混合動力列車電源系統控制策略

楊繼斌， 張繼業， 宋鵬云， 陳彥秋

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川 成都610031)

近年來，以節能、環保為目標的電動車輛、混合動力電動車輛應運而生［1］，隨著混合動力技術在公路車輛中的成熟應用［2-8］，并在列車中的應用已逐漸發展起來［9-16］. 與傳統列車相比，車載電源可以在無網區段為列車提供持續的動力，同時，在列車制動時可以實現再生制動能量的回收再利用.而混合動力列車電源系統的控制策略作為能量管理的核心，是提高整車動力性能、優化能源配置的關鍵.目前，大量文獻研究了關于混合電源控制策略在汽車中的應用［1-7］.在列車方面，國外的許多公司研究并開發了混合動力列車［9-13］.國內學者也進行了相關研究，文獻［14］分析了燃料電池混合動力列車的部分關鍵技術，并介紹了國內外混合動力列車的研究現狀;文獻［15］提出了蓄電池混合動力內燃機車的建模方法和能量管理策略;文獻［16］介紹了由電網、蓄電池和超級電容供電的混合動力列車的結構，并提出了功率分配策略. 這些主要是對油電混合型、燃料電池混合型以及單超級電容型電源系統的研究.

通過研究混合電源系統在列車運行仿真過程中的應用，不但可以模擬列車運行過程［17］，還可測試混合動力電源系統的充放電能力，研究混合電源系統的控制策略，對儲能設備的選型及其配置具有重要的指導意義. 本文討論對由電網、蓄電池和超級電容組成的電源系統在混合動力列車中的應用，首先建立混合電源系統模型，提出其控制策略，根據供電控制策略，分析混合動力電源系統與列車縱向動力學系統的耦合關系，計算列車加速度、電源系統的最大輸出功率和牽引力.考慮系統中的耦合關系，提出一種基于本文電源系統控制策略的列車運行目標速度曲線計算算法，實現混合動力列車的計算仿真.

1 混合電源系統控制策略

1.1 混合電源系統結構及模型

混合電源系統的結構如圖1 所示.

圖1 混合電源系統結構Fig.1 System architecture of hybrid power

系統主要由蓄電池、超級電容和電網組成. 蓄電池和超級電容通過雙向DC-DC 變換器接入直流母線工作. 該混合電源系統的特點是:通過雙向DC-DC 變換器可實時控制蓄電池和超級電容的輸入和輸出功率，可控性較好;當電網工作時，可以為蓄電池和超級電容充電，列車的行駛里程較長;混合電源可進行大電流放電，提高列車的啟動、加速和爬坡性能;制動時可以最大限度的回收再生制動能量，提高了能量利用率.

根據文獻［1］建立蓄電池和超級電容模型.

蓄電池荷電狀態為

式中:

i 為電池電流;

Q(i)為對應于電流i 的蓄電池安時容量;

SB，ini為初始荷電狀態值.

蓄電池供給的能量為

式中:

VB(τ)為電池端電壓;

i(τ)為蓄電池電流.

超級電容能量狀態為

式中:

VC為隨放電電流變化的超級電容端電壓;

VC，R為超級電容的額定電壓.

超級電容供給的能量為

式中:

C 為超級電容電容量.

1.2 混合電源系統控制策略

在有網區，電網通過三相交流逆變器給電機供電，為列車提供牽引功率，并通過直流母線給蓄電池和超級電容充電.在無網區需蓄電池和超級電容共同提供列車所需的牽引功率，此時，為保證列車的動力性能，應充分發揮蓄電池比能量高、超級電容比功率高的特性，延長蓄電池的壽命，最大限度的回收再生制動能量，需要制定由蓄電池和超級電容組成的混合電源的控制策略.

記:PH(x)為混合電源系統的輸出功率;

P*

n (x)為列車牽引運行的期望輸出功率;

x 為列車運行位置.

當混合電源系統放電時，

PH(x)＞0， P*

n (x)＞0;當混合電源系統充電時，

PH(x)＜0， P*n (x)＜0;當混合電源系統不工作時，

PH(x)=0.

設:蓄電池放電截止時SB的閾值為SB，0;充電截止時SB的閾值為SB，m.

設:超級電容放電截止時SC的閾值為SC，0;充電截止時SC的閾值為SC，m.

混合電源系統的控制策略及輸出功率計算流程如圖2 所示.圖2 中:PB、PC分別為電池和超級電容輸出功率，放電時為正，充電時為負;PH，1為混合電源放電時的最大輸出功率，PH，1=max{PH};PH，2為混合電源充電時的最大輸入功率，PH，2=max{-PH}，其中:VB、VC分別為蓄電池和超級電容的放電電壓;iB，up、iC，up分別為蓄電池和超級電容的最大放電電流;iB，d、iC，d分別為蓄電池和超級電容的最大充電電流.

圖2 混合電源的控制策略及輸出功率計算Fig.2 Calculation flowchart of control strategy and output power of hybrid power

2 混合電源系統與列車縱向動力學系統的耦合分析

傳統列車只由電網供電，在列車牽引運行過程中，列車可以最大能力加速至目標速度，但列車制動過程中，由于列車回收制動能量的能力有限，列車再生制動受到一定的限制.當混合電源系統的電網不供電時，為防止蓄電池和超級電容的過充和過放，延長其工作壽命，列車運行過程中，對蓄電池和超級電容的功率進行一定限制，導致列車加速度受到混合電源所提供的最大功率的約束.列車制動過程中，混合動力電源系統通過充電來回收能量，以混合電源系統的最大能力對制動能量進行回收.

列車運行目標速度曲線如圖3 所示.

由圖3 可知，在A 點之前，列車以最大加速度加速;A 點處，速度v=v(x)，此時，混合電源系統提供的功率不能滿足列車以最大能力加速，其加速能力受到一定的約束，所以約束A 點處的加速度，使加速度a(x)減小，以保證混合電源系統安全可靠工作，列車的安全平穩運行.

2.1 列車運動方程描述

列車在輪周牽引力、運行阻力、制動力和慣性力作用下的運動方程為

式中:

mD為包含回轉質量在內的列車總質量;

Ft(x)為列車牽引力;

Fb(x)為制動力;

wf(x)為列車運行所受的單位阻力之和.

圖3 列車運行目標速度曲線Fig.3 Target speed profiles of automatic train operation

2.2 系統耦合分析與計算

根據混合電源系統控制策略、功率計算以及列車運動方程的描述，耦合分析與計算各工況下混合動力電源系統與列車縱向動力學系統.

列車運行中，設:

2.2.1 牽引工況

牽引工況下，Fb(x)=0，列車所需加速度為

列車牽引運行中所需的期望功率為

混合電源系統提供的最大牽引力為

式中:η1為傳動系統效率.

由式(6)得列車最大加速度為

列車牽引工況下，混合電源系統輸出功率、列車牽引力和列車加速度分別為

2.2.2 制動工況

制動工況下，Ft(x)=0，列車加速度為

列車制動產生的功率為

混合動力系統產生的再生制動力為

式中:η2為混合電源能量回收的效率.

由式(13)得到列車最大加速度為

式中:Fb，max(x)為列車最大制動力，

其中:Fb，m(x)為機械制動力.

列車制動工況下，混合電源回收功率、列車實際制動力和列車加速度分別為

3 目標速度曲線計算算法

根據復雜的列車運行條件，生成目標速度曲線，控制列車按照目標速度曲線運行，使得列車運行時能夠滿足準點、精確停車以及節能運行等目標要求.

由于混合動力列車電源系統的輸入輸出功率有限，考慮系統中的耦合關系，基于1.2 節混合電源系統的控制策略，提出一種針對本文提出的混合動力列車的目標速度曲線計算算法.算法的核心思想是從理想狀態出發，計算目標速度曲線;逐步考慮各種限制條件，修改曲線.

設計的目標速度曲線計算算法如圖4 所示.圖4 中:Fc(x)為列車所受合力，由式(6)計算;v'(x)為線路土建限速;fB(x)、fC(x)分別為蓄電池和超級電容可提供的牽引力;E*C(x)為超級電容的期望輸出能量;aB(x)為蓄電池供電時為列車提供的加速度;在計算中，根據蓄電池的放電特性，將蓄電池的功率估算為平均功率.

圖4 目標速度曲線計算算法流程圖Fig.4 Flowchart of the algorithm for calculating target speed profiles

4 仿真分析

4.1 仿真參數及線路數據

利用MATLAB/Simulink 仿真軟件系統建模，模擬列車從56 m 位置運行至2 100 m 位置全程的運行情況，其列車主要參數如表1 所示，仿真線路數據如圖5 所示.

單節列車配置一套混合電源箱，超級電容和蓄電池的配置為“2C1B”，即兩組超級電容和一組蓄電池組成，混合電源箱的主要參數如表2 所示.

表1 列車主要參數Tab.1 Main parameters of the train

圖5 線路仿真數據圖Fig.5 Track data of simulation

表2 混合電源主要參數Tab.2 Main parameters of the hybrid power

4.2 仿真結果

根據本文構建的列車混合電源系統控制策略和算法，進行混合動力列車的運行仿真實驗，其仿真結果如圖6 ～8 所示.

圖6 為列車自動控制運行仿真中的速度曲線，圖中，實線為根據圖4 算法計算得到的期望目標速度曲線.在800 ～920 m 的區段由于彎道過小，對列車速度進行曲線限速. 從圖6 可以看出，列車運行仿真的速度曲線能夠完全跟蹤期望目標速度曲線.

圖7 為列車運行速度曲線對應的電池SB和超級電容SC曲線.根據系統控制策略，列車下坡制動和停車制動時，超級電容和蓄電池同時充電進行制動能量的回饋，列車產生的制動能量為4. 72 ×106J，蓄電池回收的制動能量為0.29 ×106J，超級電容回收的制動能量為1.65 ×106J，混合電源回收了41%的制動能量.起動牽引和上坡時，需求功率較大，電池和超級電容按需求進行最大能力的放電.在940 ～1 300 m 的區段加設電網，對蓄電池和超級電容充電，蓄電池和超級電容的容量曲線上升.在1 340 ～1 600 m 的區段，由于坡道過大，超級電容快速放電，其SC值減小.

圖6 列車運行速度曲線Fig.6 Automatic train operation speed profiles

圖7 列車運行速度曲線及對應的蓄電池和超級電容的容量曲線Fig.7 Automatic train operation speed profiles and capacities of batteries and supercapacitors

圖8 為列車運行仿真的加速度曲線. 結合圖7、8 可以看出，在列車加速至25 km/h 左右時，列車還未達到最大運行速度，而由于混合電源系統的功率約束，加速度明顯降低.

仿真結果表明，列車運行全線2 044 m 的仿真需時間220 s，電池SB為86 %，超級電容SC為100%，列車能夠跟蹤期望目標速度曲線自動運行，仿真過程沒有超速. 因此，電源系統控制策略及目標速度曲線計算算法能夠滿足列車運行仿真的需求.

圖8 列車運行加速度曲線Fig.8 Automatic train operation acceleration profiles

5 結 論

(1)根據構建的混合電源模型提出了電源系統的控制策略.仿真表明，該控制策略下，列車運行完全程時蓄電池的荷電狀態為86%，超級電容能量狀態為100%，混合電源能夠充分發揮蓄電池高比能量和超級電容高比功率的特性，達到列車運行的動力性能指標.

(2)通過分析混合電源系統與列車縱向動力學系統的耦合關系，給出了一種基于該控制策略的列車運行目標速度曲線的計算算法，防止了蓄電池和超級電容的過充和過放，保證列車能夠安全可靠的運行.

(3)混合電源回收了41%的制動能量，其中超級電容回收了約35%的制動能量.

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