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；
[005引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；
[0059] 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；
[0060] 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；
[0061] 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；
[0062] 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。
[0063] S7、重复步骤S3至S6。
[0064] 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。
[0065] 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。
[0066] 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：
[0067] 口'紛雕=日3*日2+63*日+。3，日^[0，1] (7)
[0068] 当所述的轨道交通用多能源储能系统工作时，首先控制单元通过BMS得到裡离子 电池组模块的参数信息，确定电池组是否出现故障；并通过测量超级电容组模块端电压确 定超级电容组模块电压是否正常。当系统运行时，控制单元从车辆牵引系统得到实时的功 率需求信息，通过能量分配策略控制模块得到能量分配权重系数〇,分别计算得出裡离子电 池组模块与超级电容组模块的电流目标值，输送给各自的直流-直流(DC/DC)变换器模块， 完成能量的分配。
[0069] 能量分配策略如图4所示，首先设定裡离子电池组模块共串并联ml*nl支裡离子电 池单体;超级电容组模块共串并联m2*n2支超级电容组单体，则在假设各裡离子电池单体与 超级电容单体一致性较好的情况下可得到：
[0070] P'紛雕=ml*nl冲衝M雕+m如。冲應翻雕 (1)
[0071 ]上式中P总磯I为多能源储能系统总损耗，Pm池辭为裡离子电池单体损耗，P越鹿额K为 超级电容单体损耗。
[0072]根据图1所示，可W得出裡离子电池单体损耗为：
[0074] 上式中In掛&为裡离子电池单体输出电流(或输入电流），V〇为裡离子电池单体端电 压
[0075] 根据图2，可W得出超级电容单体损耗为：
[007引？應翻雕=I 應i#2*Ru。 （3)
[0077]上式中I趣法#为超级电容单体输出电流(或输入电流），Ruc表示超级电容单体等效 串联内阻。
[007引式(2)，式(3)分别为I衝&、1趣艦的两个方程，因此设
[0080] 则式(2)，式(3)可改写为 f'%兔蒲演鞍严遂2 兔蒲2夺^錢说娘夺句
[0081 ] I 辟 …-S *. T 另 I '^賴嫉带'藉續耗…?? ?' $聽報电籍' … 抖)
[0082]设定能量分配系数a, a是0到1之间的小数，即a = l时，能量完全由裡离子电池组模 块来提供;Q = O时，能量完全由超级电容组模块来提供，则有下式： I 重键电雄护譲求*沒/巧畫瑕殺缠:私絞巧 []1?娛叛咨^ ^至-议身/撕渡溪狼溶缀*錦 (5)
[0084] 上式中Pst为控制单元从车辆牵引系统得到的列车瞬时功率需求，V?i継&与V趣姥翻 分别为从电能变换拓扑电路一与电能变换拓扑电路二得到的裡电池组模块总电压与超级 电容组模块总电压
[0085] 将(5)代入(4)，可将仅有的两个变量I继她、I越鹿#替换成唯一变量a,得到下式；
[0087]将(6)式代入(1)式，可得所述多能源储能系统总损耗为关于a的方程，设
[0089] 则可得所述多能源储能系统总损耗为：
[0090] 口'紛雕=日3*日2+63*日+。3，日^[0，1] (7)
[0091] 因此求所述多能源储能系统最小总损耗的能量分配系数a,即转化为对(7)式的方 程最小值求解，其中自变量a取值范围为0-1。求解该方程最小值即可得到能量分配系数曰。 之后将a代入公式(5)可求出与I趣姥容，即可得到裡离子电池组模块与超级电容组模块 的电流目标值为： W092] 键鬻乎电證鷄樣煤电演資稼滾搜电澈W 聽潔怒黎级猿攘海滾資徐濱^ ^溝潔电寄
[0093] 判断裡离子电池组模块电流目标值是否小于裡离子电池最大充放电电流保护值， 若小于，则更新该a值;若大于，则放弃该a值。
[0094] 将裡离子电池组模块电流目标值与超级电容组模块电流目标值分别发送至各自 的直流-直流(DC/DC)变换器模块，将实时的功率需求分配给动力裡离子电池组模块与超级 电容组模块，使裡离子电池模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%]综上所述，本发明能良好地使轨道交通用多能源储能系统在满足轨道车辆用电工 况的前提下，尽可能减小储能系统的损耗，提高储能系统的整体效率。
[0096] W上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细描述说明，不能 认定本发明的具体实施只局限于运些说明。对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说 在不脱离本发明构思的前提下，还可W做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明 的保护范围。
[0097] 本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1. 一种轨道交通用多能源储能系统，包括:锂离子电池组模块、超级电容组模块、直流-直流变换器模块、电池管理系统和控制单元； 所述锂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； 所述锂离子电池组模块由锂离子电池单体组成，超级电容组模块由超级电容单体组 成； 所述直流-直流变换器模块，包括将锂离子电池组模块的电能输送到直流母线的电能 变换拓扑电路一，以及用于将超级电容组模块的电能输送到直流母线的电能变换拓扑电路 -* * 所述电池管理系统用于实时监控单体电池状态和采集锂离子电池组模块信息； 所述控制单元用于监控电能变换拓扑电路运行状态以及发送控制命令。2. 如权利要求1所述的轨道交通用多能源储能系统，其特征在于:所述电能变换拓扑电 路一包括电力电子开关器件和锂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。3. 如权利要求1所述的轨道交通用多能源储能系统，其特征在于: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； 所述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、剩余荷电状态和温度数据，对锂离子电池组 进行状态评估。4. 一种轨道交通用多能源储能系统能量分配策略，包括以下步骤： 51、 通过充放电设备对组成锂离子电池组模块的锂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，对锂离子电池单体模型与超 级电容单体模型的模型参数进行模型辨识，得出锂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，进而得到锂离子电池组模块与超级电容组模块的数学模型； 52、 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； 53、 在所述轨道交通用多能源储能系统工作时，基于锂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； 54、 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α，α为能量分配系数； 55、 判断在能量分配系数α下，分配能量给锂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α值;若不符合，则丢掉该次的α值； 56、 通过α值分别计算出锂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-直流变换器模块实现该电流目标值，使锂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； 57、 重复步骤S3至S6。5. 如权利要求4所述的轨道交通用多能源储能系统，其特征在于：所述的模型辨识是 指，通过matlab软件的模型辨识工具箱对锂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。6. 如权利要求4所述的轨道交通用多能源储能系统，其特征在于:所述的损耗方程为： 锂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。7. 如权利要求4所述的轨道交通用多能源储能系统，其特征在于：步骤S4中，所述的能 量分配系数α通过如下方程求解最小值取得： Ρ总搬=a3*a2+b3*a+c3，α Ε [ 〇，1 ]。
【专利摘要】本发明涉及一种轨道交通用多能源储能系统和能量分配策略。轨道交通用多能源储能系统包括锂离子电池组模块、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。轨道交通用多能源储能系统能量分配策略包括：通过充放电设备对锂离子电池单体与超级电容单体进行充放电测试，得到锂离子电池组模块与超级电容组模块的数学模型；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；通过查表，实时计算出不同分配结果下锂电池组模块与超级电容组模块的总损耗最小值，以此作为依据得到两种储能元件的能量分配策略，在满足轨道车辆用电工况的前提下，尽可能减小储能元件损耗，提高系统整体效率。
【IPC分类】H02J3/32
【公开号】CN105576683
【申请号】CN201610013371
【发明人】程龙, 吴健, 张维戈, 孟学东, 韩耸
【申请人】北京北交新能科技有限公司
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2016年1月11日