[发明专利]燃料电池超级电容混合动力机车参数匹配优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及大功率燃料电池/超级电容混合动力机车技术，尤其是混合动力机车能量管理优化控制技术领域。 

背景技术

具有中等运量的机车是对地铁、轻轨、公交系统的有效补充，是形成生态化、一体化交通体系的重要组成部分，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。虽然无接触网机车技术可避免架设全线接触网，但无法摆脱牵引供电系统，仍需配备牵引变电站、受流站点等。燃料电池技术是一种清洁能源技术，具有高效、环保等特点，被称为是21世纪最有前途的“绿色能源”技术，已受到世界各国的高度重视，在我国属国家能源领域的重点研发技术。燃料电池机车是国外正在研究的最新机车技术，其特点是完全摆脱牵引供电系统，且燃料电池通过电化学反应发电，产物只有水，做到了真正意义的零排放。同时，燃料电池是通过温和的电化学反应发电，不经过燃烧过程，系统电效率高达45～50％。 

因此，燃料电池/超级电容混合动力机车技术，将采用清洁、环保、高效的氢能作为动力，超级电容又可回收利用电车的再生制动能量，推动机车技术朝着绿色、高效、无牵引供电系统方向发展，具有良好的节能减排效果。 

燃料电池系统输出功率变化需要实时调整氢气和空气供应系统以及水循环散热系统，其动态响应相对较慢，持续发电能量强。而超级电容动态响应特性好，峰值功率高，但持续放电时间短。将二者通过耦合构建混合动力系统，可以充分发挥燃料电池和超级电容的优势，用以驱动机车实现无接触网运行。然而，对于混合动力机车在启动、加速、平稳运行、制动、停车等不同工况条件下，如何根据工况条件和动力系统状态进行燃料电池系统和超级电容系统之间能量调 度，使燃料电池保持平稳、高效运行的同时，确保超级电容充放电安全管理和有效的制动能量回收，避免超级电容过充过放，是一个复杂而又极其重要的问题。必须针对不同工况设定不同控制方法，考虑混合动力机车的制动能量有效回收、燃料经济性、燃料电池使用寿命，保证机车安全、平稳运行。 

现有的混合动力驱动系统能量管理控制方法大多采用基于规则策略中的逻辑门限方法，是以保护蓄电池或超级电容为主要目的。另外一种功率分配策略，其总体原则是通过限制蓄电池或超级电容的充放电功率实现不同电源间的功率分配，即将蓄电池或超级电容的充放电功率限制在一定范围内。这些方法的优点在于执行速度较快，但规则的制定通常依赖于专家经验、已知系统数学模型和试验测试结果等，不能保证车内能量流获得最佳匹配，无法获得最佳燃料经济性。 

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明旨在提供一种基于混合度参数匹配的燃料电池/超级电容混合动力机车能量管理优化控制方法，提高各电源的工作效率，延长各电源的循环使用寿命，改善整车性能。 

燃料电池超级电容混合动力机车参数匹配优化方法，以所给工况条件和动力系统状态进行燃料电池系统和超级电容系统之间能量调度，使燃料电池保持平稳高效运行的同时确保超级电容充放电安全管理和有效的制动能量回收，提高各电源的工作效率，延长各电源的循环使用寿命，改善整车动力性和经济性，包括如下主要步骤： 

1)燃料电池/超级电容混合动力机车参数匹配优化方法 

首先在某工况条件下，根据最高车速需求功率P_v、最大爬坡度需求功率P_i、最大加速度需求功率P_a确定动力源最大总功率P_max，即 

P_max＝max{P_v,P_i,P_a}  (1) 

其中，P_v、P_i、P_a表示为与整车质量M相关的形式。 

混合度的最大边界条件是燃料电池系统最大功率的最小值P_{fc_min}能够满足机车在巡航和爬坡两种状态下行驶所需要的功率需求；混合度的最小边界条件由超级电容的最大功率取最小值来确定，要求超级电容具有瞬时驱动电动机的功率P_{UC_min}。 

燃料电池/超级电容混合动力机车系统的参数匹配设计为多目标的优化问题，各目标之间相互制约，优化结果通常为多目标之间的折衷结果，即允许存在多个优化结果，而不必仅寻求针对某单一优化目标的唯一的最优解。本发明采用加权求和的方法来描述多目标优化问题，属非线性规划问题，即将每一个目标进行规范化并建模为多目标优化问题中的一个约束项，这样多目标优化问题的目标函数转换成多个单一目标的加权求和问题。