计及驾驶风格的氢燃料电池有轨电车自适应能量管理策略

半独立路权运行模式下,氢燃料电池混合动力有轨电车驾驶员的驾驶风格影响锂电池荷电状态,从而对整车运行经济性有较大影响。提出一种结合驾驶员驾驶风格的自适应能量管理策略,以提高能量管理策略对工况和驾驶风格的适应性。首先,考虑不同的道路工况对驾驶员驾驶风格的影响,通过K-均值聚类算法对行驶工况进行识别,将行驶工况分为低速、中速、高速3类;引入冲击度和加速度标准差构建基于模糊逻辑的算法,对驾驶风格进行识别,将驾驶风格分为迟钝型、标准型、激进型3类。其次,建立系统瞬时氢耗量最优的目标函数,在满足约束条件的前提下,引入锂电池荷电状态等效因子修正系数,针对不同驾驶风格调整传统等效氢耗最小策略中相应的等效因子,以实现等效因子随驾驶风格的改变实时变化。最后,将该策略与传统等效氢耗最小策略、庞特里亚金极小值策略进行仿真对比分析,结果表明:该策略能实现3个动力源功率分配最优;锂电池和超级电容荷电状态波动曲线相较于其他2种策略最为平滑;在续驶里程结束时混合动力系统氢耗量为1.39 kg,具有最为优越的燃油经济性;母线电压最大偏移率最小;能使3个动力源平稳出力,具有较强的系统稳定性。研究结果为进一步提高有轨电车实际运行中对驾驶风格的适应性提供参考。

考虑耐久性的PEM燃料电池有轨电车自适应优化控制策略

针对燃料电池/锂电池/超级电容混合储能有轨电车在动态负载、启停循环、怠速循环、大功率运行时质子交换膜(PEM)燃料电池寿命衰减情况,提出Pontryagin极小值原理(PMP)与耐久性结合的能量管理策略。通过启停控制策略控制燃料电池的启动与停止,有效降低燃料电池启动次数;利用储能系统总体氢气消耗为经济性代价,燃料电池性能衰退指数为耐久性代价,构建联合代价函数;在满足期望条件下,实现协态变量随荷电状态实时变化的在线适应;将所提策略与传统极小值策略和状态机策略进行仿真对比。结果表明:城市循环工况中所提策略较于传统Pontryagin策略燃料电池峰值电流降低了33.2%,氢气消耗下降了12.50%;郊区循环工况中所提策略较传统Pontryagin策略峰值电流降低了21.88%,氢气消耗下降了40.39%。所提管理策略在不同工况下均有良好的适应能力,解决了传统PMP只能离线应用的缺点,将启停次数控制在较低水平,具有延寿燃料电池的能力。

有轨电车混合储能系统的能量管理策略与容量优化

现代有轨电车混合储能系统的关键问题在于制定高效科学的能量管理策略,其结果可以实现储能元件之间的合理功率分配,影响各个储能元件的性能。文中提出一种改进的新型能量管理策略,根据有轨电车的实际需求,采用带有能量互补的恒定功率比例能量管理策略,对混合储能系统分配负载功率。以系统总质量最小为目标进行容量优化,用Matlab进行算例仿真分析,结果表明,提出的能量管理策略优化了超级电容的工作状态,减轻了系统的质量,能使混合储能系统提供足够的牵引功率并吸收列车的制动能量,可以满足列车的功率需求。

基于改进型等效氢耗的车用燃料电池混合动力系统能量管理方法研究

[目的]等效氢耗作为一种针对燃料经济性优化的方法,其在储能系统荷电状态跟随方面表现欠佳,故需对其进行改进以实现区间荷电状态的动态平衡。[方法]在传统等效氢耗算法基础上,对系统的氢耗函数进行了优化;通过加入电压平衡系数,以确保超级电容在车辆运行过程中不会出现过充或过放的情况,进而通过极小值求解,实现了对系统功率的实时分配。[结果及结论]基于数轨电车的运行数据,对所提出的方法在半实物仿真平台上进行了验证。实验结果表明,所提出的改进型等效氢耗算法能够实现复杂工况下的混合动力系统能量分配,所加入的电压平衡系数能够保证车辆区间末端超级电容的电压在合理的区间内。

全局与瞬时特性兼优的燃料电池有轨电车能量管理策略

传统庞特里亚金极小值原理在应用到燃料电池混合动力有轨电车的能量管理时,由于需要已知未来工况条件,存在实时性与工况适应性差的问题。为此,该文提出一种全局优化与实时工况构建相结合的应对策略。首先,基于极小值原理,以氢耗量最小为目标,在保证负载需求与避免超级电容SOC大范围波动的约束下,求取燃料电池全局最优参考输出功率;其次,将电车运行过程划分为怠速牵引、加速启动、稳速行驶、减速制动和再生制动五种模式,并分别根据各自运行特性构建状态转移概率矩阵,进而以燃料电池效率为判据确定工作模式并更新瞬时最优功率;最后,分别在有轨电车典型和非典型行驶工况中,对该文所提策略、传统极小值原理策略及等效氢耗最小策略进行在线运行对比分析。结果表明,该文所提策略能够提升混合动力系统应对高功率负载突变鲁棒性,有效降低燃料电池启停次数,实现全局和实时最优功率分配。

基于司机驾驶风格的混合动力有轨电车能量管理策略

以锂离子电池、超级电容为混合动力的有轨电车,其能量管理策略难以适应不同类型司机的驾驶风格。为进一步提高有轨电车的系统能量效率,提出了基于司机驾驶风格的混合动力有轨电车能量管理策略,并构建了混合动力有轨电车功率损耗模型。将司机的驾驶风格分为激进型、标准型和迟钝型三类,利用模糊逻辑算法对三类司机驾驶风格进行识别,引入基于司机驾驶风格的牵引/制动补偿因子,以对有轨电车的牵引/制动功率进行补偿,得到最优的功率分配。最后对基于司机驾驶风格的能量管理策略进行仿真分析,评估其节能效果。仿真结果表明:相较于常规的逻辑门限控制能量管理策略,基于司机驾驶风格的能量管理策略可使系统能量损耗降低4.81%。

氢燃料电池有轨电车混合供电系统设计

本文结合实际分析了氢燃料电池有轨电车对供电系统的要求。根据有轨电车在不同工况下的功率需求,氢燃料电池的工作特性以及锂电池、超级电容器的储能特性,设计了一种由氢燃料电池、锂电池及超级电容器组成的混合供电系统。本文对该供电系统的具体电路进行了设计,以实际有轨电车功率需求为基础,确定了各供电单元的主要技术参数,同时设计了该混合供电系统中每个供电单元的具体运行模式、控制策略以及保护措施,满足了氢燃料电池有轨电车供电系统的技术要求。

智轨电车氢能源混合动力系统及其控制策略

随着智能轨道快运系统在国内外的广泛运行,为了满足各种场景对智轨电车动力系统的不同需求以及不同运营模式对其续航能力的要求,针对不同的能量源特性和智轨电车的工况特性,文章提出了一套基于燃料电池和磷酸铁锂动力电池的混合动力系统。该系统将氢燃料电池作为车载主能量源,利用磷酸铁锂动力电池功率快速响应的特性,为车辆长续航提供能源保证;采用冗余的燃料电池能量系统架构,在不增加智轨电车顶部空间体积的前提下,满足整车的功率需求并极大增加了车辆的续航能力。针对混合动力系统的能量输出形式并结合智轨电车实际工况的特点,文章提出了一套适合智轨电车行驶工况的能量管理策略,以保证车辆在各种工况下平稳运行并使动力电池的荷电状态(SOC)控制在目标范围内。实车试验结果显示,该系统及其能量管理策略能够满足氢能智轨电车的设计要求,车辆续航里程在300 km以上,而以往的智轨电车续航里程为70 km,这表明,该控制策略能够在满足智轨电车不同工况需求的前提下提高车辆续航能力,并提升了智轨电车应对不同运营场景的能力。

燃料电池混合动力系统参数匹配与多目标优化

在满足机车动力性能需求的条件下,运用参数匹配方法对燃料电池系统的重量、体积指标进行了优化.首先,搭建了机车动力学模型,针对列车运行的加速启动、匀速爬坡、最大时速运行3种关键工况,分别得到3个需求功率峰值;其次,基于传统方法,以最大需求功率峰值为目标,分析了超级电容-动力电池配比;然后,在传统方法基础上,采用改进粒子群算法(improved particle swarm optimization,IPSO),进行了基于系统重量和体积的多目标优化参数匹配计算,得到了最优解;最后,对传统方法和多目标优化方法进行了对比分析.研究结果表明:两种方法均能满足列车动力需求;采用多目标优化方法,为同型燃料电池混合动力有轨电车配置2套150 kW燃料电池,124个超级电容(48 V,165 F)和337个动力电池(3.7 V,9 A h).车辆经32.24 s加速可达时速70 km/h,最大爬坡能力为85.5‰,持续爬坡能力为732.5 m;相比较传统方法,重量和体积优化率分别达到83.075%和86.696%.

燃料电池有轨电车能量管理Pareto多目标优化

节能环保的出行方式得到政府的大力推广,其中燃料电池混合动力有轨电车由于可无网运行且节能环保而备受关注.为了改善燃料电池/超级电容/动力电池大功率有轨电车的燃料经济性与系统耐久性,提出一种有轨电车能量管理策略(Energy management strategy,EMS)的多目标优化方法.首先以氢燃料消耗量和能量源性能衰减率作为评价指标,建立多目标成本函数.由于两个指标很难在同一个等式中评价,设计了基于状态机与非支配排序的能量管理Pareto多目标优化方法,获得了有轨电车能量管理策略Pareto非劣解集,并分析了能量管理策略的目标功率参数对性能指标的影响规律,进而遴选出兼顾燃料经济性与系统耐久性的综合最优解.结果表明,与功率跟随策略和基于遗传算法优化策略相比,该能量管理优化方法的燃料经济性分别提高了29.4%和2.4%.

基于动态混合度的储能式有轨电车能量管理策略

为了提高混合储能式有轨电车的系统效率和运行经济性,基于动态混合度和系统效率之间的关系,提出了基于动态混合度在线凸规划的混合储能式有轨电车能量管理策略.首先基于混合储能式有轨电车各系统参数,对各部件进行建模;其次采用在线凸规划法求解,得到了系统每一时刻的最优动态混合度;最后以有轨电车的典型工况为例,在RT-LAB实时仿真平台研究动态混合度对系统效率的影响.研究结果表明动态混合度同系统效率之间存在凸函数关系:在相同参数条件下,基于动态混合度的在线凸规划能量管理策略较传统的功率跟随式能量管理策略系统瞬时效率最高提升9.6%;当完成整条线路运行,可节省电量2 886.2 kJ,运行经济性提升3.29%.

基于动态规划的混合动力有轨电车能量管理方法

针对传统动态规划算法在燃料电池混合动力系统能量分配中存在的误差累积问题,以及为进一步提高燃料电池混合动力有轨电车的耐久性和燃料经济性,提出了一种基于改进动态规划算法的燃料电池混合动力有轨电车能量管理方法;改进动态规划算法在传统动态规划的基础上调整了状态转移方程,通过只对系统状态量进行离散从而避免计算过程中的插值计算导致的误差累积;同时将系统等效氢耗、动力电池充电状态(SOC)约束和燃料电池加、减载带来的耐久性问题作为优化目标构成加权惩罚函数,使系统在获得良好燃料经济性的同时兼顾耐久性;将所提管理方法与功率跟随和传统动态规划进行对比分析.研究结果表明:所提方法相较于功率跟随方法,使末态SOC值降低了13.3%,燃料经济性提高了78%;相较于基于传统动态规划算法的能量管理方法,使燃料经济性提高了3.5%,且SOC变化范围和燃料电池变载情况均具有显著改善.

燃料电池混合动力有轨电车动力系统设计

基于氢能的燃料电池混合动力有轨电车是现代有轨电车的研究热点.结合有轨电车的总体性能需求,对燃料电池混合动力有轨电车进行了系统设计,给出了燃料电池/超级电容混合动力系统的总体方案与拓扑结构,进行了混合动力系统配置和有轨电车牵引性能计算.结果表明,所配置的混合动力系统的输出功率分配可以很好地满足列车在0~35 km/h速度时加速度为1.2 m/s^2、最高车速70 km/h的动力性能要求.研制的混合动力系统样机在有轨电车模拟运行工况进行了试验,在试验过程中可以实现多套系统能量的分配管理.

新型供电方式下的有轨电车制动力分配与制动能量回收优化方法研究

为了解决混合动力有轨电车在制动过程中制动能量回收率过低的问题,增加行驶里程,提高制动安全性、可靠性,该文搭建基于新型供电方式的有轨电车混合动力系统,借鉴车辆经济驾驶模式的思想,提出了基于经济驾驶的制动优化方法。方法根据车辆在不同运行状态下对牵引力/制动力的需求,结合牵引电机的机械特性曲线,研究了再生制动力与机械制动力的分配方法,在此基础上,研究了考虑制动能量回收率的混合动力系统能量管理方法。该方法可以有效控制超级电容的SoC,为有轨电车制动能量的回收提供可靠的存储容量。根据仿真实验结果可以看出,优化后制动能量回收率比优化前制动能量回收率提高5%左右,说明基于经济驾驶的制动优化方法,能够有效提高有轨电车制动能量回收率。

现代有轨电车混合轮对动力转向架初步设计分析

根据现代有轨电车转向架动力性能和承载能力的要求,提出了一种新型混合轮对动力转向架的初步设计方案。介绍了该转向架的混合轮对配置、导向装置和单电机双轴驱动传动系统,以及该转向架的初步设计计算。

氢燃料电池有轨电车混合储能系统的节能运行优化

针对燃料电池/超级电容/锂电池混合储能有轨电车能量管理中存在的等效能耗受负载随机性影响较大,无法保证全局功率分配最优的问题,同时为进一步提升燃料经济性,提出一种基于外部能耗的运行优化策略。首先,将负载能量需求分为内部能源燃料电池的实时燃料消耗和外部电源锂电池/超级电容的电能消耗两部分;其次,旨在通过将等效能耗最小化策略的目标函数改写为最大化外部电源出力,以分担燃料电池的高功率负载压力,使其不需要评估等效能耗,从而达到增强对负载变载的鲁棒性,同时最小化实时氢耗的目的;最后,将所提优化策略与等效能耗最小化及状态机和功率解耦策略进行对比分析。结果表明:在整个循环工况中,所提方法相较于等效能耗最小化策略燃料电池氢气消耗降低17.68g,峰值电流降低21.81A;相较于状态机和功率解耦策略氢气消耗降低39.04g,峰值电流降低56.9A,且母线电压偏移范围和各能量源应力均有显著改善。

新型供电方式有轨电车能量管理策略

为了提高混合动力有轨电车制动过程中制动能量的回收效率,提出一种考虑储能系统始末状态的能量管理策略.在有轨电车从启动到制动的运行过程中,基于极小值原理对混合动力系统进行功率分配,以实现对超级电容荷电状态(state of charge,SOC)安全范围的有效控制,并保证在制动时刻超级电容具有足够的SOC余量来吸收制动功率;同时,将有轨电车启动、运行过程中的牵引控制策略与制动过程的能量回收策略相结合,采用绝缘栅门极晶体管(insulated gate bipolar translator,IGBT)斩波器与制动电阻相结合使用的方式,抑制母线电压的抬升;最后基于实际的有轨电车运行工况,在MATLAB/Simulink平台下进行了仿真测试.结果显示,在有轨电车制动时刻,超级电容SOC均能够按照预期下降到0.4左右,且在制动全过程中,有轨电车母线电压始终处于875 V以下,满足母线电压的控制要求.

增程式燃料电池混合动力有轨电车电源系统优化配置

为实现燃料电池混合动力有轨电车的经济运行,提出以燃料电池为增程式动力源的运行模式,并通过步进式枚举法对电源系统进行优化配置。首先,定义燃料电池混合动力有轨电车的运行模式及电源系统混合度,构建各电源系统模型;然后,建立电源系统全寿命周期综合成本函数,并考虑约束条件对电源系统进行优化配置;最后,以全寿命周期经济性、充电桩容量、配置燃料电池功率为评价指标,分析增程式运行模式相较于“一站一充”及贯通式运行模式的优势。研究结果表明,增程式运行模式与“一站一充”模式相比,充电桩容量需求可减少65.5%,全寿命周期成本降低7.68%;与贯通式模式相比,配置燃料电池功率减少100 kW,能量补给成本降低15.98%,全寿命周期成本降低10.88%。

基于制动速度优化策略的新型供电方式有轨电车再生制动能量回收方法

该文提出一种基于车辆动力源为燃料电池与超级电容的新型供电方式的混合动力有轨电车制动能量回收方法,该方法中在制动阶段综合考虑车辆电机制动特性曲线、最大减速度要求、制动距离、超级电容吸收能力以及舒适度等系统指标,优化得到一条车辆制动速度线,车辆在该速度曲线运行时燃料电池消耗能量减少7.45%,制动电阻消耗能量减少7.93%,而且超级电容回收制动能量提高7.83%。该方法通过改变制动速度从而改变制动功率,进而减少了制动电阻上的功率消耗,提高了超级电容的回收能量。同时,该方法中车辆在牵引阶段采用基于庞特里压金极小值原理的能量管理方法不仅使系统瞬时氢耗量达到最低,同时保证了超级电容始末时刻So C保持一致,达到了对运行过程中超级电容So C调控的目的。

基于加速时间预测的现代有轨电车储能系统能量管理与容量配置优化研究

电池寿命过短和配置空间有限是现代有轨电车储能系统应用存在的重要问题,给其能量管理策略和容量配置方法的设计带来了挑战。该文首先对影响电池寿命的因素进行了分析,建立了寿命估计模型。针对电池与超级电容混合储能系统,提出了基于加速时间预测的能量管理策略:根据车辆加速时间计算超级电容的实际可用功率,进而决定电池和电容的功率分配。该策略基于有轨电车运行周期性确定加速时间预测窗口,并充分考虑超级电容放电时间。仿真和实验验证了该策略具有充分利用超级电容能量和减弱电池寿命衰减的良好效果。同时,分别基于基本阈值策略和加速时间预测控制策略进行优化容量配置,分析不同控制策略对容量配置结果的影响。结果表明该文的策略通过降低超级电容的配置要求以及延长电池寿命实现了全寿命周期成本的降低。