[发明专利]燃料电池混合动力有轨电车多动力源自适应能量管理系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于有轨电车用燃料电池/锂电池/超级电容混合动力能量管理系统。

背景技术

具有中等运量的有轨电车是对地铁、轻轨系统的有效补充，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(45～50％)、环保等特点，被称为是21世纪最有前途的“绿色能源”技术，在我国属国家能源领域的重点研发技术。燃料电池混合动力有轨电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，而锂电池和超级电容又可在不同运行条件下有效回收电车的再生制动能量，推动有轨电车技术朝着绿色、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；超级电容动态响应特性好，功率密度高，但持续放电时间短；锂电池能量密度较高，持续放电时间较长，但功率密度较低。将三者通过耦合构建混合动力系统，可以充分发挥燃料电池、锂电池和超级电容的优势，用以驱动有轨电车实现无接触网运行。然而，对于混合动力有轨电车在启动、加速、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、锂电池和超级电容系统之间能量分配管理，设计合理、高效的能量管理系统，使燃料电池保持平稳、高效运行的同时，确保锂电池和超级电容充放电安全管理和有效的制动能量回收，避免锂电池和超级电容过充过放，具有重要意义。

现有的混合动力系统能量管理系统大多适用于中小功率的燃料电池混合动力汽车，而且其一般采用基于规则策略中的逻辑门限能量管理方法，是以保护锂电池或超级电容为主要目的。另外一种功率限制策略，其总体原则是通过限制锂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，即将锂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实时最佳匹配，不适用于大功率有轨电车能量管理系统，无法获得最佳燃料经济性。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种适用于燃料电池/锂电池/超级电容混合动力有轨电车的自适应能量管理系统，以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。

本发明的目的是通过如下的手段实现的:

燃料电池混合动力有轨电车多动力源自适应能量管理系统，包括：一燃料电池系统单元，该燃料电池系统单元至少包括一燃料电池系统单元或相互串并联的多个燃料电池单元；一锂电池单元，该锂电池单元至少包括一锂电池单元或相互串并联的多个锂电池单元；一超级电容器单元，该超级电容器单元至少包括一超级电容器单元或相互串并联的多个超级电容器单元；一单向直流变换器单元，该直流变换器单元用于连接燃料电池系统单元至直流母线；一双向直流变换器单元接口，该双向直流变换器单元用于连接锂电池单元或超级电容器单元至直流母线；其特征在于，所述有轨电车用燃料电池/锂离子电池/超级电容器混合动力多动力源自适应能量管理系统包括一自适应能量管理单元，该能量管理单元通过实时检测运行工况和动力系统状态进行燃料电池单元、锂电池单元和超级电容器单元之间的功率实时自适应分配，使燃料电池单元保持平稳高效运行的同时确保锂电池单元和超级电容器单元充放电安全管理和有效的制动能量回收，提高整车和各电源的工作效率，延长各电源的循环使用寿命；

所述自适应能量管理单元包括：

一用于实时分配功率的功率分配处理子单元，通过采集实际工况的功率-时间信号，设置基于三层Harr离散小波变换算法的高通和低通滤波器组，对工况的高频和低频部分进行解耦和重构；通过三层采样操作，将原始工况功率-时间信号解构，再经过Harr离散小波变换，重构为4个不同频段的信号n₀、n₁、n₂、n₃；