[发明专利]应用于轨道交通车载混合储能系统的容量配置方法

说明书

本发明涉及一种应用于轨道交通车载混合储能系统的容量配置方法。该方法包括：定义重量权重因子(α)和充电能量权重因子(Q)；以列车的牵引工况信息、α、Q、和车载混合储能系统各储能元件参数为输入量，代入车载混合储能系统的能量需求、充电功率需求和放电功率需求的每一个边界条件中，分别输出一个车载混合储能系统总重量的边界值，记录三个边界值中最大值作为本次α和Q分配下实际需要配置的车载混合储能系统总重量；通过优化计算调节α和Q的大小获得最佳容量配置方案。本发明在满足列车牵引需求的同时，以车载混合储能系统的重量作为优化目标，通过优化计算制定出不同类型储能元件耦合的优化容量配置方案，为车载混合储能系统容量配置提供了新的思路。

技术领域

本发明涉及多能源耦合储能的容量配置研究，特别是涉及应用于轨道交通车载混合储能系统的容量配置方法。

背景技术

根据轨道交通动力系统需求，选择具有长寿命、宽温度范围、高倍率等特性的车载储能系统，不仅响应国家节能、环保的号召，还可以降低人工维护成本，符合我国铁路建设的长远规划目标。电池以其高能量密度、可模组化、可靠性等优点成为目前最常用的储能元件，但是其温度特性差、低循环寿命、低功率密度等缺点限制了电池储能的工作效率。在轨道交通中采用单一电池储能的方案将导致电池经常工作在大电流和高功率的工况，这将大大减少电池的循环寿命和可靠性。为了匹配轨道交通列车的功率需求，只能提高电池储能的容量，这将使系统的成本、体积、重量增加。

与电池相比，超级电容具有高功率密度、长循环寿命、温度特性好、但是低能量密度的特点，对于需求高能量的轨道交通动力系统而言也不能满足需求。

对于特定的储能元件，其功率特性和能量特性与储能元件本身电压、内阻、容量等指标内在的联系在一起，是由其物理、化学特性决定的，在制造工艺受限情况下，元件性能无法兼顾功率性和能量性，单一的储能元件为解决这一问题，只能提高配比容量，这将导致储能元件成本、体积的增加。

为了解决储能系统功率和能量的矛盾，选用两种或者更多类型的储能元件混合使用组成的混合储能系统，可实现功率型储能元件和能量型储能元件的特性互补，匹配轨道交通动力系统的功率需求和能量需求。电池与超级电容混合储能作为城市轨道交通列车动力系统能量的来源，通过控制可以让电池和超级电容特性互补，从而可以保证列车牵引加速时对储能系统的功率需求，同时还能满足列车长距离牵引的能量需求。采用高功率密度的超级电容和高能量密度的锂离子电池混合使用，超级电容储能主要用来提供牵引加速和吸收制动回馈时的高频、尖峰功率，锂离子电池储能主要用来维持列车运行，工作于低频、低功率模式，延长了锂离子电池的寿命。电池与超级电容构成的混合储能系统作为城市轨道交通列车能量的来源，其容量配置需要满足列车牵引的能量需求和功率需求。发挥各储能元件的长处来匹配轨道交通动力系统的功率需求和能量需求，可以提高储能系统的运行效率和使用寿命，解决了单一储能元件特性受限的问题。

因此，从能量需求和功率需求的角度考虑，以高比功率型储能元件超级电容和高比能量型储能元件锂离子电池构成的混合储能系统是解决轨道交通储能系统功率和能量矛盾问题的最佳方案。为充分满足铁路列车轻量化的目标，需要对车载混合储能系统的重量问题进行优化，对超级电容和锂离子电池进行容量的优化配置，在匹配列车牵引需求的同时最大程度的降低车载混合储能系统的重量。

但是，由于不同的储能元件功率密度和能量密度各不相同，不同车型、不同牵引工况对储能系统的需求也不同，为减小车载混合储能系统的重量，需要对混合储能系统进行容量的优化配置以满足列车轻量化的指标，提高运行效率。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种应用于轨道交通车载混合储能系统的容量优化配置方法，该方法在满足列车牵引需求的同时，以车载混合储能系统的重量作为优化目标，通过优化计算制定出不同类型储能元件耦合的优化容量配置方案。该方法可以用于以车载混合储能系统重量最小作为优化目标，在匹配列车牵引需求的同时最大限度的减小车载混合储能系统的重量，提高列车运行效率。