一种混合动力车辆动力系统容量匹配方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种混合动力车辆动力系统容量匹配方法与系统，以线路条件作为输入，采用最短路径算法求解总能量损耗最小时储能系统额定输出功率和柴油发电机组额定输出功率；避免了柴油发电机组额定功率和储能系统容量不匹配导致无法满足车辆需求功率或者油耗大的问题；最短路径算法为动态规划算法，能够遍历柴油发电机组额定功率和储能系统容量所有可能的匹配关系，并且能够获得全局最优解，不会陷入局部最优解；根据最短路径算法求解出的储能系统额定输出功率和柴油发电机组额定输出功率进行选型，理论上在该线路运行时的整车总能量损耗是最小的。

【技术实现步骤摘要】
一种混合动力车辆动力系统容量匹配方法与系统
本专利技术属于混合动力
，尤其涉及一种混合动力车辆动力系统容量匹配方法与系统。
技术介绍
目前轨道交通受限于区域经济发展、自然条件限制等诸多因素，非电气化铁路仍将长期存在并且占据较大比例，内燃牵引永远是不可或缺的重要补充，无论是在新建和维护成本方面，还是在运用环境条件方面，以及灾害抢救、战备运输等诸多领域均有着无可替代的优越性。但是对于内燃牵引车辆，大功率柴油机的重量、体积以及噪音一直是困扰内燃车辆的瓶颈问题。内燃混合动力车辆通过柴油发电机组和车载储能系统组成混合动力系统，降低了对柴油机的功率需求，大幅减少了燃油消耗、尾气排放和噪音。与传统的纯内燃动力技术相比，混合动力技术除了具有节能、环保的特点，还提升了运用效率和运营经济性，符合铁路运输绿色、环保、节能的要求与国际技术发展趋势。但在设计阶段，混合动力车辆中柴油机额定功率与储能系统容量如何匹配，才能使总体采购成本、尾气排放量以及油耗等最小，储能系统既能吸收制动过程中回馈的能量，在加速过程中又能提供足够的功率，是亟待解决的问题。
技术实现思路
针对混合动力车辆在设计阶段动力源容量匹配问题，本专利技术提供一种混合动力车辆动力系统容量匹配方法与系统，计算在某一动力系统匹配关系下的最低能量损耗，改变匹配关系，得到在所有动力系统匹配关系下的全局最优解，为混合动力车辆的开发与使用提供理论支持。本专利技术独立权利要求的技术方案解决了上述专利技术目的中的一个或多个。本专利技术是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种混合动力车辆动力系统容量匹配方法，包括：步骤1：确定边界条件，所述边界条件包括柴油发电机组额定输出功率的范围、储能系统额定输出功率的范围、储能系统蓄电状态的范围以及储能系统蓄电状态变化率的最大值；步骤2：建立车辆模型，所述车辆模型包括柴油发电机组油耗模型、储能系统模型以及整车动力学模型，并根据所述动力学模型计算出线路运行时间，以及根据柴油发电机组油耗模型和储能系统模型计算出所述线路运行时间内每一时刻车辆需求功率；步骤3：以线路运行时间内的总能量损耗最小为目标，建立目标函数；步骤4：采用最短路径算法求解出最优柴油发电机组额定输出功率或最优储能系统额定输出功率，再根据车辆最大需求功率、柴油发电机组额定输出功率以及储能系统额定输出功率之间的关系，计算出最优储能系统额定输出功率或最优柴油发电机组额定输出功率。本专利技术中，采用最短路径算法求解出最优的柴油发电机组额定输出功率和储能系统额定输出功率，即总能量损耗最小时的柴油发电机组额定输出功率和储能系统额定输出功率，在设计阶段，根据柴油发电机组额定输出功率和储能系统额定输出功率进行柴油发电机组和储能系统的选型，避免了柴油发电机组额定功率和储能系统容量不匹配导致无法满足车辆需求功率或者油耗大的问题；该方法以线路条件作为输入条件，采用最短路径算法求解出在柴油发电机组额定功率和储能系统容量不同匹配关系下总能量损耗最小的全局最优解，因此理论上，全局最优解对应的柴油发电机组额定功率和储能系统容量这种匹配关系下，整车的总能量损耗是最小的；最短路径算法为动态规划算法，能够遍历柴油发电机组额定功率和储能系统容量所有可能的匹配关系，并且能够获得全局最优解，不会陷入局部最优解。进一步地，所述步骤1中，柴油发电机组额定输出功率的范围为：其中，Pd-e为柴油发电机组额定输出功率，为整条线路车辆平均需求功率，Preq-max为整条线路车辆最大需求功率；储能系统额定输出功率的范围为：Preq-b≤Pb-e≤Preq-max其中，Pb-e为，Preq-b为仅储能系统供能时车辆需求功率；储能系统蓄电状态变化率的最大值为：其中，为储能系统蓄电状态变化率的最大值，Q为储能系统的容量，Imax为储能系统充放电最大电流。进一步地，所述步骤1中，储能系统蓄电状态的范围为0.2～0.8。进一步地，所述步骤2中，所述线路运行时间内某一时刻车辆需求功率的计算表达式为：Preq(t)＝Pb(t)+Pd(t)其中，Preq(t)为时刻t车辆需求功率，Pb(t)为时刻t储能系统实际输出功率，Pd(t)为时刻t柴油发电机组实际输出功率。进一步地，所述步骤4中，最短路径算法求解出所述目标函数全局最小时柴油发电机组额定输出功率或储能系统额定输出功率的具体实现过程为：步骤4.1：将所述线路运行时间离散为N个离散时刻，对应得到N个离散时刻车辆需求功率；将柴油发电机组额定输出功率的范围或储能系统额定输出功率的范围离散为M个离散值；步骤4.2：在第j个柴油发电机组额定输出功率离散值下，由n＝0离散时刻车辆需求功率得到可能的柴油发电机组实际输出功率，并根据n＝0离散时刻车辆需求功率和可能的柴油发电机组实际输出功率得到对应的储能系统实际输出功率、储能系统蓄电状态以及储能系统蓄电状态变化率；或者，在第j个储能系统额定输出功率离散值下，由n＝0离散时刻车辆需求功率得到可能的储能系统实际输出功率，并根据n＝0离散时刻车辆需求功率和可能的储能系统实际输出功率得到对应的柴油发电机组实际输出功率；步骤4.3：分别判断所述步骤4.2中对应的储能系统实际输出功率是否在所述步骤1中储能系统额定输出功率的范围内，分别判断所述步骤4.2中对应的储能系统蓄电状态是否在所述步骤1中储能系统蓄电状态的范围内，以及分别判断所述步骤4.2中对应的储能系统蓄电池状态变化率是否小于所述步骤1中储能系统蓄电状态变化率的最大值；或者，分别判断所述步骤4.2中对应的柴油发电机组实际输出功率是否在所述步骤1中柴油发电机组额定输出功率的范围内；如果是，则转入步骤4.4，否则剔除该柴油发电机组实际输出功率或该储能系统实际输出功率；步骤4.4：以所述步骤4.3中每个可能的柴油发电机组实际输出功率为起始时刻的柴油发电机组实际输出功率，从该起始时刻的柴油发电机组实际输出功率出发，由后续每个离散时刻车辆需求功率对应得到后续每个离散时刻可能的柴油发电机组实际输出功率，并计算N个离散时刻的目标函数值；或者，以所述步骤4.3中每个可能的储能系统实际输出功率为起始时刻的储能系统实际输出功率，从该起始时刻的储能系统实际输出功率出发，由后续每个离散时刻车辆需求功率对应得到后续每个离散时刻可能的储能系统实际输出功率，并计算N个离散时刻的目标函数值；步骤4.5：判断j是否小于等于M，如果是，则j＝j+1，转入步骤4.2，否则转入步骤4.6；步骤4.6：获得所有N个离散时刻的目标函数值，并且查找所有N个离散时刻的目标函数值中的最小值，所述最小值对应的柴油发电机组额定输出功率离散值或储能系统额定输出功率离散值为最优柴油发电机组额定输出功率或最优储能系统额定输出功率。进一步地，所述步骤4.3中，储能系统蓄电状态的迭代公式为：其中，SOCn为第n个离散时刻储能系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合动力车辆动力系统容量匹配方法，其特征在于，包括：/n步骤1：确定边界条件，所述边界条件包括柴油发电机组额定输出功率的范围、储能系统额定输出功率的范围、储能系统蓄电状态的范围以及储能系统蓄电状态变化率的最大值；/n步骤2：建立车辆模型，所述车辆模型包括柴油发电机组油耗模型、储能系统模型以及整车动力学模型，并根据所述动力学模型计算出线路运行时间，以及根据柴油发电机组油耗模型和储能系统模型计算出所述线路运行时间内每一时刻车辆需求功率；/n步骤3：以线路运行时间内的总能量损耗最小为目标，建立目标函数；/n步骤4：采用最短路径算法求解出最优柴油发电机组额定输出功率或最优储能系统额定输出功率，再根据车辆最大需求功率、柴油发电机组额定输出功率以及储能系统额定输出功率之间的关系，计算出最优储能系统额定输出功率或最优柴油发电机组额定输出功率。/n

【技术特征摘要】
1.一种混合动力车辆动力系统容量匹配方法，其特征在于，包括：
步骤1：确定边界条件，所述边界条件包括柴油发电机组额定输出功率的范围、储能系统额定输出功率的范围、储能系统蓄电状态的范围以及储能系统蓄电状态变化率的最大值；
步骤2：建立车辆模型，所述车辆模型包括柴油发电机组油耗模型、储能系统模型以及整车动力学模型，并根据所述动力学模型计算出线路运行时间，以及根据柴油发电机组油耗模型和储能系统模型计算出所述线路运行时间内每一时刻车辆需求功率；
步骤3：以线路运行时间内的总能量损耗最小为目标，建立目标函数；
步骤4：采用最短路径算法求解出最优柴油发电机组额定输出功率或最优储能系统额定输出功率，再根据车辆最大需求功率、柴油发电机组额定输出功率以及储能系统额定输出功率之间的关系，计算出最优储能系统额定输出功率或最优柴油发电机组额定输出功率。


2.如权利要求1所述的混合动力车辆动力系统容量匹配方法，其特征在于：所述步骤1中，柴油发电机组额定输出功率的范围为：



其中，Pd-e为柴油发电机组额定输出功率，为整条线路车辆平均需求功率，Preq-max为整条线路车辆最大需求功率；
储能系统额定输出功率的范围为：
Preq-b≤Pb-e≤Preq-max
其中，Pb-e为，Preq-b为仅储能系统供能时车辆需求功率；
储能系统蓄电状态变化率的最大值为：



其中，为储能系统蓄电状态变化率的最大值，Q为储能系统的容量，Imax为储能系统充放电最大电流。


3.如权利要求1所述的混合动力车辆动力系统容量匹配方法，其特征在于：所述步骤1中，储能系统蓄电状态的范围为0.2～0.8。


4.如权利要求1所述的混合动力车辆动力系统容量匹配方法，其特征在于：所述步骤2中，所述线路运行时间内某一时刻车辆需求功率的计算表达式为：
Preq(t)＝Pb(t)+Pd(t)
其中，Preq(t)为时刻t车辆需求功率，Pb(t)为时刻t储能系统实际输出功率，Pd(t)为时刻t柴油发电机组实际输出功率。


5.如权利要求1～4中任一项所述的混合动力车辆动力系统容量匹配方法，其特征在于：所述步骤4中，最短路径算法求解出所述目标函数全局最小时柴油发电机组额定输出功率或储能系统额定输出功率的具体实现过程为：
步骤4.1：将所述线路运行时间离散为N个离散时刻，对应得到N个离散时刻车辆需求功率；将柴油发电机组额定输出功率的范围或储能系统额定输出功率的范围离散为M个离散值；
步骤4.2：在第j个柴油发电机组额定输出功率离散值下，由n＝0离散时刻车辆需求功率得到可能的柴油发电机组实际输出功率，并根据n＝0离散时刻车辆需求功率和可能的柴油发电机组实际输出功率得到对应的储能系统实际输出功率、储能系统蓄电状态以及储能系统蓄电状态变化率；
或者，在第j个储能系统额定输出功率离散值下，由n＝0离散时刻车辆需求功率得到可能的储能系统实际输出功率，并根据n＝0离散时刻车辆需求功率和可能的储能系统实际输出功率得到对应的柴油发电机组实际输出功率；

【专利技术属性】
技术研发人员：索建国，邢涛，秦立禹，许良中，马晓宁，刘洋，胡润文，左继雄，黄子候，孙晓涛，
申请(专利权)人：中车株洲电力机车有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43