[發明專利]燃料電池混合動力有軌電車多能量源耦合懲罰控制系統

有效

• 申請號: 201711111495.5
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN108099635B
• 公開（公告）日: 2019-09-24
• 發明（設計）人: 彭飛;趙元哲;張亞林;李小鵬;莊哲;何茂鑫
• 申請（專利權）人: 山東斯博科特電氣技術有限公司
• 主分類號: B60L58/30
• 分類號: B60L58/30;B60L58/40
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 種艷麗

本發明公開了一種燃料電池混合動力有軌電車多能量源耦合懲罰控制系統，屬于燃料電池混合動力能量管理控制領域。包括多能量源系統監控單元接口，用于通信連接燃料電池系統監控單元、超級電容系統監控單元、鋰電池系統監控單元以及牽引驅動系統直流母線監測單元；耦合懲罰控制單元，其根據整車實時牽引工況和多能量源工作特性實現燃料電池系統、超級電容系統、鋰電池系統自適應能量分配，并根據各能量源性能衰減特性對自適應能量需求分配進行預測修正，確保整車運行穩定性的同時，使得燃料電池系統工作于實時最優凈功率輸出、超級電容系統和鋰電池系統工作于期望荷電狀態范圍內，提高各能量源系統工作效率，延長各能量源的循環使用壽命。

技術領域

本發明屬于燃料電池混合動力能量管理控制領域，具體涉及一種燃料電池混合動力有軌電車多能量源耦合懲罰控制系統。

背景技術

隨著社會經濟的發展和城市化進程的加快，城市交通擁堵和汽車尾氣排放等引起的環境污染問題已經成為困擾每個大中城市的頑疾。特別地，其中傳統燃油車輛怠速時的汽車尾氣排放量是正常行駛的20-30倍。緩解城市擁堵，治理城市污染，已經成為我國各大城市亟待解決的難題。發展城市公共交通，尤其是城市軌道交通，以及新能源應用，是解決城市擁堵和空氣污染的有效途徑。其中，具有清潔、環保、高效等突出優點的中等運量燃料電池混合動力有軌電車是對地鐵、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，其相對于既有無接觸網有軌電車技術而言，可完全擺脫牽引供電系統、無需配置牽引變電站和受流站點，因而可作為大城市的骨干線、近郊聯絡線、中小城市的主干線。

在燃料電池有軌電車混合動力供電系統中，由于作為主能量源的燃料電池系統配置的空氣供給模塊、冷卻循環模塊具有明顯的機電暫態延遲，因而需要配置合理的輔助供電系統，以滿足快速動態變化的有軌電車牽引負荷需求。目前，大功率車載輔助供電系統主要包括獨立超級電容系統、獨立鋰電池系統以及超級電容/鋰電池混合系統三種制式，其中，獨立超級電容系統比功率高，大電流充放電循環性能好，但自放電率大，持續放電時間短；而鋰電池系統比能量大，自放電率低，適用于中小電流持續充放電，因此，通過燃料電池、超級電容、鋰電池的有效耦合，充分發揮三種能量源的性能優勢，構建有軌電車用大功率燃料電池混合動力系統，是燃料電池混合動力有軌電車發展的必然趨勢。

其中，如何有效結合有軌電車運行工況與燃料電池、超級電容、鋰電池等多能量源工作特性，設計高效合理的能量管理系統，對于實現燃料電池混合動力有軌電車整車動力性與燃料經濟性的有效兼顧，提高燃料電池系統運行性能，延長燃料電池混合動力系統循環使用壽命，具有非常重要的現實意義。

目前，在有燃料電池有軌電車混合動力系統設計中，主要由作為混合動力主能量源的燃料電池系統優先滿足整車動力性能要求，由超級電容系統和鋰電池系統構成的儲能系統提供輔助功率需求和制動能量回收，在此基礎上提出了多種基于切換策略、模糊規則和信號頻率分割的多能量源管理控制系統。其中，超級電容系統主要用于補充有軌電車啟動加速過程的功率需求，并回收有軌電車再生制動回饋能量；而鋰電池系統在提供燃料電池系統啟動功率、補充有軌電車牽引功率以及回收超級電容系統無法吸收的再生制動回饋能量的同時，需要滿足燃料電池低功率運行能量吸收以及有軌電車緊急牽引模式下的能量需求。

然而，上述燃料電池混合動力有軌電車多能量源控制系統雖然滿足了多能量源實時控制管理需求，但并未充分考慮燃料電池、超級電容、鋰電池等多能量源工作特性。特別地，與中小功率燃料電池系統運行特性不同，大功率燃料電池系統的功率輸出與氫氣、空氣計量比特性密切相關，其中，氫氣供給模塊的固有高壓工作特性使其響應較為迅速，而空氣供給模塊由于空壓機固有的機電暫態延遲，會使得燃料電池處于暫態氧饑餓和氧飽和狀態，影響燃料電池系統的最優凈功率輸出，降低燃料電池系統的循環使用壽命。而既有燃料電池混合動力有軌電車能量管理系統并未充分計及燃料電池系統凈輸出功率與運行壽命特性，也并未有效量化燃料電池系統緩變暫態響應對輔助儲能供電系統的反饋影響，因此，上述依賴專家經驗的規則策略制定也不能保證多能量源實時最佳匹配，并不適用于大功率燃料電池混合動力有軌電車能量管理，無法有效兼顧整車動力性與燃料經濟性。