一种混合动力有轨电车再生制动能量回收优化方法和系统技术方案

本发明专利技术公开一种混合动力有轨电车再生制动能量回收优化方法和系统，根据燃料电池混合动力有轨电车的运行特性及牵引电机机械特性曲线，制定驾驶模式的制动操作控制优化，充分利用电制动力，实现制动能量回馈最大化，然后，通过优化能量管理策略，控制各动力电源出力分配，实现制动能量回收最大化。本发明专利技术在保证燃料电池混合动力系统对有轨电车负载可靠供电的同时，实现平稳制动及制动能量回收；保证系统制动性能前提下，实现回馈制动、能耗制动和机械制动联合的制动优化，尽可能地实现制动能量回收最大化，提高燃料利用率，实现燃料经济性的目的，减少制动噪音，降低排放，延长储能装置使用寿命，降低运营成本，改善车辆制动安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种混合动力有轨电车再生制动能量回收优化方法和系统
本专利技术属于燃料电池混合动力
，特别是涉及一种混合动力有轨电车再生制动能量回收优化方法和系统。
技术介绍
随着社会经济的快速发展，城市人口密集度和流动人口日益增加，现有的城市交通已不堪重负，交通不便利成为制约社会经济发展的一大因素，同时造成大中城市居民行车难坐车难的现象。私家车辆的增长，使交通更加拥堵，同时造成了大气污染和噪声污染。在交通领域城市轨道交通工具载客量大、速度快、效率高、舒适性、直接污染排放小等优点，加之混合动力有轨电车采用燃料电池/蓄电池/超级电容驱动，清洁无污染，因此成为城市优先选择的交通工具。有轨电车不仅在发达国家的大都市得到广泛的应用，而且在新兴的发展中国家如中国、印度和巴西的大都市得到快速的应用，并凸显出城市轨道交通独具魅力的优势。截至2017年2月，中国共有大连、天津、上海、沈阳、长春、苏州、南京、广州、淮安、青岛10座城市开通运营了15条有轨电车线路，并且有40余座城市正在规划和设计有轨电车交通系统，线路规划长度近6000km。随着城市轨道交通网络的快速发展及有轨电车相关技术的日趋成熟，城市交通运输系统中的车辆本体制造技术、车辆和车站的自动化控制技术、城市轨道交通车辆调度和运行管理系统的技术水平都得到了大幅度提升。人们在关注城市轨道交通车辆舒适性和自动化程度的同时，也逐渐意识到燃料电池混合动力有轨电车的环境效益和节能问题的重要性。城市轨道交通车辆具有站间距离短、车辆运行密度高等特点，在频繁启动与制动的过程中会产生数量可观的制动能量，一般城市轨道交通车辆再生制动反馈能量占牵引吸收能量的40％-50％，此反馈比例与车辆的特性、线路特征息息相关。现有多数有轨电车采用传统机械制动与电制动相互配合的制动方式，电制动又可分为回馈制动和能耗制动两种，传统有轨电车将制动能量回馈输送到牵引网，目前，大部分现代有轨电车使用制动电阻消耗制动能量型，少数新型有轨电车采用蓄电池、超级电容等储能装置对制动能量进行存储，通过再生制动方式可减少向外界环境排放热量，很大程度降低了对环境温度的影响。对制动能量进行回收、存储、再利用使得有轨电车的能量消耗将得到很大的降低。对于目前靠牵引网供电的有轨电车只有少部分具备制动能量回收能力，而且也只能在同一线路中有其他有轨电车需要从线路中吸取能量时才能进行制动能量回收，这种不仅回收方式单一，而且容易引起母线电压升高，造成母线电压的不稳定。对于使用清洁能源(如氢能)的有轨电车制动时由于制动功率较大，大的制动电流将对储能装置造成损坏。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种混合动力有轨电车再生制动能量回收优化方法和系统，在保证燃料电池混合动力对有轨电车负载的可靠供电的同时，实现制动能量回收最大化；保证系统制动性能前提下，实现回馈制动、能耗制动和机械制动联合的制动，尽可能地回收制动能量，提高燃料利用率，实现燃料经济性的目的，延长储能装置使用寿命，降低成本。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种混合动力有轨电车再生制动能量回收优化方法，包括步骤：步骤100，检测数据信号：检测燃料电池的状态，并产生表示燃料电池状态的第一状态信号；检测锂离子电池锂电池的状态，并产生表示锂离子电池锂电池状态的第二状态信号；检测超级电容的状态，并产生表示超级电容状态的第三状态信号；检测牵引电机运行的状态，并产生牵引电机运行状态信号；检测直流母线的运行电压，并产生表示直流母线运行状态的直流母线电压信号；步骤200，基于能量管理策略和驾驶操作对再生制动能量回收进行优化：根据所述第一状态信号、第二状态信号和牵引电机运行状态信号控制锂电池供电回路中电能功率和传递方向；根据所述第一状态信号、第三状态信号和牵引电机运行状态信号控制超级电容供电回路中电能功率和传递方向；根据所述第二状态信号、第三状态信号和直流母线电压信号控制制动电阻的投切；根据所述约束条件，产生驾驶操作指令；根据所述牵引电机运行状态信号和驾驶操作控制指令信号控制机械制动装置。进一步的是，通过动态控制调节各动力电源输出功率实现对储能装置荷电状态的控制，保证每个制动或减速运行周期内储能装置留有足够的裕量用以吸收制动回馈能量和每个起动或加速运行周期内补偿燃料电池输出功率缺额以满足负载需求功率，保证车辆安全运营。进一步的是，混合动力有轨电车再生制动能量回收的所述能量管理策略优化方法，根据牵引电机运行状态和负载需求，实时调整每个运行周期内各电源的出力，有效地实现对锂电池和超级电容荷电状态的控制，提高制动能量回收率，包括步骤：当牵引电机运行状态信号表示电机运行在牵引状态、第二状态信号表示锂离子电池锂电池处于正常状态和第三状态信号表示超级电容处于欠压状态，则调整提高锂电池输出功率，降低超级电容输出功率；当牵引电机运行状态信号表示电机运行在牵引状态、第二状态信号表示锂离子电池锂电池处于欠压状态和第三状态信号表示超级电容处于正常状态，则调整提高超级电容输出功率，降低锂电池输出功率；当牵引电机运行状态信号表示电机运行在牵引状态、第二状态信号表示锂离子电池锂电池处于正常状态和第三状态信号表示超级电容处于正常状态，则调整降低燃料电池输出功率，由锂电池和超级电容补足负载需求。进一步的是，所述的基于驾驶操作控制模式优化方法，是根据约束条件包括乘客舒适度、运行线路站间距、整车动力系统性能和牵引电机机械特性，在不同运行状态和周期，通过驾驶操作控制车辆运行的加速度或减速度，从而提高整车系统的性能，实现制动能量回收最大化。进一步的是，所述的基于驾驶操作控制模式优化方法是根据所述乘客舒适度、运行线路站间距、技术参数和牵引电机机械特性曲线，调整制动减速度，实现回馈制动功率的控制，减少制动电阻和机械制动的投入，提高制动能量回收率，包括步骤：当所述牵引电机运行状态信号表示所述牵引电机处于制动且转速较高，制动回馈功率增大；则在技术参数约束范围内，调整制动减速度，降低制动回馈功率，减少制动电阻的投入；当所述牵引电机运行状态信号表示所述牵引电机处于制动且转速逐渐降低到阀值，制动回馈功率减小；则在技术参数约束范围内，调整制动减速度，增加制动回馈功率，实现制动能量回收最大化。进一步的是，所述技术参数包括车体质量、最高运营速度、最大制动减速度、常用制动减速度、曲线通过能力以及0-70km/h平均加速度。进一步的是，所述的混合制动策略采用电制动优先分配方法，当有轨电车速度较高时，首先投入回馈制动，制动能量给超级电容充电，由于受双向DC/DC限制，回馈功率过大时，投入一级制动电阻，如果一级制动电阻不能满足制动需求，则投入二级制动电阻；机械制动装置作为补充或紧急制动方式，确保车辆安全且平稳制动。另一方面，本专利技术还提供了一种混合动力有轨电车再生制动能量回收系统，包括燃料电池、燃料电池供电回路、锂电池、锂电池供电回路、超级电容、超级电容供电回路、牵引逆变器、牵引电机、机械制动装置、制动电阻装置、直流母线、能量管理控制系统、牵引控制系统、辅助控制系统和驾驶操纵平台；所述能量管理控制系统，与所述燃料电池供电回路、锂电池供电回路和超级电容供电回路相连，根据驾驶模式进行动态调整控制各动力电源的输出功率；所述牵引控制系统，与所述牵引逆变器和牵引本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合动力有轨电车再生制动能量回收优化方法，其特征在于，包括步骤：步骤100，检测数据信号：检测燃料电池的状态，并产生表示燃料电池状态的第一状态信号；检测锂离子电池锂电池的状态，并产生表示锂离子电池锂电池状态的第二状态信号；检测超级电容的状态，并产生表示超级电容状态的第三状态信号；检测牵引电机运行的状态，并产生牵引电机运行状态信号；检测直流母线的运行电压，并产生表示直流母线运行状态的直流母线电压信号；步骤200，基于能量管理策略和驾驶操作对再生制动能量回收进行优化：根据所述第一状态信号、第二状态信号和牵引电机运行状态信号控制锂电池供电回路中电能功率和传递方向；根据所述第一状态信号、第三状态信号和牵引电机运行状态信号控制超级电容供电回路中电能功率和传递方向；根据所述第二状态信号、第三状态信号和直流母线电压信号控制制动电阻的投切；根据所述约束条件，产生驾驶操作指令；根据所述牵引电机运行状态信号和驾驶操作控制指令控制机械制动装置。

【技术特征摘要】
1.一种混合动力有轨电车再生制动能量回收优化方法，其特征在于，包括步骤：步骤100，检测数据信号：检测燃料电池的状态，并产生表示燃料电池状态的第一状态信号；检测锂离子电池锂电池的状态，并产生表示锂离子电池锂电池状态的第二状态信号；检测超级电容的状态，并产生表示超级电容状态的第三状态信号；检测牵引电机运行的状态，并产生牵引电机运行状态信号；检测直流母线的运行电压，并产生表示直流母线运行状态的直流母线电压信号；步骤200，基于能量管理策略和驾驶操作对再生制动能量回收进行优化：根据所述第一状态信号、第二状态信号和牵引电机运行状态信号控制锂电池供电回路中电能功率和传递方向；根据所述第一状态信号、第三状态信号和牵引电机运行状态信号控制超级电容供电回路中电能功率和传递方向；根据所述第二状态信号、第三状态信号和直流母线电压信号控制制动电阻的投切；根据所述约束条件，产生驾驶操作指令；根据所述牵引电机运行状态信号和驾驶操作控制指令控制机械制动装置。2.根据权利要求1所述的一种混合动力有轨电车再生制动能量回收优化方法，其特征在于，通过动态控制调节各动力电源输出功率实现对储能装置荷电状态的控制，保证每个制动或减速运行周期内储能装置留有足够的裕量用以吸收制动回馈能量和每个起动或加速运行周期内补偿燃料电池输出功率缺额以满足负载需求功率，保证车辆安全运营。3.根据权利要求2所述的一种混合动力有轨电车再生制动能量回收优化方法，其特征在于，混合动力有轨电车再生制动能量回收的所述能量管理策略优化方法，根据牵引电机运行状态和负载需求，实时调整每个运行周期内各电源的出力，有效地实现对锂电池和超级电容荷电状态的控制，提高制动能量回收率，包括步骤：当牵引电机运行状态信号表示电机运行在牵引状态、第二状态信号表示锂离子电池锂电池处于正常状态和第三状态信号表示超级电容处于欠压状态，则调整提高锂电池输出功率，降低超级电容输出功率；当牵引电机运行状态信号表示电机运行在牵引状态、第二状态信号表示锂离子电池锂电池处于欠压状态和第三状态信号表示超级电容处于正常状态，则调整提高超级电容输出功率，降低锂电池输出功率；当牵引电机运行状态信号表示电机运行在牵引状态、第二状态信号表示锂离子电池锂电池处于正常状态和第三状态信号表示超级电容处于正常状态，则调整降低燃料电池输出功率，由锂电池和超级电容补足负载需求。4.根据权利要求1或3所述的一种混合动力有轨电车再生制动能量回收优化方法，其特征在于，所述的基于驾驶操作控制模式优化方法，是根据约束条件包括乘客舒适度、运行线路站间距、整车动力系统性能和牵引电机机械特性，在不同运行状态和周期，通过驾驶操作控制车辆运行的加速度或减速度，从而提高整车系统的性能，实现制动能量回收最大化。5.根据权利要求4所述的一种混合动力有轨电车再生制动能量回收优化方法，其特征在于，所述的基于驾驶操作控制模式优化方法是根据所述乘客舒适度、运行线路站间距、技术参数和牵引电机机械特性曲线，调整制动减速度，实现回馈制动功率的控制，减少制动电阻和机械制动的投入，提高制动能量回收率，包括步骤：当所述牵引电机运行状态信号表示所述牵引电机处于制动且转速较高，制动回馈功率增大；则在技术参数约束范围内，调整制动减速度，降低制动回馈功率，减少制动电阻的投入；当所述牵引电机运行状态信号表示所述牵引电机处于制动且转速逐渐降低到阀值，制动回馈功率减小；则在技术参数约束范围内，调整制动减速度，增加制动回馈功率，实现制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李奇，尚伟林，陈维荣，燕雨，邱宜宾，黄文强，苏波，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51