新能源城轨车辆车载储能系统的关键技术研究

随着我国国民经济的不断发展和城市化进程的不断加快,城市人口数量大幅度提升,这加重了城市交通的运量负担。城市轨道交通具有运量大、密度高、环境友好度高、准点舒适等特点,大力发展城市轨道交通成为解决我国城市人口数量多、交通不便等问题的关键。近些年来出现的车载储能系统牵引技术,通过安装于城轨车辆上的储能系统作为能量源满足车辆的牵引需求,并在车辆制动阶段回收能量以提高能量利用率。对比于传统城市轨道交通供电方式,该模式的优点包括:城轨车辆可运行于无网区域;避免城市密集接触网造成的视觉污染问题;能量传输无需经过供电线路从而减少了传输过程中的损耗;消除了接触网故障可能带来的影响等。本文围绕新能源城轨车辆车载储能系统若干关键问题,对城轨车辆的间歇式供电方式、运行模式、车载储能系统优化配置、能量管理策略和DC-DC变换器控制策略等内容展开研究,旨在系统设计阶段降低系统的年平均成本并提高储能系统的运行效率;在线运行阶段减少储能系统的能量损耗、限制储能系统峰值电流并提高储能系统的动态特性。相关研究成果对新能源城轨车辆车载储能系统优化配置和在线控制等相关技术具有理论指导意义和实际应用价值。(1)为了提高新能源城轨车辆的系统效率并降低系统成本,围绕现有新能源城轨车辆的供电方式展开研究,探索并提出了快换式新能源城轨车辆间歇式供电方式;其次,提出了基于不同供电方式的城轨车辆运行全程平均效率模型以及储能系统基于瞬时功率加权的平均效率计算方法;此外,对包含储能元件全寿命周期成本的系统成本函数展开了分析;最后,通过实例分析和仿真结果验证了所提出的快换式供电方式的经济性和系统效率方面的优势,为新能源城轨车辆供电方式提出了—种新的解决方案。(2)为了对新能源城轨车辆车载储能系统容量进行合理配置,围绕现有车载储能系统优化配置方法展开研究,分析了以粒子群寻优为优化方法的系统年平均成本计算方法并对不同运行模式的单一储能元件进行配置优化;其次,提出了基于发车工况和充电时间优化的电池组初始购买数量优化方法;再次,提出了基于减少充电站数量的站站充电和快换充电混合间歇式供电的运行模式并对其混合车载储能系统的锂离子电池组和超级电容组的容量配置进行整体优化;最后,通过实例分析和仿真结果验证了所提出的不同间歇式供电方式下的车地一体化优化配置的经济性优势。(3)以充分发挥锂离子电池的高能量特性和超级电容的高功率特性为出发点,围绕车载混合储能系统的能量管理策略展开了研究。首先,分析现有混合储能系统拓扑和能量管理策略的优缺点;其次,有针对性的提出了一种基于储能系统最小损耗的单目标优化控制-逻辑门限值控制的混合能量管理策略,采用储能系统损耗单目标优化和超级电容荷电状态站间限制替代含有超级电容电压惩罚项的多目标函数能量管理策略;再次,给出了一种变步长预测和单次寻优的简化算法;最后,通过仿真结果和搭建基于dSPACE的混合储能系统实验平台对所提出的能量管理策略的有效性和先进性进行了验证,为车载混合储能系统能量管理策略提供了一种新的解决思路。(4)蓄电池系统的安全高效运行对充放电尖峰电流十分敏感,为了延长其使用寿命并提高储能系统动态特性,围绕具有峰值电流限制功能的DC-DC变换器模型预测控制展开研究。首先分析了储能系统DC-DC变换器的传统PI控制器、经典双环控制结构和经典模型预测控制的不足点;其次,针对以上不足提出了一种开关频率恒定的模型预测电流控制方法;再次,提出了一种消除电压外环的电流参考值设计方法降低了动态过程中的电感电流峰值,同时采用了龙伯格观测器提高控制器的鲁棒性;最后,通过仿真结果和实验结果对所提出的控制策略的有效性和先进性进行了验证。