本發(fā)明涉及多能源耦合儲能的容量配置研究，特別是涉及應(yīng)用于軌道交通車載混合儲能系統(tǒng)的容量配置方法。

背景技術(shù)：

根據(jù)軌道交通動力系統(tǒng)需求，選擇具有長壽命、寬溫度范圍、高倍率等特性的車載儲能系統(tǒng)，不僅響應(yīng)國家節(jié)能、環(huán)保的號召，還可以降低人工維護成本，符合我國鐵路建設(shè)的長遠規(guī)劃目標(biāo)。電池以其高能量密度、可模組化、可靠性等優(yōu)點成為目前最常用的儲能元件，但是其溫度特性差、低循環(huán)壽命、低功率密度等缺點限制了電池儲能的工作效率。在軌道交通中采用單一電池儲能的方案將導(dǎo)致電池經(jīng)常工作在大電流和高功率的工況，這將大大減少電池的循環(huán)壽命和可靠性。為了匹配軌道交通列車的功率需求，只能提高電池儲能的容量，這將使系統(tǒng)的成本、體積、重量增加。

與電池相比，超級電容具有高功率密度、長循環(huán)壽命、溫度特性好、但是低能量密度的特點，對于需求高能量的軌道交通動力系統(tǒng)而言也不能滿足需求。

對于特定的儲能元件，其功率特性和能量特性與儲能元件本身電壓、內(nèi)阻、容量等指標(biāo)內(nèi)在的聯(lián)系在一起，是由其物理、化學(xué)特性決定的，在制造工藝受限情況下，元件性能無法兼顧功率性和能量性，單一的儲能元件為解決這一問題，只能提高配比容量，這將導(dǎo)致儲能元件成本、體積的增加。

為了解決儲能系統(tǒng)功率和能量的矛盾，選用兩種或者更多類型的儲能元件混合使用組成的混合儲能系統(tǒng)，可實現(xiàn)功率型儲能元件和能量型儲能元件的特性互補，匹配軌道交通動力系統(tǒng)的功率需求和能量需求。電池與超級電容混合儲能作為城市軌道交通列車動力系統(tǒng)能量的來源，通過控制可以讓電池和超級電容特性互補，從而可以保證列車牽引加速時對儲能系統(tǒng)的功率需求，同時還能滿足列車長距離牽引的能量需求。采用高功率密度的超級電容和高能量密度的鋰離子電池混合使用，超級電容儲能主要用來提供牽引加速和吸收制動回饋時的高頻、尖峰功率，鋰離子電池儲能主要用來維持列車運行，工作于低頻、低功率模式，延長了鋰離子電池的壽命。電池與超級電容構(gòu)成的混合儲能系統(tǒng)作為城市軌道交通列車能量的來源，其容量配置需要滿足列車牽引的能量需求和功率需求。發(fā)揮各儲能元件的長處來匹配軌道交通動力系統(tǒng)的功率需求和能量需求，可以提高儲能系統(tǒng)的運行效率和使用壽命，解決了單一儲能元件特性受限的問題。

因此，從能量需求和功率需求的角度考慮，以高比功率型儲能元件超級電容和高比能量型儲能元件鋰離子電池構(gòu)成的混合儲能系統(tǒng)是解決軌道交通儲能系統(tǒng)功率和能量矛盾問題的最佳方案。為充分滿足鐵路列車輕量化的目標(biāo)，需要對車載混合儲能系統(tǒng)的重量問題進行優(yōu)化，對超級電容和鋰離子電池進行容量的優(yōu)化配置，在匹配列車牽引需求的同時最大程度的降低車載混合儲能系統(tǒng)的重量。

但是，由于不同的儲能元件功率密度和能量密度各不相同，不同車型、不同牽引工況對儲能系統(tǒng)的需求也不同，為減小車載混合儲能系統(tǒng)的重量，需要對混合儲能系統(tǒng)進行容量的優(yōu)化配置以滿足列車輕量化的指標(biāo)，提高運行效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于軌道交通車載混合儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置方法，該方法在滿足列車牽引需求的同時，以車載混合儲能系統(tǒng)的重量作為優(yōu)化目標(biāo)，通過優(yōu)化計算制定出不同類型儲能元件耦合的優(yōu)化容量配置方案。該方法可以用于以車載混合儲能系統(tǒng)重量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，在匹配列車牽引需求的同時最大限度的減小車載混合儲能系統(tǒng)的重量，提高列車運行效率。

為達到以上目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

應(yīng)用于軌道交通車載混合儲能系統(tǒng)的容量配置方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，定義重量權(quán)重因子α和充電能量權(quán)重因子q：

將所述重量權(quán)重因子α定義為列車的車載混合儲能系統(tǒng)中某一種儲能元件重量占車載混合儲能系統(tǒng)總重量的比重；

則另外的一種或幾種儲能元件占車載混合儲能系統(tǒng)總重量的比重為1-α；所述重量權(quán)重因子α用于車載混合儲能系統(tǒng)重量分配；0≤α≤1；

將所述充電能量權(quán)重因子q定義為列車的車載混合儲能系統(tǒng)中能量型儲能元件在列車減速進站充電時的充電深度(即該能量型儲能元件的充電能量占該能量型儲能元件的額定能量的比重)；0≤q≤1；

步驟2，以列車的牽引工況信息、重量權(quán)重因子α、充電能量權(quán)重因子q、車載混合儲能系統(tǒng)中各儲能元件的能量密度值、充電功率密度和放電功率密度為輸入量，代入如下(a)、(b)和(c)三個條件的每一個中：

(a)車載混合儲能系統(tǒng)能量需求的邊界條件，

(b)車載混合儲能系統(tǒng)充電功率需求的邊界條件，

(c)車載混合儲能系統(tǒng)放電功率需求的邊界條件，

分別獲得一個車載混合儲能系統(tǒng)總重量的邊界值，記錄三個車載混合儲能系統(tǒng)總重量的邊界值中的最大值作為本次重量權(quán)重因子α和充電能量權(quán)重因子q分配下實際需要配置的車載混合儲能系統(tǒng)總重量；

步驟3，通過優(yōu)化計算調(diào)節(jié)重量權(quán)重因子α和充電能量權(quán)重因子q的大小制定不同的車載混合儲能系統(tǒng)(即車載混合儲能系統(tǒng)中儲能元件的類型不同)的實際需要配置的車載混合儲能系統(tǒng)總重量，經(jīng)過制圖比對，獲得最佳容量配置方案。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，步驟2中，所述牽引工況信息包括列車的牽引功率峰值pt、制動功率峰值pch、和全程牽引能耗值ed。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，步驟2中，車載混合儲能系統(tǒng)能量需求的邊界條件為：

為滿足列車續(xù)航需求，列車每次減速進站車載混合儲能系統(tǒng)充電的計劃能量值大于或等于每站平均充電能量。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述列車每次減速進站車載混合儲能系統(tǒng)充電的計劃能量值為列車的制動回饋能量和充電站能量之和；

所述每站平均充電能量為全程牽引能耗值ed減去車載混合儲能系統(tǒng)初始能量值e0后，除以列車運行全程充電站個數(shù)n得到的平均到每一站的能量值。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，步驟2中，車載混合儲能系統(tǒng)充電功率需求的邊界條件為：

為滿足列車充電功率需求，車載混合儲能系統(tǒng)中各儲能元件的充電功率值大于或等于其進站充電功率。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述進站充電功率為根據(jù)充電能量權(quán)重因子q、制動功率峰值pch和車載混合儲能系統(tǒng)中儲能元件能量密度值計算得到的；

所述充電功率值為根據(jù)重量權(quán)重因子α、車載混合儲能系統(tǒng)的總重量和車載混合儲能系統(tǒng)中儲能元件充電功率密度計算得到的。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，步驟2中，車載混合儲能系統(tǒng)放電功率需求的邊界條件為：

為滿足列車放電功率需求，車載混合儲能系統(tǒng)放電功率pdis大于或等于牽引功率峰值pt。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，車載混合儲能系統(tǒng)放電功率pdis為車載混合儲能系統(tǒng)各儲能元件放電功率之和，

車載混合儲能系統(tǒng)各儲能元件放電功率根據(jù)重量權(quán)重因子α、車載混合儲能系統(tǒng)的總重量和放電功率密度計算。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述車載混合儲能系統(tǒng)包括能量型儲能元件(如鋰離子電池)、和如下兩種儲能元件中的至少一種：

功率型儲能元件(如超級電容)和能量兼顧功率型儲能元件；

優(yōu)選的，所述車載混合儲能系統(tǒng)由超級電容和鋰離子電池組成。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，步驟3采用基于枚舉法的尋優(yōu)策略進行。

優(yōu)選的，基于枚舉法的尋優(yōu)策略通過改變重量權(quán)重因子α和充電能量權(quán)重因子q全局尋優(yōu)，通過輸入不同類型(功率型、能量型、功率兼顧能量型)儲能元件參數(shù)得到不同類型儲能元件配比結(jié)果。

本發(fā)明的有益效果如下：

采用本發(fā)明所述方案可以實現(xiàn)車載混合儲能系統(tǒng)容量的優(yōu)化配置，在滿足列車牽引系統(tǒng)能量和功率需求的同時，又能減小車載混合儲能系統(tǒng)重量，提高列車運行效率。

本發(fā)明針對軌道交通車載混合儲能系統(tǒng)，從多能源耦合容量配置的角度，以車載混合儲能系統(tǒng)輕量化作為優(yōu)化目標(biāo)，提取牽引工況信息，計算車載混合儲能系統(tǒng)總重量的邊界條件，通過枚舉法全局尋優(yōu)制定不同的配置方案，為車載混合儲能容量配置提供新的思路。本發(fā)明所述方案可以實現(xiàn)由不同類型儲能元件(能量型、功率型、能量兼顧功率型)構(gòu)成的混合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置，在滿足牽引系統(tǒng)功率和能量需求的前提下又保證車載混合儲能系統(tǒng)重量的輕量化，充分發(fā)揮不同類型儲能元件互補的優(yōu)越性，為軌道交通車載混合儲能容量的優(yōu)化配置又提供一種新的方法。

附圖說明

本發(fā)明有如下附圖：

圖1為一種軌道交通車載動力系統(tǒng)及站內(nèi)充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2為基于枚舉法的尋優(yōu)策略。

圖3為車載混合儲能系統(tǒng)的能量需求、充電功率需求和放電功率需求的邊界條件計算方法的示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

實施例1、應(yīng)用于軌道交通車載混合儲能系統(tǒng)的容量配置方法

本實施例中的車載混合儲能系統(tǒng)由能量型儲能元件鋰離子電池(圖1中的電池系統(tǒng))和功率型儲能元件超級電容(圖1中的電容系統(tǒng))組成。

本實施例中的軌道交通車載動力系統(tǒng)及站內(nèi)充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖，如圖1所示。

如圖2和圖3所示，本實施例中，應(yīng)用于軌道交通車載混合儲能系統(tǒng)的容量配置方法，包括如下步驟：

步驟一，定義重量權(quán)重因子α和充電能量權(quán)重因子q：

將所述重量權(quán)重因子α定義為列車的車載混合儲能系統(tǒng)中超級電容的重量占車載混合儲能系統(tǒng)總重量的比重；

將所述充電能量權(quán)重因子q定義為列車的車載混合儲能系統(tǒng)中鋰離子電池在列車減速進站充電時的充電深度；即鋰離子電池的充電能量占該鋰離子電池的額定能量的比重；

步驟二，以列車的牽引工況信息(牽引功率峰值pt、制動功率峰值pch(列車制動的時候能量回饋給儲能元件充電)、和全程牽引能耗值ed)、重量權(quán)重因子α、充電能量權(quán)重因子q、車載混合儲能系統(tǒng)中各儲能元件(超級電容和鋰離子電池)的能量密度值、充電功率密度和放電功率密度為輸入量，代入如下(a)、(b)和(c)三個條件的每一個中：

(a)車載混合儲能系統(tǒng)能量需求的邊界條件，

(b)車載混合儲能系統(tǒng)充電功率需求的邊界條件，

(c)車載混合儲能系統(tǒng)放電功率需求的邊界條件，

分別輸出一個車載混合儲能系統(tǒng)總重量的邊界值，記錄三個車載混合儲能系統(tǒng)總重量的邊界值中的最大值作為本次重量權(quán)重因子α和充電能量權(quán)重因子q分配下實際需要配置的車載混合儲能系統(tǒng)總重量；

步驟三，采用基于枚舉法的尋優(yōu)策略(如圖2所示)通過優(yōu)化計算調(diào)節(jié)重量權(quán)重因子(α)和充電能量權(quán)重因子(q)的大小制定不同的車載混合儲能系統(tǒng)的實際需要配置的車載混合儲能系統(tǒng)總重量，經(jīng)過制圖比對，獲得最佳容量配置方案。

如圖3所示，車載混合儲能系統(tǒng)能量需求的邊界條件的計算方法如下：

步驟1、提取全程牽引能耗值ed和車載混合儲能系統(tǒng)初始能量值e0：

其中，

式(1)中，

ebatt為鋰離子電池能量密度值，

euc為超級電容能量密度值，

mhess為車載混合儲能系統(tǒng)總重量，

α為定義的重量權(quán)重因子，即超級電容占車載混合儲能系統(tǒng)總重量的比重。

步驟2、將全程牽引能耗值ed減去車載混合儲能系統(tǒng)初始能量值e0后可得平均到每一站的能量值(即每站平均充電能量)echars：

式(2)中，n為列車運行全程充電站個數(shù)。

步驟3、計算列車每次減速進站車載混合儲能系統(tǒng)充電的計劃能量值(即每站計劃充電能量)echar，即制動回饋能量與充電站能量之和：

echar＝[q×(1-α)×ebatt+α×euc]×mhess(3)。

步驟4、為滿足列車續(xù)航需求，列車每次減速進站車載混合儲能系統(tǒng)充電的計劃能量值要大于或等于平均到每一站的能量值(即每站平均充電能量)，即：

echars≤echar(4)；

將式(1)、(2)和(3)代入式(4)，計算得到：

將這個條件即式(4)定義為車載混合儲能系統(tǒng)能量需求的邊界條件。

如圖3所示，車載混合儲能系統(tǒng)充電功率需求的邊界條件的計算方法如下：

步驟1、提取制動功率峰值pch，根據(jù)充電能量權(quán)重因子q分別計算車載混合儲能系統(tǒng)中各個儲能元件的進站充電功率，其中：

pbchs:pucchs＝q×(1-α)×ebatt:α×euc(6)；

式(6)中，pbchs為鋰離子電池的進站充電功率，pucchs為超級電容的進站充電功率；則：

步驟2、分別計算車載混合儲能系統(tǒng)中各個儲能元件的充電功率值：

式(8)中，pbatt_char為鋰離子電池的充電功率密度，puc_char為超級電容的充電功率密度，pbattch為鋰離子電池的充電功率值，pucch為超級電容的充電功率值。

步驟3、為滿足列車充電功率需求，車載混合儲能系統(tǒng)中各儲能元件的充電功率值要大于或等于其進站充電功率，將這個條件定義為車載混合儲能系統(tǒng)充電功率需求的邊界條件，將式(7)和式(8)代入該條件中，即可得到：

如圖3所示，車載混合儲能系統(tǒng)放電功率需求的邊界條件的計算方法如下：

步驟1、提取列車牽引行駛時的實際峰值功率值即牽引功率峰值pt。

步驟2、分別計算各個儲能元件的放電功率：

則車載混合儲能系統(tǒng)放電功率pdis為：

pdis＝pbattdis+pucdis(11)

其中，pbatt_dis為鋰離子電池的放電功率密度，puc_dis為超級電容的放電功率密度，pbattdis為鋰離子電池的放電功率，pucdis為超級電容的放電功率。

步驟3、為滿足列車放電功率需求，車載混合儲能系統(tǒng)放電功率pdis要大于或等于牽引時的實際峰值功率值即牽引功率峰值pt，將這個條件定義為車載儲能系統(tǒng)放電功率需求的邊界條件，得到：

如圖2所示，基于枚舉法的尋優(yōu)策略以制定出不同的車載混合儲能系統(tǒng)容量配置方案，具體如下：

步驟1、設(shè)置α＝0(α∈[0,1])，q＝0(q∈[0,1])，定義重量權(quán)重因子更新步長為k，充電能量權(quán)重因子更新步長為kk，采用枚舉法進行尋優(yōu)；

步驟2、按照上述方法計算車載混合儲能系統(tǒng)的3個邊界條件：能量需求的邊界條件、充電功率需求的邊界條件、放電功率需求的邊界條件；

步驟3、將儲能元件參數(shù)(ebatt、euc、pbatt_char、puc_char、pbatt_dis、puc_dis)和已知權(quán)重因子(α、q)以及牽引工況信息(ed、pt、pch)代入公式(5)、(9)、(11)中，計算得出三個車載混合儲能系統(tǒng)總重量的邊界值；

步驟4、由于實際需要配置的車載混合儲能系統(tǒng)總重量需要大于或等于步驟3中三個邊界值中的最大值才能保證滿足列車的牽引需求，記錄本次權(quán)重(即重量權(quán)重因子和充電能量權(quán)重因子)分配下實際需要配置的車載混合儲能系統(tǒng)總重量為車載混合儲能系統(tǒng)總重量的邊界值中的最大值；

步驟5、更新q，q＝q+kk；

步驟6、循環(huán)步驟2至5，當(dāng)q＝1，執(zhí)行步驟7；

步驟7、更新α＝α+k，清零q；

步驟8、循環(huán)步驟2至7，當(dāng)α＝1且q＝1，執(zhí)行步驟9；

步驟9、改變儲能元件參數(shù)，循環(huán)步驟1～8；

步驟10、記錄枚舉尋優(yōu)數(shù)據(jù)(即權(quán)重(即重量權(quán)重因子和充電能量權(quán)重因子)分配下實際需要配置的車載混合儲能系統(tǒng)總重量為車載混合儲能系統(tǒng)總重量的邊界值中的最大值)，通過matlab制圖對比得到最佳的車載混合儲能系統(tǒng)容量配置方案。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。

本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。