一种混合动力有轨电车制动优化方法及系统与流程

本发明属于混合动力优化电车技术领域，特别是涉及一种混合动力有轨电车制动优化方法及系统。

背景技术：

轨道交通的飞速发展在解决城市拥堵、减少空气污染、提升出行品质等方面做出了重要贡献。现阶段有轨电车普遍采用接触网供电模式，其存在建设成本高、破坏城市景观等不足。基于燃料电池的混合动力有轨电车由于自身携带主动力源，从而不需要在线路沿线架设接触网。能够有效减少有轨电车线路建设初期投资并缩短线路建设周期。且具有能量转化效率高、环境污染小、杂散电流少等优势。近年来世界各国均投入到燃料电池有轨电车的研发之中。在日本、德国等法达国家，有轨电车早已成为公共交通系统中重要组成部分，能够有效填补低运载量的公共汽车与高运载量的地铁之间，中等运载能力公共交通的缺失。另一方面也是城市轨道交通网络重要组成部分。近年来国内也加大了有轨电车的研发与应用，如天津、大连、上海、沈阳、武汉、苏州等城市均有已开通运营的有轨电车线路，并且还有超过40余座国内城市正在规划设计有轨电车线路。随着有轨电车的迅猛发展，相关的车辆制造技术、站台设计、安全防护、运营管理等方面都有大幅度的技术进步。

有轨电车运行工况多为城市或近郊路况，与高速铁路及动车组相比而言有轨电车站间距离短，制动和启动更为频繁，频繁的制动过程会产生大量的制动能量，据研究表明再生制动能量占牵引总能量的40％以上。现阶段大部分牵引网供电模式的有轨电车，再生制动能量会反馈回牵引网从而抬高牵引网电压，牵引网电压提升会对相关电气设备造成损害，故需采取措施吸收或散耗掉制动能量。目前我国城市有轨电车多采用电阻制动模式，将再生制动能量以热能形式在制动电阻上散耗掉，该种方式存在大量的能量浪费，不利于轨道交通绿色化、可持续的发展理念。

现阶段利用超级电容进行有轨电车再生制动能量回收的方法，普遍控制超级电容soc值处于既可充电又可放电的固定值，以保证车辆制动能量回收和为车辆加速、爬坡提供峰值功率，但此种方法并未结合实际运行线路进行优化，存在再生制动能量不能被完全吸收和需要配置大容量超级电容的问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种混合动力有轨电车制动优化方法及系统，保证整车制动性能不受影响的前提下，增大再生制动能量吸收，减少以热量形式消耗在制动电阻上的能量，提高能量利用率，降低车辆运行耗氢量，减小车辆运行成本，实现节能的目的。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种混合动力有轨电车制动优化方法，包括步骤：

s100，路况识别分析：利用有轨电车状态实测信号对车辆运行线路工况进行路况识别，运用定位系统记录实际运行线路中各点坐标及高度数据，生成含坡度和曲线的有轨电车实际运行线路图，并对整条运行线路进行数据分析处理；

动力源监测信号包括：监测燃料电池状态，产生第一动力源信号；监测超级电容状态，产生第二动力源信号；监测储能电池状态，产生第三动力源信号；

车辆状态监测信号包括：通过车载质量传感器获取车辆载重状态，通过车载速度传感器获取车速，通过电流电压传感器获取直流母线电流电压，通过车载转向架传感器获取转向架工作状态；

s200，制动终止点搜寻：根据所述有轨电车实际运行线路图，搜寻列车制动终止点并记录各点坐标及各动力源数据，由制动目的将制动终止点划分为缓降制动终止点、曲线制动终止点和站台制动终止点；

制动起始点搜寻：根据所述有轨电车实际运行线路图，搜寻列车制动起始点并记录各点坐标及各动力源数据，由制动目的将制动起始点划分为缓降制动起始点、曲线制动起始点和站台制动起始点；

s300，制动优化调整：结合车速和载重状态获取各制动区间段内制动能量并转换为超级电容soc变化值，从而通过超级电容soc变化值量化各制动区间段制动能量值，使在制动区间吸收再生制动能量后soc值不超过超级电容最高soc值的限制，以精准调节各制动起始点超级电容soc值，保证各区间段制动能量回收最大化。减少以热量形式散耗在制动电阻上的能量，提高能量利用率。

进一步的是，所述有轨电车状态实测信号包括加速度信号、速度信号、陀螺仪信号和转向架监测信号；所述定位系统包括列车测速设备和信标，在列车上安装测速设备和信标接收天线，在线路沿线的地面设置固定信标；通过测速设备计算列车的相对位置，列车通过地面信标时进行位置校正，实现列车精确定位。

进一步的是，在所述步骤s200中，所述制动终止点搜寻，包括步骤：

s211，缓降制动终止点搜寻：通过定位系统获取的所述高度数据，选出前一区间段内高度数据显著下降的点，且经过该点后高度数据趋于平稳不再有明显变化的点，预选为缓降制动终止点；结合实际运行线路图对预选缓降制动终止点进行筛选，得到车辆缓降制动终止点；

s212，曲线制动终止点搜寻：列车在进入曲线之前进行制动操作，使得车辆以可控速度通过曲线路段；通过所述转向架工作状态，选出从制动操作点起转向架在接下来一段时间处于持续工作状态的点，预选为曲线制动终止点；结合实际运行线路图对预选曲线制动终止点进行筛选，得到车辆曲线制动终止点；

s213，站点制动终止点搜寻：通过定位系统记录实际运行线路中各点坐标，为站点制动终止点。

进一步的是，在步骤s200中，所述制动起始点搜寻，包括步骤：

s221，缓降制动起始点搜寻：通过定位系统获取的所述高度数据，对比各点高度选出从该点起坐标高度显著下降的点，预选为缓降制动起始点；结合实际运行线路图对预选缓降制动起始点进行筛选，得到车辆缓降制动起始点；

s222，曲线制动起始点搜寻：通过所述曲线制动终止点的坐标数据，采用逆推法求得曲线制动起始点坐标；由曲线制动终止点坐标减去曲线制动距离得到曲线制动起始点；

s223，站点制动起始点搜寻：通过所述站点制动终止点的坐标数据，采用逆推法求得站点制动起始点坐标；由站点制动终止点坐标减去站点制动距离得到站点制动起始点。

进一步的是，在步骤s222中，因有轨电车运行需要保证准时性和可靠性，故同一区段内车辆的运行模式、运行状态近乎相同，对于同一曲线制动区间而言制动起始速度、终止速度、制动距离相差不大，因此通过统计法获取制动距离和车速变化量；通过处理大量的车辆实测运行数据并滤除干扰数据，分别求得每个曲线制动区间有轨电车的平均制动距离和曲线平均车速变化量，运用曲线制动终止点坐标减去曲线制动区间平均制动距离即可得到所述曲线制动起始点的坐标数据；

因有轨电车运行需要保证准时性和可靠性，故同一区段内车辆的运行模式、运行状态近乎相同，对于同一站点制动区间而言制动起始速度、制动距离相差不大，因此通过统计法获取制动距离和车速变化量；通过处理大量的车辆实测运行数据并滤除干扰数据，分别求得每个站点制动区间有轨电车的平均制动距离和站点平均车速变化量，运用站点制动终止点坐标减去站点区间平均制动距离即可得到站点制动起始点坐标。

进一步的是，在所述步骤s300中，包括步骤：

s301，根据车辆载重状态处理各制动区间段车辆实际运行数据，得到各载重状态下超级电容soc变化值，实现不同载重状态下制动能量的量化；

s302，在所述制动起始点前设置soc调整区段，所述soc调整区段的长度等于制动区间长度；设置soc调整区段的起始点为soc判定点，记录判定点坐标数据，并结合车辆载重状态设置判定点soc标准值；

s303，监测判定点处超级电容实时soc值；

s304，根据判定点实时soc值与标准soc值的对比，通过调整各动力源输出状态，实现对超级电容soc值的精准调节，保证各区间段制动能量回收最大化。

进一步的是，在所述步骤s301中量化制动能量过程，包括步骤：

由于列车制动区间的制动能量与车辆载重及制动区间速度变化量有关，依据轨道交通车辆载重标准将车辆载重状态分为aw0、aw1、aw2和aw3四种状态，分别定义各状态包含的质量范围；

通过处理各制动区间段车辆实际运行数据对制动能量进行量化：首先参照质量数据对车辆载重状态进行分类；然后以平均速度变化量为标准取±2km/h设置有效数据范围作为制动区间进行数据筛选；最后找出各载重状态下超级电容soc变化的最大值，作为为该制动区间和载重状态下的soc变化值，从而实现不同载重状态下制动能量的量化；

在所述步骤s304中soc值对比调整过程，包括步骤：

当实时soc值小于等于标准soc值时，维持车辆现有运行状态及各动力源输出状态不变；

当实时soc值大于标准soc值时，保证车辆整体运行状态不变，在soc调整区段对超级电容soc值进行调整，将调整信号传送至能量控制模块，调整各动力源输出，燃料电池及储能电池降功运行，增大超级电容输出功率，使得超级电容soc调整量应大于soc调整量min，soc调整量min＝soc实时-soc标准；

从而实现对超级电容soc值的精准调节，保证各区间段制动能量回收最大化。

进一步的是，当车速过大且制动功率和能量极高时，受限于变流器功率等级或超级电容最高soc值，不能完全吸收再生制动能量时，分级投入制动电阻至直流母线进行电阻制动；当最高级电阻制动也不能满足制动需求时，由驾驶人员控制投入机械制动，作为车辆紧急制动和安全制动的补充制动方式。

另一方面，本发明还提供了一种混合动力有轨电车制动优化系统，包括能量管理系统、soc判定系统、动力源监测系统、车辆状态监测系统、燃料电池系统、燃料电池供电系统、超级电容系统、超级电容供电系统、锂电池系统、锂电池供电系统和直流母线；

车辆驾驶室控制系统传递车辆检测信息至能量管理系统，所述动力源监测系统分别连接至燃料电池系统、超级电容系统和锂电池系统，并将检测信息反馈给soc判定系统；所述soc判定系统连接至所述能量管理系统将soc判定信息传输至能量管理模块，所述能量控制模块包括燃料电池能量控制系统、超级电容能量控制系统和锂电池能量控制系统；

所述燃料电池能量控制系统，将控制信号传送给燃料电池供电系统，供电系统两端分别与燃料电池及直流母线相连接，其能量流通路径为单向，用于调整燃料电池向直流母线的输出功率；所述超级电容能量控制系统，将控制信号传送给超级电容供电系统，供电系统两端分别与超级电容及直流母线相连接，其能量流通路径为双向，用于调整超级电容与直流母线的能量交换；所述锂电池能量控制系统，将控制信号传送给锂电池供电系统，供电系统两端分别与锂电池及直流母线相连接，其能量流通路径为双向，用于调整锂电池与直流母线的能量交换。

进一步的是，还包括电阻制动系统和机械制动系统；所述电阻制动系统通过检测直流母线电压电流，进行分级制动电阻控制；所述机械制动系统通过车辆驾驶室控制，对车辆进行机械制动控制；

当车速过大且制动功率和能量极高时，受限于变流器功率等级或超级电容最高soc值，不能完全吸收再生制动能量时，分级投入制动电阻至直流母线进行电阻制动；当最高级电阻制动也不能满足制动需求时，由驾驶人员控制投入机械制动，作为车辆紧急制动和安全制动的补充制动方式。

采用本技术方案的有益效果：

本发明采用有轨电车实测信号对车辆运行线路工况进行路况识别，通过列车定位系统对车辆运进行定位，搜寻依据路况识别所得的实际运行线路图搜寻制动区间，量化各区间制动能量，并设置soc调整区段，精准调节超级电容soc，使得超级电容吸收再生制动能量最大化实现最优制动；

本发明在保证整车动态性能及车辆运行准时、可靠的前提下，采用路况识别及车辆定位系统对车辆运行数据进行记录分析，搜寻并确定制动起始、终止点，在制动区间前设置soc判定点和soc调整区段，结合车辆载重状态对超级电容soc值进行精准调节，保证超级电容在制动区间段吸收再生制动能量最大化，实现最优制动；在保证整车制动性能不受影响的前提下，增大再生制动能量吸收，减少以热量形式消耗在制动电阻上的能量，提高能量利用率，降低车辆运行氢耗量，减小车辆运行成本，实现节能目的。

附图说明

图1为本发明的一种混合动力有轨电车制动优化方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中有轨电车实际运行线路图；

图3为本发明实施例中训练用户标签模型方法流程图；

图4为本发明实施例中一种混合动力有轨电车制动优化系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种混合动力有轨电车制动优化方法，包括步骤：

s100，路况识别分析：利用有轨电车状态实测信号对车辆运行线路工况进行路况识别，运用定位系统记录实际运行线路中各点坐标及高度数据，生成含坡度和曲线的有轨电车实际运行线路图，并对整条运行线路进行数据分析处理；

动力源监测信号包括：监测燃料电池状态，产生第一动力源信号；监测超级电容状态，产生第二动力源信号；监测储能电池状态，产生第三动力源信号；

车辆状态监测信号包括：通过车载质量传感器获取车辆载重状态，通过车载速度传感器获取车速，通过电流电压传感器获取直流母线电流电压，通过车载转向架传感器获取转向架工作状态；

s200，制动终止点搜寻：根据所述有轨电车实际运行线路图，搜寻列车制动终止点并记录各点坐标及各动力源数据，由制动目的将制动终止点划分为缓降制动终止点、曲线制动终止点和站台制动终止点；

制动起始点搜寻：根据所述有轨电车实际运行线路图，搜寻列车制动起始点并记录各点坐标及各动力源数据，由制动目的将制动起始点划分为缓降制动起始点、曲线制动起始点和站台制动起始点；

s300，制动优化调整：结合车速和载重状态获取各制动区间段内制动能量并转换为超级电容soc变化值，从而通过超级电容soc变化值量化各制动区间段制动能量值，使在制动区间吸收再生制动能量后soc值不超过超级电容最高soc值的限制，以精准调节各制动起始点超级电容soc值，保证各区间段制动能量回收最大化。减少以热量形式散耗在制动电阻上的能量，提高能量利用率。

其中，所述有轨电车状态实测信号包括加速度信号、速度信号、陀螺仪信号和转向架监测信号；所述定位系统包括列车测速设备和信标，在列车上安装测速设备和信标接收天线，在线路沿线的地面设置固定信标；通过测速设备计算列车的相对位置，列车通过地面信标时进行位置校正，实现列车精确定位。

作为上述实施例的优化方案，在所述步骤s200中，如图2所示，所述制动终止点4搜寻，包括步骤：

s211，缓降制动终止点41搜寻：通过定位系统获取的所述高度数据，选出前一区间段内高度数据显著下降的点，且经过该点后高度数据趋于平稳不再有明显变化的点，预选为缓降制动终止点；结合实际运行线路图对预选缓降制动终止点进行筛选，得到车辆缓降制动终止点；

s212，曲线制动终止点42搜寻：列车在进入曲线之前进行制动操作，使得车辆以可控速度通过曲线路段；通过所述转向架工作状态，选出从制动操作点起转向架在接下来一段时间处于持续工作状态的点，预选为曲线制动终止点；结合实际运行线路图对预选曲线制动终止点进行筛选，得到车辆曲线制动终止点；

s213，站点制动终止点43搜寻：通过定位系统记录实际运行线路中各点坐标，为站点制动终止点。

在步骤s200中，所述制动起始点2搜寻，包括步骤：

s221，缓降制动起始点21搜寻：通过定位系统获取的所述高度数据，对比各点高度选出从该点起坐标高度显著下降的点，预选为缓降制动起始点；结合实际运行线路图对预选缓降制动起始点进行筛选，得到车辆缓降制动起始点，缓降制动起始点到终止点的距离为缓降制动距离71；

s222，曲线制动起始点22搜寻：通过所述曲线制动终止点42的坐标数据，采用逆推法求得曲线制动起始点坐标；由曲线制动终止点坐标减去曲线制动距离72，得到曲线制动起始点；

s223，站点制动起始点23搜寻：通过所述站点制动终止点43的坐标数据，采用逆推法求得站点制动起始点坐标；由站点制动终止点坐标减去站点制动距离73，得到站点制动起始点。

在步骤s222中，因有轨电车运行需要保证准时性和可靠性，故同一区段内车辆的运行模式、运行状态近乎相同，对于同一曲线制动区间而言制动起始速度、终止速度、制动距离相差不大，因此通过统计法获取制动距离和车速变化量；通过处理大量的车辆实测运行数据并滤除干扰数据，分别求得每个曲线制动区间有轨电车的平均制动距离和曲线平均车速变化量，运用曲线制动终止点坐标减去曲线制动区间平均制动距离即可得到所述曲线制动起始点的坐标数据；

因有轨电车运行需要保证准时性和可靠性，故同一区段内车辆的运行模式、运行状态近乎相同，对于同一站点制动区间而言制动起始速度、制动距离相差不大，因此通过统计法获取制动距离和车速变化量；通过处理大量的车辆实测运行数据并滤除干扰数据，分别求得每个站点制动区间有轨电车的平均制动距离和站点平均车速变化量，运用站点制动终止点坐标减去站点区间平均制动距离即可得到站点制动起始点坐标。

作为上述实施例的优化方案，在所述步骤s300中，如图3所示，包括步骤：

s301，根据车辆载重状态处理各制动区间段车辆实际运行数据，得到各载重状态下超级电容soc变化值，实现不同载重状态下制动能量的量化；

s302，在所述制动起始点前设置soc调整区段6，所述soc调整区段的长度等于制动区间长度7；设置soc调整区段的起始点为soc判定点3，记录判定点坐标数据，并结合车辆载重状态设置判定点soc标准值；

s303，监测判定点处超级电容实时soc值；

s304，根据判定点实时soc值与标准soc值的对比，通过调整各动力源输出状态，实现对超级电容soc值的精准调节，保证各区间段制动能量回收最大化。

在所述步骤s301中量化制动能量过程，包括步骤：

由于列车制动区间的制动能量与车辆载重及制动区间速度变化量有关，依据轨道交通车辆载重标准将车辆载重状态分为aw0、aw1、aw2和aw3四种状态，分别定义各状态包含的质量范围；

通过处理各制动区间段车辆实际运行数据对制动能量进行量化：首先参照质量数据对车辆载重状态进行分类；然后以平均速度变化量为标准取±2km/h设置有效数据范围作为制动区间进行数据筛选；最后找出各载重状态下超级电容soc变化的最大值，作为为该制动区间和载重状态下的soc变化值，从而实现不同载重状态下制动能量的量化；

在所述步骤s304中soc值对比调整过程，包括步骤：

当实时soc值小于等于标准soc值时，维持车辆现有运行状态及各动力源输出状态不变；

当实时soc值大于标准soc值时，保证车辆整体运行状态不变，在soc调整区段对超级电容soc值进行调整，将调整信号传送至能量控制模块，调整各动力源输出，燃料电池及储能电池降功运行，增大超级电容输出功率，使得超级电容soc调整量应大于soc调整量min，soc调整量min＝soc实时-soc标准；

从而实现对超级电容soc值的精准调节，保证各区间段制动能量回收最大化。

作为上述实施例的优化方案，当车速过大且制动功率和能量极高时，受限于变流器功率等级或超级电容最高soc值，不能完全吸收再生制动能量时，分级投入制动电阻至直流母线进行电阻制动；当最高级电阻制动也不能满足制动需求时，由驾驶人员控制投入机械制动，作为车辆紧急制动和安全制动的补充制动方式。

为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图4所示，本发明还提供了一种混合动力有轨电车制动优化系统，包括能量管理系统、soc判定系统、动力源监测系统、车辆状态监测系统、燃料电池系统、燃料电池供电系统、超级电容系统、超级电容供电系统、锂电池系统、锂电池供电系统和直流母线；

车辆驾驶室控制系统传递车辆检测信息至能量管理系统，所述动力源监测系统分别连接至燃料电池系统、超级电容系统和锂电池系统，并将检测信息反馈给soc判定系统；所述soc判定系统连接至所述能量管理系统将soc判定信息传输至能量管理模块，所述能量控制模块包括燃料电池能量控制系统、超级电容能量控制系统和锂电池能量控制系统；

所述燃料电池能量控制系统，将控制信号传送给燃料电池供电系统，供电系统两端分别与燃料电池及直流母线相连接，其能量流通路径为单向，用于调整燃料电池向直流母线的输出功率；所述超级电容能量控制系统，将控制信号传送给超级电容供电系统，供电系统两端分别与超级电容及直流母线相连接，其能量流通路径为双向，用于调整超级电容与直流母线的能量交换；所述锂电池能量控制系统，将控制信号传送给锂电池供电系统，供电系统两端分别与锂电池及直流母线相连接，其能量流通路径为双向，用于调整锂电池与直流母线的能量交换。

作为上述实施例的优化方案，还包括电阻制动系统和机械制动系统；所述电阻制动系统通过检测直流母线电压电流，进行分级制动电阻控制；所述机械制动系统通过车辆驾驶室控制，对车辆进行机械制动控制；

当车速过大且制动功率和能量极高时，受限于变流器功率等级或超级电容最高soc值，不能完全吸收再生制动能量时，分级投入制动电阻至直流母线进行电阻制动；当最高级电阻制动也不能满足制动需求时，由驾驶人员控制投入机械制动，作为车辆紧急制动和安全制动的补充制动方式。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。