一种无接触网供电城市轨道车辆制动能量回收方法

摘要

本发明公开一种无接触网供电城市轨道车辆制动能量回收方法，包括步骤：设定车辆制动距离；在制动前根据速度优化算法得到最优的制动速度曲线；车辆按照所述最优的制动速度曲线运行；在制动过程中采用分段电阻投入的方式,消耗多余的制动功率，确保母线电压的稳定。本发明使车辆在该速度曲线运行下可以回收更多的制动能量；改变了车辆制动过程中制动功率随时间的分布，实现了在满足制动距离要求以及其他各项指标的前提下超级电容吸收的制动能量达到最大化；极大提高氢燃料电池有轨车辆的运行里程，而且将延长车辆制动部件的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明属于混合动力技术领域，特别是涉及一种无接触网供电城市轨道车辆制动能量回收方法。

背景技术

低碳化，节能，高效，绿色成为21世纪全球发展的主题，在交通领域发展低碳排放、节能、清洁的交通工具更是一种发展趋势，氢燃料电池混合动力有轨车辆作为一种正在发展的交通工具，其消耗氢气排放物是水，因此相比于其他交通工具更加环保、清洁。但由于有轨车辆在运行中站间距较短，因此车辆运行过程中存在频繁的起动-制动，在制动过程中将可以车辆蕴藏着大量的机械能可被回收再利用，但目前的有轨车辆在制动过程中大量的机械能被制动电阻等设备消耗，只有少部分被吸收再利用，不仅能量的利用率低而且大量的热量排向周围环境，对周围环境产生影响。提高有轨车辆制动能量回收率已近成为急需解决的问题。

在目前的混合动力电池制动的研究中，对制动过程中优化策略考虑较少，大多为根据司机经验对车辆制动，其不能最大化的吸收制动过程的制动功率，较大的影响了车辆的运行里程。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种无接触网供电城市轨道车辆制动能量回收方法，使车辆在该速度曲线运行下可以回收更多的制动能量；改变了车辆制动过程中制动功率随时间的分布，实现了在满足制动距离要求以及其他各项指标的前提下超级电容吸收的制动能量达到最大化；极大提高氢燃料电池有轨车辆的运行里程，而且将延长车辆制动部件的使用寿命。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种无接触网供电城市轨道车辆制动能量回收方法，包括步骤：

S100，设定车辆制动距离；

S200，在制动前根据速度优化算法得到最优的制动速度曲线，车辆按照所述最优的制动速度曲线运行；

S300，在制动过程中采用分段电阻投入的方式,消耗多余的制动功率，确保母线电压的稳定。

进一步的是，所述速度优化算法包括步骤：

S201：车辆制动时先根据车辆电机制动特性曲线制动；

S202：在速度降到功率变换点后改变电机制动状态，使电机制动的输出功率满足超级电容最大吸收功率的要求且使车辆制动距离满足要求值，得到最优的制动速度曲线。

进一步的是，所述步骤S202包括步骤：

当速度降低到功率变换点后，改变电机的制动状态，使电机设定的功率发出制动功率；

车辆按电机制动曲线制动过程中电机制动功率为输出的最大制动功率；在此过程中电机以最大减速度减速，车辆速度快速降低，车辆按电机制动曲线制动车辆，制动距离短；

车辆按预设制动功率制动，使电机制动的输出功率满足超级电容吸收能量；改变制动过程中的功率变换点，使制动距离满足要求值。

进一步的是，所述速度优化算法包括步骤：

(1)根据所述车辆制动距离s^*，计算超级电容最大吸收功率P_sc(t)；设定采样时间为T、减速度最大值a_max和舒适度限定值difa_max；

(2)车辆先根据电机制动特性曲线制动，在车辆速度降到功率变换点以后根据超级电容吸收功率P_sc(t)；通过电机效率η₁、双向DC/DC逆变器效率η₂、DC/AC逆变器效率η₃、运行阻力分担功率P_f(t)和速度v，计算减速度a；

(3)取v(i)＝Vs，Vs为最大功率点对应的速度，计算减速度a的公式：(mv(i)a(i)-P_f(i))η₁η₂η₃＝P_sc(i)；

(4)对减速度a优化限制；

(5)计算舒适度difa，并对减速度的舒适度difa优化限制；

(6)计算速度v(i+1)＝v(i)-aT；

(7)判断速度v(i+1)是否达到0；若是执行步骤(8)；若否，则使i＝i+1并执行步骤(3)；

(8)重新计算制动距离s；若制动距离满足|s-s^*|＜ε则结束，否则调整功率变换点重新执行步骤(3)。

进一步的是，所述超级电容吸收能量的方法为：

超级电容电压U由于随着制动过程中电流流入不断的变化，流入超级电容电流由于双向DC/DC的限制最大电流为I^*，因此超级电容吸收能力Psc(t)在制动过程中随超级电容电压的改变而改变；

超级电容吸收能力Psc(t)根据制动时刻超级电容电压确定；在车辆制动过程中在制动初始时刻t₀测得超级电容电压U₀，以U₀作为初始时刻电压不断迭代计算出下一时刻超级电容电压U(i+1)，将超级电容存储的电荷量与开路电压化作线性关系；

根据下列算式求取超级电容吸收功率：

Q(i+1)＝C×U(i)-I^*×T；

U(i+1)＝Q(i+1)/C；

P_SC(t)＝U(i)×I*；

其中：U(i)为超级电容端电压，I^*为双向DC/DC限制充电电流，Q(i)超级电容存储电荷量，T为采样时间。

进一步的是，所述舒适度difa的定义为减速度的导数，计算公式为：

其中：T为采样时间；

所述舒适度的优化限制及其方法：对计算得到的舒适度difa与舒适度限定值比较，若舒适度difa没有超过舒适度限定值difa_max，则减速度值不变；若舒适度值超过舒适度限定值difa_max，则改变减速度a值，保证舒适度不超过舒适度限定值difa_max。

进一步的是，所述减速度a的计算，包括步骤：

车辆在功率变换点之前，制动过程中电机按最大制动功率制动，电机在恒功率特性曲线或恒转矩特性曲线工作，电机产生的制动转矩最大；

车辆在功率变换点之后，电机工作在电机转矩特性曲线的内部，电机的转矩按下式计算：

车辆制动过程中所受的总制动力除电机提供的制动转矩外还包括各种运行阻力，车辆的减速度a按下式计算：

为电机在功率变换点之前按制动特性曲线制动，

(mv(i)a(i)-P_f(i))η₁η₂η₃＝P_sc(i)，为电机在功率变换点之后制动，

其中：P_moter(t)为电机制动电功率，P_f(t)为阻力分担制动功率；

所述车辆减速度a的优化限制方法，包括步骤：

由于减速过程中减速度受轮轨蠕滑因素的限制，因此减速度a不能超过最大减速度的限制值；对计算所得的减速度a与限定的最大减速度a_max比较，若a没有超过最大减速度a_max，则a保持不变；若减速度a超过了最大减速度a_max则取a为最大减速度a_max。

进一步的是，所述电机效率计算方法为：当异步电机的实际转速大于磁场同步转速时，电机处于制动状态，电机将机械能转化为电能；

电机同步转速：f₀为定子绕组三相电源频率，p为极对数；

制动过程中电机制动电功率与转矩以及转速：P_motor为电机发出的功率，Ω为电机转速，T为电机转矩；

当异步电机的实际转速小于同步转速时电机正常运行，电机将电能转化为机械能；异步电机的实际转速大于同步转速时，电机处于制动状态，电机将机械能转化为电能；电机在电动机状态与制动过程中，能量的流动计算公式为：

电动机时电机功率关系：P-P_CU1-P_Fe-P_CU2＝P_mec，

发电机时电机功率关系：P+P_CU1+P_Fe+P_CU2＝P_mec；

电机发出的电能包括定子绕组铜耗P_CU1、定子绕组铁耗P_Fe、定子绕组铜耗P_CU2和输出功率P；

因此，电机制动过程中效率计算为:

进一步的是，在所述制动过程中各种运行阻力分担制动功率计算方法为：车辆制动过程中存在各种运行阻力包括空气阻力、滚动阻力、轴承阻力、滑动阻力和坡道阻力；在低速时由于滚动阻力与空气阻力占主要部分，因此通过计算滚动阻力与空气阻力，并假设车辆在平直轨道上运行，计算其制动过程中阻力分担制动功率计算，计算公式为：

F_f＝mgn+csρv²，

P_f＝F_fv＝(mgn+csρv²)v，

其中:F_f为阻力，P_f为阻力功率，m为车辆质量，n为滚动阻力系数，c为风阻系数，S为迎风面积，ρ为空气密度。

进一步的是，步骤S300中用分段电阻投入的方式,消耗多余的制动功率，确保母线电压的稳定，包括步骤：

S301：测量母线电压；

S302：测量到的母线电压信号与参考值做比较，所述参考值包括递增的多级电压参考值；

S303：当母线电压超过一级电压参考值时投入第一组制动电阻，若母线电压继续升高，则执行步骤S304；一级电压参考值为825V；

S304：当母线电压超过二级电压参考值875V时投入第二组制动电阻，若母线电压继续升高，则执行步骤S305；二级电压参考值为875V；

S305：当母线电压超过三级电压参考值时投入第三组制动电阻；若三组制动电阻都投入后母线电压还在升高，则减小制动电阻的取值；二级电压参考值为925V。

采用本技术方案的有益效果：

本发明方法本质上改变了车辆制动过程中制动功率随时间的分布，使车辆在该速度曲线运行下可以回收更多的制动能量；改变了车辆制动过程中制动功率随时间的分布，实现了在满足制动距离要求以及其他各项指标的前提下超级电容吸收的制动能量达到最大化；极大提高氢燃料电池有轨车辆的运行里程，而且将延长车辆制动部件的使用寿命；

本发明车辆采用无接触网供电和超级电容共同供电的方式，本发明的混合动力有轨车辆车辆制动时能量回收方法为：根据已知的车辆电机制动特性曲线、最大减速度要求、最大制动距离、超级电容最大吸收能力并考虑舒适度优化出一条车辆制动速度曲线，使得车辆在该速度曲线运行下可以回收更多的制动能量。

附图说明

图1为本发明的一种无接触网供电城市轨道车辆制动能量回收方法流程示意图；

图2为本发明实施例中速度优化算法的流程示意图；

图3为本发明实施例中舒适度的优化限制方法的流程示意图；

图4为本发明实施例中电机转矩特性曲线示意图；

图5为本发明实施例中减速度的优化限制方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了，一种无接触网供电城市轨道车辆制动能量回收方法，包括步骤：

S100，设定车辆制动距离；

S200，在制动前根据速度优化算法得到最优的制动速度曲线，车辆按照所述最优的制动速度曲线运行；

S300，在制动过程中采用分段电阻投入的方式,消耗多余的制动功率，确保母线电压的稳定。

1.作为上述实施例的优化方案，所述速度优化算法包括步骤：

S201：车辆制动时先根据车辆电机制动特性曲线制动；

S202：在速度降到功率变换点后改变电机制动状态，使电机制动的输出功率满足超级电容最大吸收功率的要求且使车辆制动距离满足要求值，得到最优的制动速度曲线。

所述步骤S202包括步骤：

当速度降低到功率变换点后，改变电机的制动状态，使电机设定的功率发出制动功率；

车辆按电机制动曲线制动过程中电机制动功率为输出的最大制动功率；在此过程中电机以最大减速度减速，车辆速度快速降低，车辆按电机制动曲线制动车辆，制动距离短；

车辆按预设制动功率制动，使电机制动的输出功率满足超级电容吸收能量；改变制动过程中的功率变换点，使制动距离满足要求值。

所述速度优化算法具体为，如图2所示：

(1)根据所述车辆制动距离s^*，计算超级电容最大吸收功率P_sc(t)；设定采样时间为T、减速度最大值a_max和舒适度限定值difa_max；

(2)车辆先根据电机制动特性曲线制动，在车辆速度降到功率变换点以后根据超级电容吸收功率P_sc(t)；通过电机效率η₁、双向DC/DC逆变器效率η₂、DC/AC逆变器效率η₃、运行阻力分担功率P_f(t)和速度v，计算减速度a；

(3)取v(i)＝Vs，Vs为最大功率点对应的速度，计算减速度a的公式：(mv(i)a(i)-P_f(i))η₁η₂η₃＝P_sc(i)；

(4)对减速度a优化限制；

(5)计算舒适度difa，并对减速度的舒适度difa优化限制；

(6)计算速度v(i+1)＝v(i)-aT；

(7)判断速度v(i+1)是否达到0；若是执行步骤(8)；若否，则使i＝i+1并执行步骤(3)；

(8)重新计算制动距离s；若制动距离满足|s-s^*|＜ε则结束，否则调整功率变换点重新执行步骤(3)。

2.作为上述实施例的优化方案，所述超级电容吸收能量的方法为：

超级电容电压U由于随着制动过程中电流流入不断的变化，流入超级电容电流由于双向DC/DC的限制最大电流为I*，因此超级电容吸收能力Psc(t)在制动过程中随超级电容电压的改变而改变；

超级电容吸收能力Psc(t)根据制动时刻超级电容电压确定；在车辆制动过程中在制动初始时刻t₀测得超级电容电压U₀，以U₀作为初始时刻电压不断迭代计算出下一时刻超级电容电压U(i+1)，将超级电容存储的电荷量与开路电压化作线性关系；

根据下列算式求取超级电容吸收功率：

Q(i+1)＝C×U(i)-I*×T；

U(i+1)＝Q(i+1)/C；

P_SC(t)＝U(i)×I*；

其中：U(i)为超级电容端电压，I^*为双向DC/DC限制充电电流，Q(i)超级电容存储电荷量，T为采样时间。

3.作为上述实施例的优化方案，所述舒适度difa的定义为减速度的导数，计算公式为：

其中：T为采样时间；

所述舒适度的优化限制及其方法：如图3所示，对计算得到的舒适度difa与舒适度限定值比较，若舒适度difa没有超过舒适度限定值difa_max，则减速度值不变；若舒适度值超过舒适度限定值difa_max，则改变减速度a值，保证舒适度不超过舒适度限定值difa_max。

4.作为上述实施例的优化方案，所述减速度a的计算，包括步骤：

车辆在功率变换点之前，制动过程中电机按最大制动功率制动，电机在恒功率特性曲线或恒转矩特性曲线工作，如图4中所示曲线1，电机产生的制动转矩最大；

车辆在功率变换点之后，电机工作在电机转矩特性曲线的内部，如图4中所示区域2，电机的转矩按下式计算：

车辆制动过程中所受的总制动力除电机提供的制动转矩外还包括各种运行阻力，车辆的减速度a按下式计算：

为电机在功率变换点之前按制动特性曲线制动，

(mv(i)a(i)-P_f(i))η₁η₂η₃＝P_sc(i)，为电机在功率变换点之后制动，

其中：P_moter(t)为电机制动电功率，P_f(t)为阻力分担制动功率；

所述车辆减速度a的优化限制方法，如图5所示，包括步骤：

由于减速过程中减速度受轮轨蠕滑因素的限制，因此减速度a不能超过最大减速度的限制值；对计算所得的减速度a与限定的最大减速度a_max比较，若a没有超过最大减速度a_max，则a保持不变；若减速度a超过了最大减速度a_max则取a为最大减速度a_max。

5.作为上述实施例的优化方案，所述电机效率计算方法为：当异步电机的实际转速大于磁场同步转速时，电机处于制动状态，电机将机械能转化为电能；

电机同步转速：f₀为定子绕组三相电源频率，p为极对数；

制动过程中电机制动电功率与转矩以及转速：P_motor为电机发出的功率，Ω为电机转速，T为电机转矩；

当异步电机的实际转速小于同步转速时电机正常运行，电机将电能转化为机械能；异步电机的实际转速大于同步转速时，电机处于制动状态，电机将机械能转化为电能；电机在电动机状态与制动过程中，能量的流动计算公式为：

电动机时电机功率关系：P-P_CU1-P_Fe-P_CU2＝P_mec，

发电机时电机功率关系：P+P_CU1+P_Fe+P_CU2＝P_mec；

电机发出的电能包括定子绕组铜耗P_CU1、定子绕组铁耗P_Fe、定子绕组铜耗P_CU2和输出功率P；

因此，电机制动过程中效率计算为:

6.作为上述实施例的优化方案，在所述制动过程中各种运行阻力分担制动功率计算方法为：车辆制动过程中存在各种运行阻力包括空气阻力、滚动阻力、轴承阻力、滑动阻力和坡道阻力；在低速时由于滚动阻力与空气阻力占主要部分，因此通过计算滚动阻力与空气阻力，并假设车辆在平直轨道上运行，计算其制动过程中阻力分担制动功率计算，计算公式为：

F_f＝mgn+csρv²，

P_f＝F_fv＝(mgn+csρv²)v，

其中:F_f为阻力，P_f为阻力功率，m为车辆质量，n为滚动阻力系数，c为风阻系数，S为迎风面积，ρ为空气密度。

7.作为上述实施例的优化方案，制动过程中采用分段投入制动电阻的方式消耗多余的制动能量，确保母线电压的稳定，制动电阻分段投入采取多套制动电阻并联的直挂母线的接线方式，每一套制动电阻根据母线电压的变化判断是否投入其使用，母线电压额定值在750V,在制动过程中由于双向DC/DC对超级电容充电电流的限制，母线电压将升高；制动电阻阻值的选取的根据制动过程中产生的最大制动功率决定，要求满足可以吸收最大制动功率。每套制动电阻测量母线电压并判断。

步骤S300中用分段电阻投入的方式,消耗多余的制动功率，确保母线电压的稳定，包括步骤：

S301：测量母线电压；

S302：测量到的母线电压信号与参考值做比较，所述参考值包括递增的多级电压参考值；

S303：当母线电压超过一级电压参考值时投入第一组制动电阻，若母线电压继续升高，则执行步骤S304；一级电压参考值为825V；

S304：当母线电压超过二级电压参考值875V时投入第二组制动电阻，若母线电压继续升高，则执行步骤S305；二级电压参考值为875V；

S305：当母线电压超过三级电压参考值时投入第三组制动电阻；若三组制动电阻都投入后母线电压还在升高，则减小制动电阻的取值；二级电压参考值为925V。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。