燃料电池混合动力有轨电车多动力源自适应能量管理系统

摘要

本发明公开了一种燃料电池混合动力有轨电车多动力源自适应能量管理系统，包括：一燃料电池系统单元，一锂电池单元；一超级电容器单元；一单向直流变换器单元；一双向直流变换器单元接口和一自适应能量管理单元，该自适应能量管理单元由实时分配功率的功率分配处理子单元和自适应能量控制的双自适应神经元模糊推理子单元组成，通过实时检测运行工况和动力系统状态进行燃料电池单元、锂电池单元和超级电容器单元之间的功率实时自适应分配，使燃料电池单元保持平稳高效运行的同时确保锂电池单元和超级电容器单元充放电安全管理和有效的制动能量回收，提高整车和各电源的工作效率，延长各电源的循环使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于有轨电车用燃料电池/锂电池/超级电容混合动力能 量管理系统。

背景技术

具有中等运量的有轨电车是对地铁、轻轨系统的有效补充，是形成生态化、 一体化交通体系的重要组成部分，可作为大城市的骨干线、近郊联络线，以及 中小城市的主干线。虽然无接触网机车技术可避免架设全线接触网，但无法摆 脱牵引供电系统，仍需配备牵引变电站、受流站点等。燃料电池技术是一种清 洁能源技术，具有高效(45～50％)、环保等特点，被称为是21世纪最有前途 的“绿色能源”技术，在我国属国家能源领域的重点研发技术。燃料电池混合 动力有轨电车是国外正在研究的最新机车技术，其特点是完全摆脱牵引供电系 统，且燃料电池通过电化学反应发电，产物只有水，做到了真正意义的零排放， 而锂电池和超级电容又可在不同运行条件下有效回收电车的再生制动能量，推 动有轨电车技术朝着绿色、高效、无牵引供电系统方向发展，具有良好的节能 减排效果。

燃料电池系统输出功率变化需要实时调整氢气和空气供应系统以及水循 环散热系统，其动态响应相对较慢，持续发电能量强；超级电容动态响应特性 好，功率密度高，但持续放电时间短；锂电池能量密度较高，持续放电时间较 长，但功率密度较低。将三者通过耦合构建混合动力系统，可以充分发挥燃料 电池、锂电池和超级电容的优势，用以驱动有轨电车实现无接触网运行。然而， 对于混合动力有轨电车在启动、加速、运行、制动、停车等不同工况条件下， 如何根据工况条件和动力系统状态进行燃料电池、锂电池和超级电容系统之间 能量分配管理，设计合理、高效的能量管理系统，使燃料电池保持平稳、高效 运行的同时，确保锂电池和超级电容充放电安全管理和有效的制动能量回收， 避免锂电池和超级电容过充过放，具有重要意义。

现有的混合动力系统能量管理系统大多适用于中小功率的燃料电池混合 动力汽车，而且其一般采用基于规则策略中的逻辑门限能量管理方法，是以保 护锂电池或超级电容为主要目的。另外一种功率限制策略，其总体原则是通过 限制锂电池或超级电容的充放电功率实现不同电源间的功率分配，即将锂电池 或超级电容的充放电功率限制在一定范围内。这些方法的优点在于执行速度较 快，但规则的制定通常依赖于专家经验、已知系统数学模型和试验测试结果等， 不能保证车内能量流获得实时最佳匹配，不适用于大功率有轨电车能量管理系 统，无法获得最佳燃料经济性。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种适用于燃料电池/锂电池/超级电容混合动 力有轨电车的自适应能量管理系统，以提高各电源的工作效率，延长各电源的 循环使用寿命，改善整车性能。

本发明的目的是通过如下的手段实现的:

燃料电池混合动力有轨电车多动力源自适应能量管理系统，包括：一燃 料电池系统单元，该燃料电池系统单元至少包括一燃料电池系统单元或相互串 并联的多个燃料电池单元；一锂电池单元，该锂电池单元至少包括一锂电池单 元或相互串并联的多个锂电池单元；一超级电容器单元，该超级电容器单元至 少包括一超级电容器单元或相互串并联的多个超级电容器单元；一单向直流变 换器单元，该直流变换器单元用于连接燃料电池系统单元至直流母线；一双向 直流变换器单元接口，该双向直流变换器单元用于连接锂电池单元或超级电容 器单元至直流母线；其特征在于，所述有轨电车用燃料电池/锂离子电池/超级 电容器混合动力多动力源自适应能量管理系统包括一自适应能量管理单元，该 能量管理单元通过实时检测运行工况和动力系统状态进行燃料电池单元、锂电 池单元和超级电容器单元之间的功率实时自适应分配，使燃料电池单元保持平 稳高效运行的同时确保锂电池单元和超级电容器单元充放电安全管理和有效 的制动能量回收，提高整车和各电源的工作效率，延长各电源的循环使用寿命；

所述自适应能量管理单元包括：

一用于实时分配功率的功率分配处理子单元，通过采集实际工况的功率-时 间信号，设置基于三层Harr离散小波变换算法的高通和低通滤波器组，对工 况的高频和低频部分进行解耦和重构；通过三层采样操作，将原始工况功率- 时间信号解构，再经过Harr离散小波变换，重构为4个不同频段的信号n₀、 n₁、n₂、n₃；

一用于自适应能量控制的双自适应神经元模糊推理子单元，其特征在于， 通过由功率分配处理子单元得到的4个不同频段信号n₀、n₁、n₂、n₃，输入至 双自适应神经元模糊推理子单元；其中，1号自适应神经元模糊推理子单元的 输入信号是信号n₀、锂电池单元荷电状态(SOC)和超级电容器单元SOC，输 出信号是燃料电池单元需求功率P_ref1；2号自适应神经元模糊推理子单元的输 入信号是信号n₁+n₂+n₃+(n₀-P_ref1)、蓄电池单元SOC和超级电容器单元 SOC，输出信号是超级电容器单元需求功率P_ref3；根据实时输入信号，实现自 适应管理控制。

相较于现有技术，采用本发明的有轨电车用燃料电池/锂电池/超级电容混 合动力自适应能量管理系统，能够针对燃料电池单元、锂电池单元和超级电容 器单元运行特性，有效地通过时频分析实现对实际工况的高频和低频部分进行 解耦和重构，可以根据不同动力源的工作特性实现功率分配，提高动力源的使 用寿命，解决了负荷实时需求难于满足的问题。另外，本发明的能量管理单元 由实时分配功率的功率分配处理子单元和自适应神经元模糊推理子单元组成， 能够根据有轨电车的不同工作模式，实现了对不同动力源的功率分配和管理， 提高各电源和整车的工作效率，并有效延长各电源的循环使用寿命。

附图说明：

图1为本发明实施例提供的有轨电车用燃料电池/锂电池/超级电容混合动 力供电系统结构示意图

图2为本发明实施例提供的基于所述能量管理单元的有轨电车燃料电池/ 锂电池/超级电容混合动力驱动系统结构示意图

主要元件符号说明

燃料电池/锂电池/超级电容混合动力供电系统        10

燃料电池系统单元                                102

锂电池单元                                      104

超级电容器单元                                  106

单向直流变换器单元                              107

双向直流变换器单元                              108

双向直流变换器单元                              109

自适应能量管理单元                              20

功率分配处理子单元                              202

双自适应神经元模糊推理子单元                    204

三相牵引电机                                    30

电机牵引逆变器                                  40

燃料电池/锂电池/超级电容混合动力驱动系统        50

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例的有轨电车用燃料电池/锂电池/超 级电容混合动力供电系统，以及应用该供电系统的有轨电车燃料电池/锂电池/ 超级电容混合动力驱动系统。

请参阅图1，本发明的第一实施例提供一种燃料电池/锂电池/超级电容混 合动力供电系统10，该燃料电池/锂电池/超级电容混合动力供电系统包括一燃 料电池系统单元102、一锂电池单元104、一超级电容器单元106、一单向直流 变换器单元107、一双向直流变换器单元108、一双向直流变换器单元109，以 及自适应能量管理单元20。

该燃料电池/锂电池/超级电容混合动力自适应能量管理单元进一步包括一 功率分配处理子单元202和双自适应神经元模糊推理子单元204。其中，功率 分配处理子单元202在系统运行时，首先采集实际工况功率-时间信号，利用 基于三层Harr离散小波变换算法的高通和低通滤波器组，实现对工况的高频 和低频部分解耦和重构。由于其自身的特性限制，燃料电池在行驶过程中满足 绝大部分平均功率需求，即满足工况的低频部分需求，而超级电容和锂电池在 加速、爬坡和制动过程中满足峰值功率或制动功率需求，即满足不同程度的高 频部分需求。

双自适应神经元模糊推理子单元204在系统运行时，通过由功率分配处理 子单元得到的4个不同频段信号n₀、n₁、n₂、n₃作为输入信号。其中，1号自 适应神经元模糊推理子单元的输入信号是信号n₀、锂电池单元荷电状态(SOC) 和超级电容器单元SOC，输出信号是燃料电池单元需求功率P_ref1；2号自适应 神经元模糊推理子单元的输入信号是信号n₁+n₂+n₃+(n₀-P_ref1)、蓄电池单元 SOC和超级电容器单元SOC，输出信号是超级电容器单元需求功率P_ref3；根 据以上实时输入信号，采用自适应神经元模糊推理，实现自适应管理控制。

请参阅图2，本发明实施例二提供了一种基于所述混合动力供电系统10的 有轨电车用燃料电池/锂电池/超级电容混合动力驱动系统50，该燃料电池/锂电 池/超级电容混合动力驱动系统包括一燃料电池/锂电池/超级电容混合动力供电 系统10和一电机牵引逆变器40。进一步地，为使所述燃料电池/锂电池/超级电 容混合动力供电系统10与三相牵引电机30相匹配，可将燃料电池/锂离子电池 混合动力供电系统10与一电机牵引逆变器40电连接。通过该所述混合动力驱 动系统50可使所述燃料电池/锂电池/超级电容混合动力供电系统10的输出电压 转换为实际应用于三相牵引电机30的交变电压。在有轨电车用燃料电池/锂电池 /超级电容混合动力驱动系统运行工作时，由燃料电池/锂电池/超级电容混合动力 供电系统10中的自适应能量管理单元20实现对燃料电池系统单元需求功率 P_ref1、锂电池单元需求功率P_ref2和超级电容器单元需求功率P_ref3的管理与分配。 另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神 所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。