[发明专利]燃料电池混合动力有轨电车多能量源耦合惩罚控制系统

说明书

本发明公开了一种燃料电池混合动力有轨电车多能量源耦合惩罚控制系统，属于燃料电池混合动力能量管理控制领域。包括多能量源系统监控单元接口，用于通信连接燃料电池系统监控单元、超级电容系统监控单元、锂电池系统监控单元以及牵引驱动系统直流母线监测单元；耦合惩罚控制单元，其根据整车实时牵引工况和多能量源工作特性实现燃料电池系统、超级电容系统、锂电池系统自适应能量分配，并根据各能量源性能衰减特性对自适应能量需求分配进行预测修正，确保整车运行稳定性的同时，使得燃料电池系统工作于实时最优净功率输出、超级电容系统和锂电池系统工作于期望荷电状态范围内，提高各能量源系统工作效率，延长各能量源的循环使用寿命。

技术领域

本发明属于燃料电池混合动力能量管理控制领域，具体涉及一种燃料电池混合动力有轨电车多能量源耦合惩罚控制系统。

背景技术

随着社会经济的发展和城市化进程的加快，城市交通拥堵和汽车尾气排放等引起的环境污染问题已经成为困扰每个大中城市的顽疾。特别地，其中传统燃油车辆怠速时的汽车尾气排放量是正常行驶的20-30倍。缓解城市拥堵，治理城市污染，已经成为我国各大城市亟待解决的难题。发展城市公共交通，尤其是城市轨道交通，以及新能源应用，是解决城市拥堵和空气污染的有效途径。其中，具有清洁、环保、高效等突出优点的中等运量燃料电池混合动力有轨电车是对地铁、轻轨、公交系统的有效补充，是形成生态化、一体化交通体系的重要组成部分，其相对于既有无接触网有轨电车技术而言，可完全摆脱牵引供电系统、无需配置牵引变电站和受流站点，因而可作为大城市的骨干线、近郊联络线、中小城市的主干线。

在燃料电池有轨电车混合动力供电系统中，由于作为主能量源的燃料电池系统配置的空气供给模块、冷却循环模块具有明显的机电暂态延迟，因而需要配置合理的辅助供电系统，以满足快速动态变化的有轨电车牵引负荷需求。目前，大功率车载辅助供电系统主要包括独立超级电容系统、独立锂电池系统以及超级电容/锂电池混合系统三种制式，其中，独立超级电容系统比功率高，大电流充放电循环性能好，但自放电率大，持续放电时间短；而锂电池系统比能量大，自放电率低，适用于中小电流持续充放电，因此，通过燃料电池、超级电容、锂电池的有效耦合，充分发挥三种能量源的性能优势，构建有轨电车用大功率燃料电池混合动力系统，是燃料电池混合动力有轨电车发展的必然趋势。

其中，如何有效结合有轨电车运行工况与燃料电池、超级电容、锂电池等多能量源工作特性，设计高效合理的能量管理系统，对于实现燃料电池混合动力有轨电车整车动力性与燃料经济性的有效兼顾，提高燃料电池系统运行性能，延长燃料电池混合动力系统循环使用寿命，具有非常重要的现实意义。

目前，在有燃料电池有轨电车混合动力系统设计中，主要由作为混合动力主能量源的燃料电池系统优先满足整车动力性能要求，由超级电容系统和锂电池系统构成的储能系统提供辅助功率需求和制动能量回收，在此基础上提出了多种基于切换策略、模糊规则和信号频率分割的多能量源管理控制系统。其中，超级电容系统主要用于补充有轨电车启动加速过程的功率需求，并回收有轨电车再生制动回馈能量；而锂电池系统在提供燃料电池系统启动功率、补充有轨电车牵引功率以及回收超级电容系统无法吸收的再生制动回馈能量的同时，需要满足燃料电池低功率运行能量吸收以及有轨电车紧急牵引模式下的能量需求。

然而，上述燃料电池混合动力有轨电车多能量源控制系统虽然满足了多能量源实时控制管理需求，但并未充分考虑燃料电池、超级电容、锂电池等多能量源工作特性。特别地，与中小功率燃料电池系统运行特性不同，大功率燃料电池系统的功率输出与氢气、空气计量比特性密切相关，其中，氢气供给模块的固有高压工作特性使其响应较为迅速，而空气供给模块由于空压机固有的机电暂态延迟，会使得燃料电池处于暂态氧饥饿和氧饱和状态，影响燃料电池系统的最优净功率输出，降低燃料电池系统的循环使用寿命。而既有燃料电池混合动力有轨电车能量管理系统并未充分计及燃料电池系统净输出功率与运行寿命特性，也并未有效量化燃料电池系统缓变暂态响应对辅助储能供电系统的反馈影响，因此，上述依赖专家经验的规则策略制定也不能保证多能量源实时最佳匹配，并不适用于大功率燃料电池混合动力有轨电车能量管理，无法有效兼顾整车动力性与燃料经济性。