一種軌道交通用多能源儲能系統(tǒng)和能量分配策略的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種軌道交通用多能源儲能系統(tǒng)和能量分配策略，特別是一種基于系 統(tǒng)最小損耗控制的軌道交通用多能源儲能系統(tǒng)和能量分配策略。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，輕軌車輛由于采用傳統(tǒng)的牽引電網(wǎng)供電，密集布置的牽引電網(wǎng)影響了城市 的美化，并且牽引電網(wǎng)建設(shè)的投資較大，采用不控整流技術(shù)的牽引電網(wǎng)無法吸收車輛的制 動能量。研究無牽引電網(wǎng)的城市輕型軌道車輛，可W解決上述問題，對降低城市軌道交通的 運行成本具有重大意義。
[0003] 在軌道交通車輛上加裝獨立供電電源為列車運行提供能量，維持系統(tǒng)運行，可達(dá) 到節(jié)能減排與減少城市牽引網(wǎng)視覺污染等問題。裡離子電池由于其較高的能量密度，采用 裡電池系統(tǒng)作為動力源將成為軌道交通領(lǐng)域未來發(fā)展的趨勢，但同時，由于軌道車輛的瞬 時功率需求較大，而裡離子電池對瞬時大電流充放電較為敏感，若單獨使用會減少裡離子 電池的使用壽命，因此采用高功率密度的超級電容加 W補償可W取得良好的運行效果。
[0004] 裡離子電池與超級電容混合儲能系統(tǒng)作為輕軌車輛的驅(qū)動能量來源，可W兼顧電 池高能量密度和超級電容高功率密度的特點，可W保證車輛加速過程中與制動過程中對儲 能系統(tǒng)的功率需求，同時還能滿足車輛長距離牽引的能量需求。
[0005] 對于軌道交通用裡離子電池與超級電容混合儲能系統(tǒng)來說，其應(yīng)用場合還沒有完 全普及。目前工程應(yīng)用中用到的能量分配策略為邏輯口限控制，即設(shè)定裡離子電池的最大 充放電電流，當(dāng)列車能量需求超過該電流值時，則使用超級電容作為補充，該種控制策略結(jié) 構(gòu)簡單，易于實施，但沒有考慮到儲能系統(tǒng)的損耗問題，整體系統(tǒng)效率利用率不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種軌道交通用多能源儲能 系統(tǒng)和能量分配策略，W實現(xiàn)多能源儲能系統(tǒng)在滿足軌道車輛用電的前提下，盡可能減少 儲能元件的損耗，提高系統(tǒng)的整體效率。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[000引一種軌道交通用多能源儲能系統(tǒng)，包括:裡離子電池組模塊、超級電容組模塊、直 流-直流(DC/DC)變換器模塊、電池管理系統(tǒng)和控制單元；
[0009] 所述裡離子電池組模塊與超級電容組模塊用于為軌道車輛的牽引運行提供能量， 并在車輛制動剎車時回收部分能量；
[0010] 所述裡離子電池組模塊由裡離子電池單體組成，超級電容組模塊由超級電容單體 組成；
[0011] 所述直流-直流變換器模塊，包括將裡離子電池組模塊的電能輸送到直流母線化C BUS)的電能變換拓?fù)潆娐芬唬?br>[0012] W及用于將超級電容組模塊的電能輸送到直流母線(DC BUS)的電能變換拓?fù)潆?路二，
[0013] 所述電能變換拓?fù)潆娐芬话娏﹄娮娱_關(guān)器件和裡離子電池組模塊接口，所述 電能變換拓?fù)潆娐范娏﹄娮娱_關(guān)器件和超級電容組模塊接口；
[0014] 所述電池管理系統(tǒng)（BMS = Battery Management System)用于實時監(jiān)控單體電池狀 態(tài)和采集裡離子電池組模塊信息；
[0015] 所述控制單元用于監(jiān)控電能變換拓?fù)潆娐愤\行狀態(tài)W及發(fā)送控制命令。
[0016] 所述控制單元包括能量分配策略控制模塊和狀態(tài)評估模塊，
[0017] 能量分配策略控制模塊用于根據(jù)車輛實時能量需求進(jìn)行能量分配，狀態(tài)評估模塊 用于根據(jù)電池管理系統(tǒng)獲取的電池電壓、電流、剩余荷電狀態(tài)(S0C:S化te Of化arge)和溫 度數(shù)據(jù)，對裡離子電池組進(jìn)行狀態(tài)評估。
[0018] -種軌道交通用多能源儲能系統(tǒng)能量分配策略，包括W下步驟：
[0019] S1、通過充放電設(shè)備對組成裡離子電池組模塊的裡離子電池單體與組成超級電容 組模塊的超級電容單體進(jìn)行充放電測試，通過對測試數(shù)據(jù)的計算，對裡離子電池單體模型 與超級電容單體模型（如圖1、圖2所示）的模型參數(shù)(參數(shù)指圖1和/或圖2中電器元件的參 數(shù))進(jìn)行模型辨識，得出裡離子電池單體與超級電容單體在不同剩余電量下的數(shù)學(xué)模型參 數(shù)，進(jìn)而得到裡離子電池組模塊與超級電容組模塊的數(shù)學(xué)模型；
[0020] S2、通過線性化，將得到的數(shù)學(xué)模型參數(shù)制成基于剩余電量的數(shù)據(jù)表格，存儲在控 制單元內(nèi)；
[0021] S3、在所述軌道交通用多能源儲能系統(tǒng)工作時，基于裡離子電池組模塊與超級電 容組模塊的數(shù)學(xué)模型分別建立損耗方程；
[0022] S4、合并兩個損耗方程為系統(tǒng)總損耗方程，并對其求解方程最小值，得到方程在最 小值情況下的唯一自變量a，〇為能量分配系數(shù)；
[0023] S5、判斷在能量分配系數(shù)a下，分配能量給裡離子電池組模塊與超級電容組模塊是 否符合各自的邊界條件，若符合，則更新a值;若不符合，則丟掉該次的a值；
[0024] S6、通過a值分別計算出裡離子電池組模塊與超級電容組模塊的輸出電流或輸入 電流目標(biāo)值，并通過各自的直流-直流(DC/DC)變換器模塊實現(xiàn)該電流目標(biāo)值，使裡離子電 池組模塊與超級電容組模塊共同為軌道車輛的運行提供能量或吸收能量。
[00巧]S7、重復(fù)步驟S3至S6。
[0026] 步驟Sl中，所述的模型辨識是指，通過matlab軟件的模型辨識工具箱對裡離子電 池單體模型與超級電容單體模型的模型參數(shù)進(jìn)行辨識。
[0027] 步驟S3中，所述的損耗方程為:裡離子電池組模塊的損耗量方程與超級電容組模 塊的損耗量方程。
[00%]步驟S4中，所述的能量分配系數(shù)a通過如下方程求解最小值取得：
[0029] P'紛雕=日3柳2+b3柳+C3，ae [0,1] (7)
[0030] 本發(fā)明能夠取得的技術(shù)效果：
[0031] 本發(fā)明所述的軌道交通用多能源儲能系統(tǒng)和能量分配策略，能在滿足軌道車輛用 電工況的前提下，盡可能減少儲能元件的總損耗，將車輛能量需求合理的分配給裡離子電 池組模塊與超級電容組模塊，提高該系統(tǒng)的整體效率。
【附圖說明】
[0032] 下面結(jié)合附圖對發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明；
[0033] 圖1裡離子電池單體的等效電路模型；
[0034] 圖2超級電容單體的等效電路模型；
[0035] 圖3軌道交通用多能源儲能系統(tǒng)框圖；
[0036] 圖4軌道交通用多能源儲能系統(tǒng)能量分配策略框圖；
【具體實施方式】
[0037] W下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0038] 如圖3所示，本發(fā)明中公開的一種軌道交通用多能源儲能系統(tǒng)，
[0039] 包括:裡離子電池組模塊、超級電容組模塊、直流-直流(DC/DC)變換器模塊、電池 管理系統(tǒng)和控制單元；
[0040] 所述裡離子電池組模塊與超級電容組模塊用于為軌道車輛的牽引運行提供能量， 并在車輛制動剎車時回收部分能量；
[0041] 所述裡離子電池組模塊由裡離子電池單體組成，超級電容組模塊由超級電容單體 組成；
[0042] 所述直流-直流變換器模塊，包括將裡離子電池組模塊的電能輸送到直流母線化C BUS)的電能變換拓?fù)潆娐芬唬?br>[0043] W及用于將超級電容組模塊的電能輸送到直流母線(DC BUS)的電能變換拓?fù)潆?路二，
[0044] 所述電能變換拓?fù)潆娐芬话娏﹄娮娱_關(guān)器件和裡離子電池組模塊接口，所述 電能變換拓?fù)潆娐范娏﹄娮娱_關(guān)器件和超級電容組模塊接口；
[0045] 所述電池管理系統(tǒng)（BMS = Battery Management System)用于實時監(jiān)控單體電池狀 態(tài)和采集裡離子電池組模塊信息；
[0046] 所述控制單元用于監(jiān)控電能變換拓?fù)潆娐愤\行狀態(tài)W及發(fā)送控制命令。
[0047] 所述控制單元包括能量分配策略控制模塊和狀態(tài)評估模塊，
[0048] 能量分配策略控制模塊用于根據(jù)車輛實時能量需求進(jìn)行能量分配，狀態(tài)評估模塊 用于根據(jù)電池管理系統(tǒng)獲取的電池電壓、電流、剩余荷電狀態(tài)(S0C:S化te Of化arge)和溫 度數(shù)據(jù)，對裡離子電池組進(jìn)行狀態(tài)評估。
[0049] 裡離子電池組模塊由裡離子電池單體組成，首先對裡離子電池單體進(jìn)行建模。本 發(fā)明采用一階Thevenin模型作為裡離子電池單體的等效電路模型，如圖1所示為一階 化evenin模型的電路結(jié)構(gòu)，其中Vo表示電池端電壓，Io表示電池輸出電流，Voct表示開路電 壓，Ro表示歐姆內(nèi)阻，Cp表示極化電容，I?P表示極化電阻，Vp表示極化電壓。基于電路模型原 理，利用測得的電池電壓電流數(shù)據(jù)，可W將電池模型參數(shù)歐姆內(nèi)阻Ro,極化電容Cp,極化電阻 化通過計算與參數(shù)辨識得到。
[0050] 首先將裡離子電池單體SOC (剩余電量)從0 %至100 %分成20等分，每5 % SOC變化 進(jìn)行一次測試。例如，當(dāng)電池單體SOC處于0 %狀態(tài)時，對其進(jìn)行Io = IC(倍率)充電，充電至 SOC達(dá)到5%為止，之后靜止一小時，可得W下模型參數(shù)的數(shù)據(jù)表：
[0052] 上式中，Vo(O)為裡電池單體初始端電壓，Vo(I)為裡電池單體充電I秒后的端電壓， Vc#止為充電至SOC達(dá)到5%靜止一小時后裡電池單體端電壓，使用matlab軟件的模型辨識工 具箱通過對Vp數(shù)據(jù)表進(jìn)行參數(shù)辨識，可W得到模型參數(shù)化與Cp。
[0053] 將上述實驗進(jìn)行20次，可得到裡離子電池單體SOC每5 %-段的裡離子電池單體模 型參數(shù)￥〇"、則八。、化，將其數(shù)據(jù)表通過1113*136軟件線性化工具箱進(jìn)行線性化，可得到裡離子 電池單體SOCO % -100 %的近似模型參數(shù)。
[0054] 超級電容組模塊由超級電容單體組成，對超級電容單體進(jìn)行建模。本發(fā)明采用電 容串聯(lián)等效串聯(lián)內(nèi)阻的模型作為超級電容單體的電路模型，如圖2所示，其中Vo表示超級電 容端電壓，Io表示超級電容輸出電流，Vu。表示開路電壓，Ru。表示超級電容單體等效串聯(lián)內(nèi) 阻。
[0055] 等效串聯(lián)內(nèi)阻Ruc的測試采用恒流充放電試驗。將超級電容靜止1分鐘，之后對其進(jìn) 行放電實驗。靜止末端超級電容單體端電壓與放電開始后IOms時的超級電容單體端電壓電 壓之差A(yù) U與放電電流的比值即為在該超級電容單體的等效串聯(lián)內(nèi)阻Rue。
[0056] -種軌道交通用多能源儲能系統(tǒng)能量分配策略，該控制策略步驟包括：
[0057] Sl、通過充放電設(shè)備對組成裡離子電池組模塊的裡離子電池單體與組成超級電