一种轨道交通用多能源储能系统和能量分配策略的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种轨道交通用多能源储能系统和能量分配策略，特别是一种基于系 统最小损耗控制的轨道交通用多能源储能系统和能量分配策略。
【背景技术】
[0002] 目前，轻轨车辆由于采用传统的牵引电网供电，密集布置的牵引电网影响了城市 的美化，并且牵引电网建设的投资较大，采用不控整流技术的牵引电网无法吸收车辆的制 动能量。研究无牵引电网的城市轻型轨道车辆，可W解决上述问题，对降低城市轨道交通的 运行成本具有重大意义。
[0003] 在轨道交通车辆上加装独立供电电源为列车运行提供能量，维持系统运行，可达 到节能减排与减少城市牵引网视觉污染等问题。裡离子电池由于其较高的能量密度，采用 裡电池系统作为动力源将成为轨道交通领域未来发展的趋势，但同时，由于轨道车辆的瞬 时功率需求较大，而裡离子电池对瞬时大电流充放电较为敏感，若单独使用会减少裡离子 电池的使用寿命，因此采用高功率密度的超级电容加 W补偿可W取得良好的运行效果。
[0004] 裡离子电池与超级电容混合储能系统作为轻轨车辆的驱动能量来源，可W兼顾电 池高能量密度和超级电容高功率密度的特点，可W保证车辆加速过程中与制动过程中对储 能系统的功率需求，同时还能满足车辆长距离牵引的能量需求。
[0005] 对于轨道交通用裡离子电池与超级电容混合储能系统来说，其应用场合还没有完 全普及。目前工程应用中用到的能量分配策略为逻辑口限控制，即设定裡离子电池的最大 充放电电流，当列车能量需求超过该电流值时，则使用超级电容作为补充，该种控制策略结 构简单，易于实施，但没有考虑到储能系统的损耗问题，整体系统效率利用率不高。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种轨道交通用多能源储能 系统和能量分配策略，W实现多能源储能系统在满足轨道车辆用电的前提下，尽可能减少 储能元件的损耗，提高系统的整体效率。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
[000引一种轨道交通用多能源储能系统，包括:裡离子电池组模块、超级电容组模块、直 流-直流(DC/DC)变换器模块、电池管理系统和控制单元；
[0009] 所述裡离子电池组模块与超级电容组模块用于为轨道车辆的牵引运行提供能量， 并在车辆制动刹车时回收部分能量；
[0010] 所述裡离子电池组模块由裡离子电池单体组成，超级电容组模块由超级电容单体 组成；
[0011] 所述直流-直流变换器模块，包括将裡离子电池组模块的电能输送到直流母线化C BUS)的电能变换拓扑电路一，
[0012] W及用于将超级电容组模块的电能输送到直流母线(DC BUS)的电能变换拓扑电 路二，
[0013] 所述电能变换拓扑电路一包括电力电子开关器件和裡离子电池组模块接口，所述 电能变换拓扑电路二包括电力电子开关器件和超级电容组模块接口；
[0014] 所述电池管理系统（BMS = Battery Management System)用于实时监控单体电池状 态和采集裡离子电池组模块信息；
[0015] 所述控制单元用于监控电能变换拓扑电路运行状态W及发送控制命令。
[0016] 所述控制单元包括能量分配策略控制模块和状态评估模块，
[0017] 能量分配策略控制模块用于根据车辆实时能量需求进行能量分配，状态评估模块 用于根据电池管理系统获取的电池电压、电流、剩余荷电状态(S0C:S化te Of化arge)和溫 度数据，对裡离子电池组进行状态评估。
[0018] -种轨道交通用多能源储能系统能量分配策略，包括W下步骤：
[0019] S1、通过充放电设备对组成裡离子电池组模块的裡离子电池单体与组成超级电容 组模块的超级电容单体进行充放电测试，通过对测试数据的计算，对裡离子电池单体模型 与超级电容单体模型（如图1、图2所示）的模型参数(参数指图1和/或图2中电器元件的参 数)进行模型辨识，得出裡离子电池单体与超级电容单体在不同剩余电量下的数学模型参 数，进而得到裡离子电池组模块与超级电容组模块的数学模型；
[0020] S2、通过线性化，将得到的数学模型参数制成基于剩余电量的数据表格，存储在控 制单元内；
[0021] S3、在所述轨道交通用多能源储能系统工作时，基于裡离子电池组模块与超级电 容组模块的数学模型分别建立损耗方程；
[0022] S4、合并两个损耗方程为系统总损耗方程，并对其求解方程最小值，得到方程在最 小值情况下的唯一自变量a，〇为能量分配系数；
[0023] S5、判断在能量分配系数a下，分配能量给裡离子电池组模块与超级电容组模块是 否符合各自的边界条件，若符合，则更新a值;若不符合，则丢掉该次的a值；
[0024] S6、通过a值分别计算出裡离子电池组模块与超级电容组模块的输出电流或输入 电流目标值，并通过各自的直流-直流(DC/DC)变换器模块实现该电流目标值，使裡离子电 池组模块与超级电容组模块共同为轨道车辆的运行提供能量或吸收能量。
[00巧]S7、重复步骤S3至S6。
[0026] 步骤Sl中，所述的模型辨识是指，通过matlab软件的模型辨识工具箱对裡离子电 池单体模型与超级电容单体模型的模型参数进行辨识。
[0027] 步骤S3中，所述的损耗方程为:裡离子电池组模块的损耗量方程与超级电容组模 块的损耗量方程。
[00%]步骤S4中，所述的能量分配系数a通过如下方程求解最小值取得：
[0029] P'紛雕=日3柳2+b3柳+C3，ae [0,1] (7)
[0030] 本发明能够取得的技术效果：
[0031] 本发明所述的轨道交通用多能源储能系统和能量分配策略，能在满足轨道车辆用 电工况的前提下，尽可能减少储能元件的总损耗，将车辆能量需求合理的分配给裡离子电 池组模块与超级电容组模块，提高该系统的整体效率。
【附图说明】
[0032] 下面结合附图对发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明；
[0033] 图1裡离子电池单体的等效电路模型；
[0034] 图2超级电容单体的等效电路模型；
[0035] 图3轨道交通用多能源储能系统框图；
[0036] 图4轨道交通用多能源储能系统能量分配策略框图；
【具体实施方式】
[0037] W下结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0038] 如图3所示，本发明中公开的一种轨道交通用多能源储能系统，
[0039] 包括:裡离子电池组模块、超级电容组模块、直流-直流(DC/DC)变换器模块、电池 管理系统和控制单元；
[0040] 所述裡离子电池组模块与超级电容组模块用于为轨道车辆的牵引运行提供能量， 并在车辆制动刹车时回收部分能量；
[0041] 所述裡离子电池组模块由裡离子电池单体组成，超级电容组模块由超级电容单体 组成；
[0042] 所述直流-直流变换器模块，包括将裡离子电池组模块的电能输送到直流母线化C BUS)的电能变换拓扑电路一，
[0043] W及用于将超级电容组模块的电能输送到直流母线(DC BUS)的电能变换拓扑电 路二，
[0044] 所述电能变换拓扑电路一包括电力电子开关器件和裡离子电池组模块接口，所述 电能变换拓扑电路二包括电力电子开关器件和超级电容组模块接口；
[0045] 所述电池管理系统（BMS = Battery Management System)用于实时监控单体电池状 态和采集裡离子电池组模块信息；
[0046] 所述控制单元用于监控电能变换拓扑电路运行状态W及发送控制命令。
[0047] 所述控制单元包括能量分配策略控制模块和状态评估模块，
[0048] 能量分配策略控制模块用于根据车辆实时能量需求进行能量分配，状态评估模块 用于根据电池管理系统获取的电池电压、电流、剩余荷电状态(S0C:S化te Of化arge)和溫 度数据，对裡离子电池组进行状态评估。
[0049] 裡离子电池组模块由裡离子电池单体组成，首先对裡离子电池单体进行建模。本 发明采用一阶Thevenin模型作为裡离子电池单体的等效电路模型，如图1所示为一阶 化evenin模型的电路结构，其中Vo表示电池端电压，Io表示电池输出电流，Voct表示开路电 压，Ro表示欧姆内阻，Cp表示极化电容，I?P表示极化电阻，Vp表示极化电压。基于电路模型原 理，利用测得的电池电压电流数据，可W将电池模型参数欧姆内阻Ro,极化电容Cp,极化电阻 化通过计算与参数辨识得到。
[0050] 首先将裡离子电池单体SOC (剩余电量)从0 %至100 %分成20等分，每5 % SOC变化 进行一次测试。例如，当电池单体SOC处于0 %状态时，对其进行Io = IC(倍率)充电，充电至 SOC达到5%为止，之后静止一小时，可得W下模型参数的数据表：
[0052] 上式中，Vo(O)为裡电池单体初始端电压，Vo(I)为裡电池单体充电I秒后的端电压， Vc#止为充电至SOC达到5%静止一小时后裡电池单体端电压，使用matlab软件的模型辨识工 具箱通过对Vp数据表进行参数辨识，可W得到模型参数化与Cp。
[0053] 将上述实验进行20次，可得到裡离子电池单体SOC每5 %-段的裡离子电池单体模 型参数￥〇"、則八。、化，将其数据表通过1113*136软件线性化工具箱进行线性化，可得到裡离子 电池单体SOCO % -100 %的近似模型参数。
[0054] 超级电容组模块由超级电容单体组成，对超级电容单体进行建模。本发明采用电 容串联等效串联内阻的模型作为超级电容单体的电路模型，如图2所示，其中Vo表示超级电 容端电压，Io表示超级电容输出电流，Vu。表示开路电压，Ru。表示超级电容单体等效串联内 阻。
[0055] 等效串联内阻Ruc的测试采用恒流充放电试验。将超级电容静止1分钟，之后对其进 行放电实验。静止末端超级电容单体端电压与放电开始后IOms时的超级电容单体端电压电 压之差A U与放电电流的比值即为在该超级电容单体的等效串联内阻Rue。
[0056] -种轨道交通用多能源储能系统能量分配策略，该控制策略步骤包括：
[0057] Sl、通过充放电设备对组成裡离子电池组模块的裡离子电池单体与组成超级电