一种有轨电车用燃料电池混合动力模糊自治管理系统的制作方法

本发明属于有轨电车混合动力能量管理控制领域，具体涉及一种有轨电车用燃料电池混合动力模糊自治管理系统。

背景技术：

社会经济的快速发展和城市化进程的不断加快，对城市公共轨道交通发展提出了更加迫切的需求。目前，全球60多个国家的240多个城市正在实施现代有轨电车项目，国内30余城市业已规划50余条现代有轨电车线路。现代有轨电车正逐渐成为改善城市交通拥堵、治理环境污染的重要技术手段。其中，应用具有清洁、环保、高效等突出特点的燃料电池作为主动力源的新型有轨电车技术，相对于储能式供电、第三轨受流、感应式供电等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、近郊联络线以及中小城市的主干线。

在基于燃料电池系统供电的有轨电车混合动力制式中，通常需要结合超级电容、锂电池等储能系统来增强系统动态响应性能，匹配整车动力性需求。其中，超级电容比功率高，大电流充放电循环性能好，但自放电率大，持续放电时间短；而锂电池比能量大，自放电率低，持续充放电较小。因此，融合燃料电池、超级电容、锂电池技术的多动力源混合动力系统成为目前大功率燃料电池有轨电车的主要供电制式，可以充分发挥燃料电池系统的高压储氢续航优势、超级电容系统的高比功率循环充放电性能优势以及锂电池系统的高比能量蓄电性能优势。

此外，在有轨电车混合动力能量管理系统设计中，受车体载重及其可利用空间的制约，需要兼顾整车动力性和燃料经济性，在满足牵引负荷功率需求的基础上，提高混合动力系统能量效率。因此，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，优化混合动力系统能量管理，在保证混合动力系统循环使用寿命的基础上，提升有轨电车续航里程，对于现代有轨电车的实际应用具有非常重要的现实意义。

目前，针对有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力能量管理，一般基于给定行驶工况功率需求进行混合动力功率分配，通过实时性能受限的小波分解或希尔伯特振动分解对给定行驶工况进行信号时频联合分析，作为混合动力系统各动力源级联变换器的参考控制信号。这类能量管理方法从信号分解角度入手，虽然可以通过减小信号分解开窗尺度来提高系统动态响应性能，但由于小波分解和希尔伯特振动分解均不具有实时性特征，并且实际中行驶工况通常是未知的，其预测过程也会引入控制误差，也并未有效考虑多动力源工作特性，因而难以获得多动力系统性能的最佳匹配，限制了该方法的实用性。另外一种能量管理控制策略，以控制母线电压波动为目标，通过比例加权计算混合动力系统参考功率需求，在此基础上进行混合动力系统各动力源功率分配。该类方法需要谨慎设计母线电压波动与混合动力系统参考功率需求之间的映射参数，由于多动力源混合动力系统中存在多个动态响应特性不同的控制系统，因而参数不匹配会导致整车动力系统控制稳定性下降，同时也为整车能流匹配性设计带来困难。

综上所述，既有有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力能量管理系统设计主要从整车动力性能角度出发，并未充分考虑燃料电池、超级电容、锂电池等多动力源工作特性对整车动力性、特别是燃料经济性的影响。特别地，研究表明，作为现代有轨电车主动力源的大功率燃料电池系统，其净输出功率与空气计量比特性密切相关，存在稳态氧饥饿和氧饱和问题，同时，由于空气供给模块固有的机电暂态延迟，会使得燃料电池系统存在暂态氧饥饿和氧饱和问题，在影响燃料电池系统的输出能效的同时，降低燃料电池系统的循环使用寿命。因此，上述混合动力能量管理系统无法有效兼顾整车动力性与燃料经济性。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种有轨电车用燃料电池混合动力模糊自治管理系统，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种有轨电车用燃料电池混合动力模糊自治管理系统，包括信号汇总接收模块、信号汇总发送模块、模糊迟滞状态自治主控模块以及动态差分补偿从控模块；

信号汇总接收模块，被配置为用于通过通信总线交互接收并汇总来自燃料电池系统的工作电流设定信号、超级电容系统的荷电状态信号、锂电池系统的荷电状态信号、牵引驱动系统直流母线的功率需求信号以及锂电池系统级联双向直流变换模块的直流母线电压采样信号；

信号汇总发送模块，被配置为用于汇总并通过通信总线发送燃料电池系统所需的工作电流请求信号、超级电容系统级联双向直流变换模块所需的工作电流请求信号以及锂电池系统级联双向直流变换模块所需的直流母线电压参考信号；

模糊迟滞状态自治主控模块，被配置为用于根据多动力源模糊迟滞状态信息对有轨电车牵引驱动系统功率需求进行自治分配，计算得到燃料电池系统的最优净功率对应工作电流请求信号以及超级电容系统的工作电流请求信号；包括状态迟滞次优功率自治分配计算单元、燃料电池系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元以及超级电容系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元；

状态迟滞次优功率自治分配计算单元，被配置为用于根据不同充放电状态下超级电容系统的荷电状态等级划分，构造超级电容系统荷电状态双迟滞回路，综合超级电容系统工作电流请求信号极性信息，计算不同超级电容荷电状态等级下对应燃料电池系统次优工作电流请求信号，以及超级电容系统初始需求功率参考信号；

燃料电池系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元，被配置为用于通过设计合理的模糊逻辑推理规则，基于超级电容系统和锂电池系统的荷电状态信号，对状态迟滞次优功率自治分配单元计算得到的燃料电池系统次优工作电流请求信号进行修正，得到燃料电池系统最优工作电流请求信号；其输入为归一化的燃料电池系统的次优工作电流请求信号、超级电容系统荷电状态信号以及锂电池系统荷电状态信号，其输出为归一化的燃料电池系统的最优工作电流请求信号；

超级电容系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元，被配置为用于通过设计合理的模糊逻辑推理规则，基于超级电容系统和锂电池系统荷电状态信号，对对超级电容系统所需的功率需求参考信号进行修正，得到超级电容系统级联双向直流变换模块所需的工作电流请求参考信号；其输入为归一化的超级电容系统功率需求参考信号、超级电容系统荷电状态信号以及锂电池系统荷电状态信号，其输出为归一化的超级电容系统级联双向直流变换模块所需的工作电流请求参考信号；

动态差分补偿从控模块，被配置为用于对模糊迟滞状态机主控模块计算得到的超级电容系统初始需求功率参考信号进行动态差分补偿。

优选地，动态差分补偿从控模块，包括燃料电池系统差分电流动态补偿计算单元和牵引驱动系统直流母线差分电压动态补偿计算单元；

燃料电池系统差分电流动态补偿计算单元，被配置为用于根据燃料电池系统所需的工作电流请求信号与燃料电池系统的工作电流设定信号差值，对超级电容系统的初始工作功率参考信号进行耦合前馈差分电流动态比例补偿；

牵引驱动系统直流母线差分电压动态补偿计算单元，被配置为用于根据牵引驱动系统直流母线电压实时采样信号与牵引驱动系统直流母线电压参考设定信号差值，对超级电容系统的初始工作功率参考信号进行耦合前馈差分电压比例下垂补偿。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明通过模糊迟滞状态自治，能够快速跟踪补偿有轨电车时变牵引负荷功率信号，增强有轨电车混合动力系统动态稳定性，在满足整车动力性需求的同时，兼顾超级电容系统荷电状态工作范围迟滞约束和锂电池系统荷电状态工作范围的模糊约束，提升超级电容系统与锂电池系统的循环使用性能；同时，结合有效的燃料电池系统电流差分耦合前馈补偿以及牵引驱动系统直流母线电压差分耦合前馈补偿，加权作用于超级电容系统单元工作功率设定信号，能够实现燃料电池系统最优净功率特性，在提高燃料电池系统输出能效的同时，延长作为主动力源的燃料电池系统循环使用寿命。由此，有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力模糊自治管理系统最终能够实现有轨电车整车动力性与燃料经济性的协同兼顾，提高燃料电池系统、超级电容系统以及锂电池系统的运行性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力系统的工作状态转换示意图。

图3为本发明实施例提供的有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力供电系统的结构示意图。

其中，10-信号汇总接收模块；20-信号汇总发送模块；30-模糊迟滞状态自治主控模块；32-状态迟滞次优功率自治分配计算单元；34-燃料电池系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元；36-超级电容系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元；40-动态差分补偿从控模块；42-燃料电池系统差分电流动态补偿计算单元；44-牵引驱动系统直流母线差分电压动态补偿计算单元；100-燃料电池/超级电容/锂电池混合动力模糊自治管理系统；200-燃料电池/超级电容/锂电池混合动力驱动系统；210-燃料电池系统；220-燃料电池系统级联单向直流变换模块；230-锂电池系统；240-锂电池系统级联双向直流变换模块；250-超级电容系统；260-超级电容系统级联双向直流变换模块；270-牵引驱动系统直流母线正接线端子；280-牵引驱动系统直流母线负接线端子。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

如图1所示，本发明提供一种有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力模糊自治管理系统100，包括信号汇总接收模块10、信号汇总发送模块20、模糊迟滞状态自治主控模块30以及动态差分补偿从控模块40。

信号汇总接收模块10，被配置为用于通过通信总线交互接收并汇总来自燃料电池系统210的工作电流设定信号、来自牵引驱动系统直流母线的功率需求信号、来自锂电池系统230的锂电池系统荷电状态信号、来自锂电池系统级联双向直流变换模块240的直流母线电压采样信号以及来自超级电容系统单元250的超级电容系统荷电状态信号。其中，可采用的通信总线类型包括can总线，modbus总线以及profinet总线等现场通信总线类型。

信号汇总发送模块20，被配置为用于汇总并通过通信总线交互发送燃料电池系统210所需的工作电流请求信号、锂电池系统级联双向直流变换模块240所需的直流母线电压参考信号以及超级电容系统级联双向直流变换模块260所需的工作电流请求信号。其中，可采用的通信总线类型包括can总线，modbus总线以及profinet总线等现场通信总线类型。

模糊迟滞状态自治主控模块30，包括状态迟滞次优功率自治分配计算单元32、燃料电池系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元34以及超级电容系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元36。

模糊迟滞状态自治主控模块30，被配置为用于结合状态迟滞次优功率自治分配计算单元32、燃料电池系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元34、超级电容系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元36以及动态差分补偿从控模块40的功能和交互，根据多动力源模糊迟滞状态信息对有轨电车牵引驱动系统功率需求进行自治分配，计算得到燃料电池系统最优净功率对应工作电流请求信号以及超级电容系统工作电流请求信号，快速跟踪有轨电车时变牵引负荷功率信号，增强有轨电车混合动力系统动态稳定性，在满足整车动力性需求以及燃料电池系统净功率能效提升的同时，兼顾超级电容系统荷电状态工作范围迟滞约束和锂电池系统荷电状态工作范围的模糊约束，提升所述超级电容系统与所述锂电池系统的循环使用性能。

状态迟滞次优功率自治分配计算单元32，被配置为用于根据不同充放电状态下超级电容系统250的荷电状态等级划分，构造超级电容系统荷电状态双迟滞回路，综合超级电容系统工作电流请求信号极性信息，计算不同超级电容系统荷电状态等级下对应燃料电池系统次优工作电流请求信号，以及超级电容系统初始需求功率参考信号，如式(1)-(5)所示，对应的燃料电池/超级电容/锂电池混合动力系统工作状态转换如图2所示。

state1：超级电容系统250的荷电状态低于socmin(sc)。

state2：超级电容系统250的荷电状态处于socmin(sc)与socnom(sc,lower)之间。

state3：超级电容系统250的荷电状态处于socnom(sc,lower)与socnom(sc,upper)之间。

state4：超级电容系统250荷电状态处于socnom(sc,upper)与socmax(sc)之间。

state5：所述超级电容系统250荷电状态高于socmax(sc)。

其中，socmin(sc)、socnom(sc,lower)、socnom(sc,upper)、socmax(sc)分别为超级电容系统的期望最小荷电状态、期望正常荷电状态范围下限、期望正常荷电状态上限以及期望最大荷电状态；ipemfc(req,subopt)、ipemfc(max)、ipemfc(min)分别为信号汇总接收模块10接收的来自燃料电池系统210的次优工作电流请求信号、燃料电池系统210的工作电流上限和工作电流下限；ppemfc(net,max)和ppemfc(net,min)分别为燃料电池系统210的净输出功率上限和净输出功率下限；pload为信号汇总接收模块10接收的来自牵引驱动系统直流母线的功率实时需求信号；ppemfc(net,demand)、paux、ppemfc(req)分别为燃料电池系统210的估计净功率需求、估计辅机功率损耗以及估计实时工作功率需求；ipemfc(opt,oer)为燃料电池系统210的最优估计电流请求信号；psc(charge,nom)、psc(discharge,nom)分别为超级电容系统250的额定充电功率需求和额定放电功率需求；psc(demand)为计算得到的超级电容系统250的初始功率需求信号。

燃料电池系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元34，被配置为用于通过设计合理的模糊逻辑推理规则，基于信号汇总接收模块10接收的来自超级电容系统250和锂电池系统230的荷电状态信号，对状态迟滞次优功率自治分配单元32计算得到的燃料电池系统210的次优工作电流请求信号进行修正，得到信号汇总发送模块20发送的燃料电池系统210所需的最优工作电流请求信号；其输入为状态迟滞次优功率自治分配单元32计算得到的归一化燃料电池系统的次优工作电流请求信号、信号汇总接收模块10接收的来自超级电容系统250和锂电池系统单元230的荷电状态信号，其输出为信号汇总发送模块20发送的燃料电池系统210所需的归一化最优工作电流请求信号。

超级电容系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元36，被配置为用于通过设计合理的模糊逻辑推理规则，基于信号汇总接收模块10接收的来自超级电容系统250和锂电池系统230的荷电状态信号，对超级电容系统250所需的功率需求参考信号进行修正，得到信号汇总发送模块20发送的超级电容系统单元级联双向直流变换单元260所需的工作电流请求参考信号；其中，超级电容系统250所需的功率需求参考信号，由状态迟滞次优功率自治分配单元32计算得到的超级电容系统250的初始功率需求信号经过动态差分补偿模块40补偿修正得到；其输入为超级电容系统250所需的归一化功率需求参考信号、信号汇总接收模块10接收的来自超级电容系统250和锂电池系统230的荷电状态信号，其输出为信号汇总发送模块20发送的超级电容系统级联双向直流变换模块260所需的工作电流请求参考信号。

动态差分补偿从控模块40，被配置为用于对模糊迟滞状态机主控模块30计算得到的超级电容系统250所需的初始需求功率参考信号进行动态差分补偿，以补偿燃料电池系统210的工作电流差分动态响应以及牵引驱动系统直流母线电压差分动态响应对混合动力驱动系统200稳定性的影响；包括燃料电池系统差分电流动态补偿计算单元42和牵引驱动系统直流母线差分电压动态补偿计算单元44。

燃料电池系统差分电流动态补偿计算单元42，被配置为用于根据燃料电池系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元34计算得到的燃料电池系统210所需的工作电流请求信号，以及信号汇总接收模块10接收的来自燃料电池系统210的工作电流设定信号，对超级电容系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元36所需的超级电容系统250的初始工作功率参考信号进行耦合前馈差分电流动态比例补偿，如式(6)所示。

其中，psc(dipc)为燃料电池系统差分电流动态补偿计算单元42最终计算得到的差分电流动态补偿功率；ipemfc(req,opt)与ipemfc(sp,opt)分别为信号汇总发送模块20发送的燃料电池系统210所需的工作电流请求信号和工作电流设定信号；kp和ki分别为差分电流动态补偿比例系数和动态补偿积分系数；δt为积分控制步长。

牵引驱动系统直流母线差分电压动态补偿计算单元44，被配置为用于根据信号汇总接收模块10接收的来自述牵引驱动系统直流母线的电压实时采样信号与电压参考设定信号，对超级电容系统工作电流请求信号模糊逻辑推理修正单元36所需的超级电容系统250的初始工作功率参考信号进行耦合前馈差分电压比例下垂补偿，如式(7)-(9)所示。

其中，psc(dvpc)为牵引驱动系统直流母线的差分电压动态补偿计算单元44最终计算得到的差分电压动态补偿功率；vdc(sample)为信号汇总接收模块10接收的来自牵引驱动系统直流母线的电压实时采样信号；vdc(hlimit,upper)、vdc(hlimit,lower)、vdc(llimit,upper)、vdc(llimit,lower)分别为牵引驱动系统直流母线的差分电压动态补偿特性过压补偿电压上限、过压补偿电压下限、欠压补偿电压上限以及欠压补偿电压下限；mc为牵引驱动系统直流母线的差分电压动态补偿特性斜率；k1、k2、ma、mb分别为牵引驱动系统直流母线的差分电压动态补偿特性斜率相关预设参数；δvdc(dead)为牵引驱动系统直流母线的差分电压动态补偿响应允许死区。

实施例2：

如图3所示，本发明提供了一种应用该模糊自治管理系统的有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力驱动系统200，包括燃料电池系统210、燃料电池系统级联单向直流变换单元220、锂电池系统230、锂电池系统级联双向直流变换单元240、超级电容系统250、超级电容系统级联双向直流变换单元260、牵引驱动系统直流母线正接线端子270、牵引驱动系统直流母线负接线端子280以及燃料电池/超级电容/锂电池混合动力模糊自治管理系统100。

燃料电池系统210包括燃料电池模块或相互串联的多个燃料电池以及相应的集成辅机系统。该燃料电池可选用现有的燃料电池，如质子交换膜燃料电池(pemfc)、碱性燃料电池(afc)、直接甲醇燃料电池(cmfc)等；燃料电池系统210通过与信号汇总发送模块20的通信总线连接交互，接收来自混合动力模糊自治管理系统100发送的燃料电池系统工作电流请求信号，并通过信号汇总接收模块10向混合动力模糊自治管理系统100发送燃料电池系统210的实时工作电流设定信号。

锂电池系统230包括锂电池模块或相互串并联的多个锂电池模块。锂电池系统单元级联双向直流变换单元240，被配置为用于匹配锂电池系统230与牵引驱动系统直流母线之间的工作电压；锂电池系统230通过与信号汇总接收模块10的通信总线连接交互，向混合动力模糊自治管理系统100发送锂电池系统230的实时工作荷电状态信号；锂电池系统级联双向直流变换单元240通过与信号汇总发送模块20的通信总线连接交互，接收来自混合动力模糊自治管理系统100发送的锂电池系统工作电压参考信号。

超级电容系统250包括超级电容模块或相互串并联的多个超级电容模块。超级电容系统级联双向直流变换单元260，被配置为用于匹配超级电容系统250与牵引驱动系统直流母线之间的工作电压；超级电容系统250通过与信号汇总接收模块10的通信总线连接交互，向混合动力模糊自治管理系统100发送超级电容系统250的实时工作荷电状态信号；超级电容系统级联双向直流变换单元260通过与信号汇总发送模块20的通信总线连接交互，接收来自混合动力模糊自治管理系统100发送的超级电容系统工作电流请求信号。

本发明提供的有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力模糊自治管理系统，以及应用该模糊自治管理系统的有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力驱动系统具有以下优点：所述有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力模糊自治管理系统充分考虑有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力驱动系统多动力源工作运行特性，一方面，通过模糊迟滞状态自治，能够快速跟踪补偿有轨电车时变牵引负荷功率信号，增强有轨电车混合动力系统动态稳定性，在满足整车动力性需求的同时，兼顾超级电容系统荷电状态工作范围迟滞约束和锂电池系统荷电状态工作范围的模糊约束，提升所述超级电容系统与所述锂电池系统的循环使用性能；另一方面，结合有效的燃料电池系统电流差分耦合前馈补偿以及牵引驱动系统直流母线电压差分耦合前馈补偿，加权作用于超级电容系统工作功率设定信号，能够实现燃料电池系统最优净功率特性，在提高燃料电池系统输出能效的同时，延长作为主动力源的燃料电池系统循环使用寿命。由此，有轨电车用燃料电池/超级电容/锂电池混合动力模糊自治管理系统最终能够实现有轨电车整车动力性与燃料经济性的协同兼顾，提高燃料电池系统、超级电容系统以及锂电池系统的运行性能。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。