[發明專利]燃料電池超級電容混合動力機車參數匹配優化方法

無效

• 申請號: 201310675104.8
• 申請日: 2013-12-07
• 公開（公告）號: CN104071033A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 李奇;陳維榮;劉志祥;戴朝華;張雪霞;郭愛;劉述奎
• 申請（專利權）人: 西南交通大學;成都瑞頂特科技實業有限公司
• 主分類號: B60L15/32
• 分類號: B60L15/32;B60L11/18
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 張澎

技術領域

本發明涉及大功率燃料電池/超級電容混合動力機車技術，尤其是混合動力機車能量管理優化控制技術領域。?

背景技術

具有中等運量的機車是對地鐵、輕軌、公交系統的有效補充，是形成生態化、一體化交通體系的重要組成部分，可作為大城市的骨干線、近郊聯絡線，以及中小城市的主干線。雖然無接觸網機車技術可避免架設全線接觸網，但無法擺脫牽引供電系統，仍需配備牽引變電站、受流站點等。燃料電池技術是一種清潔能源技術，具有高效、環保等特點，被稱為是21世紀最有前途的“綠色能源”技術，已受到世界各國的高度重視，在我國屬國家能源領域的重點研發技術。燃料電池機車是國外正在研究的最新機車技術，其特點是完全擺脫牽引供電系統，且燃料電池通過電化學反應發電，產物只有水，做到了真正意義的零排放。同時，燃料電池是通過溫和的電化學反應發電，不經過燃燒過程，系統電效率高達45～50％。?

因此，燃料電池/超級電容混合動力機車技術，將采用清潔、環保、高效的氫能作為動力，超級電容又可回收利用電車的再生制動能量，推動機車技術朝著綠色、高效、無牽引供電系統方向發展，具有良好的節能減排效果。?

燃料電池系統輸出功率變化需要實時調整氫氣和空氣供應系統以及水循環散熱系統，其動態響應相對較慢，持續發電能量強。而超級電容動態響應特性好，峰值功率高，但持續放電時間短。將二者通過耦合構建混合動力系統，可以充分發揮燃料電池和超級電容的優勢，用以驅動機車實現無接觸網運行。然而，對于混合動力機車在啟動、加速、平穩運行、制動、停車等不同工況條件下，如何根據工況條件和動力系統狀態進行燃料電池系統和超級電容系統之間能量調?度，使燃料電池保持平穩、高效運行的同時，確保超級電容充放電安全管理和有效的制動能量回收，避免超級電容過充過放，是一個復雜而又極其重要的問題。必須針對不同工況設定不同控制方法，考慮混合動力機車的制動能量有效回收、燃料經濟性、燃料電池使用壽命，保證機車安全、平穩運行。?

現有的混合動力驅動系統能量管理控制方法大多采用基于規則策略中的邏輯門限方法，是以保護蓄電池或超級電容為主要目的。另外一種功率分配策略，其總體原則是通過限制蓄電池或超級電容的充放電功率實現不同電源間的功率分配，即將蓄電池或超級電容的充放電功率限制在一定范圍內。這些方法的優點在于執行速度較快，但規則的制定通常依賴于專家經驗、已知系統數學模型和試驗測試結果等，不能保證車內能量流獲得最佳匹配，無法獲得最佳燃料經濟性。?

發明內容

鑒于現有技術的以上不足，本發明旨在提供一種基于混合度參數匹配的燃料電池/超級電容混合動力機車能量管理優化控制方法，提高各電源的工作效率，延長各電源的循環使用壽命，改善整車性能。?

燃料電池超級電容混合動力機車參數匹配優化方法，以所給工況條件和動力系統狀態進行燃料電池系統和超級電容系統之間能量調度，使燃料電池保持平穩高效運行的同時確保超級電容充放電安全管理和有效的制動能量回收，提高各電源的工作效率，延長各電源的循環使用壽命，改善整車動力性和經濟性，包括如下主要步驟：?

1)燃料電池/超級電容混合動力機車參數匹配優化方法?

首先在某工況條件下，根據最高車速需求功率P_v、最大爬坡度需求功率P_i、最大加速度需求功率P_a確定動力源最大總功率P_max，即?

P_max＝max{P_v,P_i,P_a}??(1)?

其中，P_v、P_i、P_a表示為與整車質量M相關的形式。?

混合度的最大邊界條件是燃料電池系統最大功率的最小值P_{fc_min}能夠滿足機車在巡航和爬坡兩種狀態下行駛所需要的功率需求；混合度的最小邊界條件由超級電容的最大功率取最小值來確定，要求超級電容具有瞬時驅動電動機的功率P_{UC_min}。?

燃料電池/超級電容混合動力機車系統的參數匹配設計為多目標的優化問題，各目標之間相互制約，優化結果通常為多目標之間的折衷結果，即允許存在多個優化結果，而不必僅尋求針對某單一優化目標的唯一的最優解。本發明采用加權求和的方法來描述多目標優化問題，屬非線性規劃問題，即將每一個目標進行規范化并建模為多目標優化問題中的一個約束項，這樣多目標優化問題的目標函數轉換成多個單一目標的加權求和問題。?