[發明專利]一種軌道交通用多能源儲能系統和能量分配策略

有效

• 申請號: 201610013371.2
• 申請日: 2016-01-11
• 公開（公告）號: CN105576683B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 程龍;吳健;張維戈;孟學東;韓聳
• 申請（專利權）人: 北京北交新能科技有限公司
• 主分類號: H02J3/32
• 分類號: H02J3/32
• 代理公司: 北京衛平智業專利代理事務所(普通合伙)11392
• 代理人: 董琪

技術領域

本發明涉及一種軌道交通用多能源儲能系統和能量分配策略，特別是一種基于系統最小損耗控制的軌道交通用多能源儲能系統和能量分配策略。

背景技術

目前，輕軌車輛由于采用傳統的牽引電網供電，密集布置的牽引電網影響了城市的美化，并且牽引電網建設的投資較大，采用不控整流技術的牽引電網無法吸收車輛的制動能量。研究無牽引電網的城市輕型軌道車輛，可以解決上述問題，對降低城市軌道交通的運行成本具有重大意義。

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，維持系統運行，可達到節能減排與減少城市牽引網視覺污染等問題。鋰離子電池由于其較高的能量密度，采用鋰電池系統作為動力源將成為軌道交通領域未來發展的趨勢，但同時，由于軌道車輛的瞬時功率需求較大，而鋰離子電池對瞬時大電流充放電較為敏感，若單獨使用會減少鋰離子電池的使用壽命，因此采用高功率密度的超級電容加以補償可以取得良好的運行效果。

鋰離子電池與超級電容混合儲能系統作為輕軌車輛的驅動能量來源，可以兼顧電池高能量密度和超級電容高功率密度的特點，可以保證車輛加速過程中與制動過程中對儲能系統的功率需求，同時還能滿足車輛長距離牽引的能量需求。

對于軌道交通用鋰離子電池與超級電容混合儲能系統來說，其應用場合還沒有完全普及。目前工程應用中用到的能量分配策略為邏輯門限控制，即設定鋰離子電池的最大充放電電流，當列車能量需求超過該電流值時，則使用超級電容作為補充，該種控制策略結構簡單，易于實施，但沒有考慮到儲能系統的損耗問題，整體系統效率利用率不高。

發明內容

針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種軌道交通用多能源儲能系統和能量分配策略，以實現多能源儲能系統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，提高系統的整體效率。

為解決上述技術問題，本發明采用下述技術方案：

一種軌道交通用多能源儲能系統，包括：鋰離子電池組模塊、超級電容組模塊、直流-直流(DC/DC)變換器模塊、電池管理系統和控制單元；

所述鋰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；

所述鋰離子電池組模塊由鋰離子電池單體組成，超級電容組模塊由超級電容單體組成；

所述直流-直流變換器模塊，包括將鋰離子電池組模塊的電能輸送到直流母線(DC BUS)的電能變換拓撲電路一，

以及用于將超級電容組模塊的電能輸送到直流母線(DC BUS)的電能變換拓撲電路二，

所述電能變換拓撲電路一包括電力電子開關器件和鋰離子電池組模塊接口，所述電能變換拓撲電路二包括電力電子開關器件和超級電容組模塊接口；

所述電池管理系統(BMS:Battery Management System)用于實時監控單體電池狀態和采集鋰離子電池組模塊信息；

所述控制單元用于監控電能變換拓撲電路運行狀態以及發送控制命令。

所述控制單元包括能量分配策略控制模塊和狀態評估模塊，

能量分配策略控制模塊用于根據車輛實時能量需求進行能量分配，狀態評估模塊用于根據電池管理系統獲取的電池電壓、電流、剩余荷電狀態(SOC:State of Charge)和溫度數據，對鋰離子電池組進行狀態評估。

一種軌道交通用多能源儲能系統能量分配策略，包括以下步驟：

S1、通過充放電設備對組成鋰離子電池組模塊的鋰離子電池單體與組成超級電容組模塊的超級電容單體進行充放電測試，通過對測試數據的計算，對鋰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(參數指圖1和/或圖2中電器元件的參數)進行模型辨識，得出鋰離子電池單體與超級電容單體在不同剩余電量下的數學模型參數，進而得到鋰離子電池組模塊與超級電容組模塊的數學模型；

S2、通過線性化，將得到的數學模型參數制成基于剩余電量的數據表格，存儲在控制單元內；

S3、在所述軌道交通用多能源儲能系統工作時，基于鋰離子電池組模塊與超級電容組模塊的數學模型分別建立損耗方程；

S4、合并兩個損耗方程為系統總損耗方程，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α，α為能量分配系數；

S5、判斷在能量分配系數α下，分配能量給鋰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α值；若不符合，則丟掉該次的α值；