件协调工作，除了要选择合适的参数配置以外，更重要的是高效的能量管理方法。我国在混合动力能量管理方面的研究起步较晚，目前多集中于电动汽车领域，针对有轨电车混合动力能量管理，工程上多采用定功率门限值的策略，而功率门限值的选取依靠工程经验、不能适应工况变化，无法充分发挥不同储能元件特性，且功率门限值选取不合理会造成储能元件的过充、过放，进而影响储能元件寿命。因此，适应工况变化、保证不同储能元件协调工作是混合动力能量管理方法研究中的难题与关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于变门限值的混合动力有轨电车能量管理方法，从而满足有轨电车的运行特性、实现不同储能元件协调工作。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种基于变门限值的混合动力有轨电车能量管理方法，包括以下步骤：

步骤1，基于有轨电车运行状态，计算有轨电车运行功率需求；

步骤2，根据不同区间运行功率需求，动态调整对应区间功率门限值；

步骤3，在不同的功率门限值下，针对混合储能元件选择相应的工作模式。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明在不同区间设置不同的功率门限值，能够适应工况变化下有轨电车的功率需求；(2)匹配合适的工作模式，有利于各储能元件发挥最大的工作特性，避免储能元件过充、过放的问题，延长储能元件使用寿命。

附图说明

图1为本发明基于变门限值的混合动力有轨电车能量管理方法的流程示意图。

图2为本发明有轨电车ATO曲线运行工况示意图。

图3为本发明有轨电车系统结构及能量流动示意图。

图4为本发明动力电池等效模型示意图。

图5为本发明例中有轨电车期望运行速度与位置示意图。

图6为本发明实施例中有轨电车需求功率及功率门限值示意图。

图7为本发明实施例中动力电池和超级电容荷电状态变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明分析。

结合图1，本发明基于变门限值的混合动力有轨电车能量管理方法，首先基于有轨电车运行状态，计算有轨电车运行功率需求；然后根据不同区间运行功率需求，动态调整对应区间功率门限值；最后，在不同的功率门限值下，针对混合储能元件选择相应的工作模式，具体步骤为：

步骤1，基于有轨电车运行状态，计算有轨电车运行功率需求，具体如下：

在一个运行区间内，有轨电车自动驾驶(ATO)运行过程分为四个工况：全力牵引(I)、匀速巡航(II)、惰行(III)、全力制动(IV)，其运行工况示意图如图2所示，图中：

1)在I工况区间内，有轨电车从速度0开始，以最大牵引力启动，达到区间最大速度V_max；

2)在II工况区间内，有轨电车以区间最大速度V_max进行匀速运动，牵引力等于综合阻力；

3)在III工况区间内，有轨电车进行惰行，牵引力为0；

4)在IV工况区间内，有轨电车以最大制动力进行制动。

有轨电车按照ATO曲线行驶，可以确定其运行工况，即已知运行速度与运行里程间的关系，在此基础上分析有轨电车运行功率需求。有轨电车在运行过程中，能量需求体现在牵引力及阻力上，即牵引力实现能量转化为机械能完成车辆行进、阻力消耗能量阻碍车辆行进。

动力电池+超级电容混合动力有轨电车的系统结构及能量流动示意图，如图3所示。图中，由动力电池和超级电容组成混合储能电源与直流母线一侧相连，牵引逆变器与牵引电机、传动系统、车辆串联后与辅助设备、制动电阻并联在直流母线另一侧。牵引电机工作在电动机模式时，动力系统能量流动方向为：混合储能电源—>直流母线—>牵引逆变器—>牵引电机—>传动系统—>车辆；牵引电机工作在发电机模式时，动力系统能量流动方向：车辆—>传动系统—>牵引电机—>牵引逆变器—>混合储能电源(DC/DC变换器—>超级电容)。其中，η₁、η₂、η₃、η₄、η₅分别代表传动系统、牵引电机、牵引逆变器、动力电池DC-DC变换器、超级电容DC-DC变换器的效率，P_Ft、P_aux、P_mch、P_need分别表示有轨电车圆周牵引功率、辅助设备功率、制动电阻消耗功率、运行需求功率。

有轨电车驱动轮牵引力F_t(x)满足：

F_t(x)＝(1+γ)Ma(x)+f_t(x)

式中：x是有轨电车所处公里标，且x∈(x₀,x_end)；F_t(x)、f_t(x)分别代表有轨电车在x处的牵引力和阻力，当F_t(x)＞0时，驱动轮上作用力为牵引力，当F_t(x)＜0时，驱动轮上作用力为制动力，除特别说明外F_t(x)＞0；M是有轨电车质量；γ是有轨电车转动惯量；a(x)是有轨电车期望加速度。

有轨电车期望加速度a(x)满足:

式中：v(x)是有轨电车在x处的期望速度。

有轨电车运行过程中，阻力f_t(x)由基本阻力f₀(x)、附加阻力f₁(x)组成，其中附加阻力f₁(x)由坡道附加阻力f_i(x)、曲线附加阻力f_r(x)、空气附加阻力f_w(x)组成，阻力f_t(x)满足：

f_t(x)＝f₀(x)+f₁(x)

基本阻力f₀(x)由有轨电车机械之间的摩擦产生，满足：

f₀(x)＝Mg(A+Bv(x)+Cv(x)²)

式中：g是重力加速度，A、B、C是基本阻力系数。

附加阻力f₁(x)为有轨电车在行驶通过特定线路(坡道、曲线)时所产生的阻力，包括：由坡道附加阻力f_i(x)、曲线附加阻力f_r(x)、空气附加阻力f_w(x)，满足：

f₁(x)＝f_i(x)+f_r(x)+f_w(x)

坡道附加阻力f_i(x)即有轨电车在坡道运行时所受到的自重沿坡道方向的分力，考虑实际运行路线坡度较小，满足：

f_i(x)＝Mgi

式中：i是有轨电车在x处的坡度值即坡度角θ的正切值，满足i＝tanθ。

曲线附加阻力f_r(x)由有轨电车车轮横向滑动导致车轮与轨道之间的摩擦增大所致，满足：

式中：R是当前位置曲线半径；D是曲线附加阻力系数。

空气附加阻力f_w(x)即有轨电车运行时受到的空气阻力，满足：

f_w(x)＝0.5ESρv_r(x)²

式中，E是空气阻力系数，S是迎风面积，ρ是空气密度，v_r(x)是有轨电车与风速间的相对速度。

因此，阻力f_t(x)满足：

有轨电车圆周牵引功率P_Ft(x)满足：

有轨电车在区间(x₀,x_end)完全跟随期望速度运行，则有轨电车运行需求功率P_need(x)满足：

P_need(x)＝η₁ ^σ1η₂ ^σ1η₃ ^σ1P_Ft(x)+P_aux

式中，η₁、η₂、η₃分别代表传动系统、牵引电机、牵引逆变器的效率，σ1＝sgn(-P_Ft(x))；P_aux代表有轨电车辅助设备功率，辅助设备包括空调、照明。此外，当F_t(x)＜0即P_Ft(x)＜0时，F_t(x)为制动力，产生制动回收能量。

有轨电车在区间(x₀,x_end)运行的需求能量E_need(x)满足：

步骤2，根据不同区间运行功率需求，动态调整对应区间功率门限值，具体如下：

动力电池+超级电容的混合动力有轨电车，动力电池不回收制动能量，并采用首末站充电的模式；超级电容负责回收制动能量，并采用站站充电的模式。由于动力电池采用首末站充电的模式，从元件性能、有轨电车运行特性考虑，应保证其在合适的荷电状态(SOC)，并尽可能少供能；而超级电容采用站站充电的模式，为了最大程度地回收制动能量，应尽可能让其在牵引、巡航阶段多供能，从而在制动阶段高效回收制动能量。

运行期间，在保证有轨电车按照目标速度行驶的前提下，由动力电池和超级电容配合供电、满足功率能量需求，设置功率门限值，当功率需求小于等于功率门限值时，由动力电池单独供电；当功率需求高于功率门限值时，由动力电池+超级电容一起供电。

以动力电池能耗最少为目标，获得各运行区间的最优功率门限值，从而根据实际情况动态调整动力电池和超级电容间功率分配，使得系统性能最优。

为便于动力电池放电功率的确定，采用R_int内阻模型，如图4所示。

动力电池端电压U满足：

U＝U_oc-IR₀

式中，U_oc是动力电池开路电压，与荷电状态SOC相关；I是充放电电流；R₀是动力电池等效内阻，为简化模型，忽略温度、SOC对R₀的影响，即R₀为定值。

动力电池荷电状态SOC_bt满足：

式中，Q_ini、Q_bt分别是动力电池初始容量、额定容量；t₀、t₁分别是放电电流I的起始时刻、结束时刻。

动力电池放电功率P_b，满足：

式中，I_b是动力电池充放电限制电流，放电时为正，充电时为负；SOC_btmin、SOC_btmax分别是动力电池在正常工作时的最低、最高荷电状态。由公式可知，荷电状态SOC_bt和限制电流I_b决定放电功率P_b，且荷电状态SOC_bt由限制电流I_b决定，因此放电功率P_b由限制电流I_b决定，即通过优化限制电流I_b可优化放电功率P_b。

功率门限值由动力电池放电功率确定，以动力电池最大放电功率P_max为功率门限值初始值，通过优化限制电流I_b来优化放电功率P_b即功率门限值，最终得到最优限制电流I_bm及最优功率门限值P_bm。

限制电流I_b满足：

I_b≤I_max

式中，I_max为最大允许充放电电流。

限制电流I_b优化流程，具体步骤如下：

1)利用最大允许充放电电流I_max初始化限制电流I_b，即满足I_b＝I_max；

2)在限制电流I_b确定的功率门限值P_b下，判断是否满足有轨电车运行目标速度要求；

3)若满足要求，则在限制电流I_b基础上减去一定变量ΔI，即满足I_b＝I_b-ΔI，并进入步骤2)中进行判断；

4)若不满足要求，则退出循环，取上一次循环时的限制电流I_b作为最优限制电流I_bm，此限制电流确定最优功率门限值P_bm。

步骤3，在不同的功率门限值下，针对混合储能元件选择相应的工作模式，具体如下：

为了适应功率门限值的选取，将动力电池+超级电容的混合储能系统工作模式分为：A.低功率牵引工作模式；B.高功率牵引工作模式；C.再生制动工作模式；D.再生制动+机械制动工作模式。

A.低功率牵引工作模式(0＜P_need≤P_bm，SOC_btmin＜SOC_bt＜SOC_btmax)

在该低功率牵引模式下，有轨电车功率需求小于等于功率门限值即0＜P_need≤P_bm，动力电池荷电状态SOC_bt在正常工作状态下即SOC_btmin＜SOC_bt＜SOC_btmax，则由动力电池单独供电，该模式下功率平衡关系为：

式中，P_bto表示动力电池输出功率；P_cmo表示动力电池输出功率；η₄代表动力电池的DC-DC变换器工作效率。

B.高功率牵引工作模式(P_need＞P_bm，SOC_btmin＜SOC_bt＜SOC_btmax，SOC_cmmin＜SOC_cm＜SOC_cmmax)

在该高功率牵引工作模式下，有轨电车功率需求高于功率门限值即P_need＞P_bm，且动力电池荷电状态SOC_bt、超级电容荷电状态SOC_cm均处于正常工作状态下，即SOC_btmin＜SOC_bt＜SOC_btmax、SOC_cmmin＜SOC_cm＜SOC_cmmax，则由动力电池和超级电容共同供电，该模式下功率平衡关系为：

P_need＝η₄P_bto+η₅P_cmo

式中，η₅代表超级电容的DC-DC变换器工作效率。

C.再生制动工作模式(P_need＜0，SOC_cmmin＜SOC_cm＜SOC_cmmax)

在该再生制动工作模式下，有轨电车功率需求P_need＜0即产生再生制动能量，当超级电容处于正常工作模式(SOC_cmmin＜SOC_cm＜SOC_cmmax)，则由超级电容回收再生制动能量，该模式下功率平衡关系为：

η₅P_need＝P_cmi

式中，P_cmi代表超级电容输入功率(充电功率)。

D.再生制动+机械制动工作模式(P_need＜0，SOC_cm≥SOC_cmmax)

在该再生制动+机械制动工作模式下，再生制动能量超过超级电容最大回收能力，即超级电容荷电状态超过最大值时，制动电阻开始消耗再生制动能量即将过再生制动能量转化为热能，该模式下功率平衡关系为：

η₅P_need＝P_cmi+P_mch

式中，P_mch代表制动电阻消耗功率。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例

采用本发明的基于变门限值的混合动力有轨电车能量管理方法，利用MATLAB进行仿真：以某地有轨电车运行线作为研究对象，将相关线路里程、曲线情况、坡度作为研究数据，计算出有轨电车在各运行区间需求功率，并通过优化算法确定各区间的最优功率门限值，动力电池和超级电容在不同功率门限值下选择合适的工作模式。

在ATO模式下的有轨电车，按照图5所示的期望速度与位置曲线运行。通过仿真计算得到按照期望速度运行时需求功率及功率门限值，如图6所示，图中，实线曲线代表有轨电车运行需求功率，虚线线段代表各区间功率门限值。在各区间，实线曲线位于功率轴正半轴部分，需求功率大于0，在虚线线段即功率门限值以下，仅由动力电池按照A模式工作，虚线线段以上由动力电池和超级电容共同工作，按照B模式工作；当实线曲线位于功率负半轴，需求功率小于0，由超级电容和制动电阻工作，按照C、D模式工作。

动力电池和超级电容的荷电状态变化曲线如图7所示，图中，在整个运行区间内，动力电池一直处于放电状态，其荷电状态(SOC)即虚线曲线一直在下降，最终SOC降至61％左右，具有较好的续航能力且避免了过放的问题；超级电容在牵引放电、制动充电的状态转换，其荷电状态(SOC)即实现曲线在30％～100％间变化，在超级电容正常工作范围内，有效发挥了超级电容回收制动能量的能力，同时制动模式中制动电阻的设置，避免了超级电容过充的问题。

基于变门限值的混合动力有轨电车能量管理方法，以动力电池能耗最小为目标来选取功率门限值，既保证动力电池的续航能力，又能通过超级电容最大效率的回收制动能量，满足有轨电车运行需求，符合实际运行过程中动力电池首末站充电、超级电容站站充电的要求，同时避免了储能元件的过充过放、提高了储能元件的寿命。