吉林大学学报(工学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (4): 1176-1187.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20230762

• 车辆工程·机械工程 • 上一篇    下一篇

半独立路权下考虑锂电池SoC预测的有轨电车自适应能量管理策略

高锋阳1(),高智山1,杨雨泽2,强雅昕1,徐昊1,史志龙1,张浩然3   

  1. 1.兰州交通大学 自动化与电气工程学院,兰州 730070
    2.中车唐山机车车辆有限公司,河北 唐山 063035
    3.铁科院(深圳)研究设计院有限公司,广东 深圳 518000
  • 收稿日期:2023-07-20 出版日期:2025-04-01 发布日期:2025-06-19
  • 作者简介:高锋阳(1970-),男,教授.研究方向:混合储能系统能量管理. E-mail: ljdgaofy@lzjtu.edu.cn
  • 基金资助:
    中车“十四五”科技重大专项计划项目(2021CXZ021);甘肃省教育厅优秀研究生“创新之星”项目(2023CXZX-616);中国铁道科学研究院集团有限公司院基金项目(2022YJ295)

Adaptive energy management strategy for trams considering lithi-um battery SoC prediction under semi-independent right-of-way

Feng-yang GAO1(),Zhi-shan GAO1,Yu-ze YANG2,Ya-xin QIANG1,Hao XU1,Zhi-long SHI1,Hao-ran ZHANG3   

  1. 1.Automation and Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China
    2.CRRC Tangshan Co. ,Ltd. ,Tangshan 063035,China
    3.China Academy of Railway Sciences (Shenzhen) Research and Design Institute Co. ,Ltd. ,Shenzhen 518000,China
  • Received:2023-07-20 Online:2025-04-01 Published:2025-06-19

摘要:

为改善传统等效氢耗最小化策略(ECMS)工况适应性差的缺陷,同时进一步提升混合储能系统燃料经济性,提出了一种考虑锂电池荷电状态(SoC)预测的自适应能量管理策略。首先,以国内有轨电车线路及行驶数据为基础,利用马尔科夫链构建半独立路权下有轨电车典型行驶工况。其次,通过自适应卡尔曼滤波法预测锂电池SoC,优化锂电池充、放电过程,增强锂电池可靠性,并以混合储能系统等效能耗最小为优化目标,同时结合粒子群算法优化传统ECMS等效因子,实现负载功率在燃料电池和锂电池间的合理有效分配。最后,在所构建半独立路权下有轨电车典型工况中进行对比分析。结果表明:在所构建典型工况中,本文策略相较于固定阈值策略氢气消耗降低0.63 kg,燃料电池峰值电流降低57.2 A;相较于状态机策略氢气消耗降低1.21 kg,燃料电池峰值电流降低24.6 A,且母线电压及锂电池SoC波动范围均有所改善。

关键词: 混合储能系统, 工况构建, 能量管理, 半独立路权

Abstract:

In order to improve the poor adaptability of the traditional equivalent consumption minimization strategy (ECMS), and to further enhance the fuel economy of hybrid energy storage systems, an adaptive energy management strategy considering the prediction of the state of charge (SoC) of Li-ion battery is proposed. Firstly, based on the domestic tram lines and traveling data, a Markov chain is used to construct the typical driving conditions of streetcars under semi-independent right-of-way. Secondly, the SoC of lithium battery is predicted by adaptive Kalman filtering method, the charging and discharging process of lithium battery is optimized, the reliability of lithium battery is enhanced, and the minimum equivalent energy consumption of hybrid energy storage system is taken as the optimization target, meanwhile, the equivalent factor of traditional ECMS is optimized by combining with particle swarm algorithm, so as to realize the reasonable and effective distribution of load power between fuel cells and lithium batteries. Finally, a comparative analysis is carried out in the typical working conditions of the constructed tram under semi-independent right-of-way. The results show that, compared with the fixed-threshold strategy, the proposed strategy reduces hydrogen consumption by 0.63 kg and fuel cell peak current by 57.2 A. Compared with the state machine strategy, the proposed strategy reduces hydrogen consumption by 1.21 kg and fuel cell peak current by 24.6 A, and the fluctuation ranges of bus voltage and Li-ion battery SoC are both improved.

Key words: hybrid energy storage system, construction of driving conditions, energy management, semi-independent right-of-way

中图分类号: 

  • U482.1

图1

交叉口信号系统"

图2

主动优先策略"

图3

信号灯控制逻辑"

表1

列车运行特征参数"

序号参数含义
1S/km行驶距离
2Vmax/(km·h-1最高速度
3V/(km·h-1运行速度
4Vavg/(km·h-1平均速度
5amax/(m·s-2最大加速度
6aavg/(m·s-2平均加速度
7Ta/s加速时间
8Tv/s匀速时间
9Td/s减速时间
10Pa/%加速比例
11Pv/%匀速比例
12Pd/%减速比例
13astd/(m·s-2加速度标准差

表2

主成分贡献率"

主成分名称贡献率/%
运行速度44.83
平均速度26.31
加速度标准差12.28
平均加速度4.81
最大加速度3.09
匀速时间2.61
加速时间2.14
减速时间1.78
匀速比例0.73
加速比例0.45
减速比例0.39
最高速度0.31
行驶距离0.26

图4

运行状态划分"

图5

不同运行状态转移概率矩阵"

图6

不同构建方法下的参数误差对比"

图7

混合储能系统拓扑结构"

图8

燃料电池等效电路模型"

图9

超级电容一阶RC模型"

图10

锂电池等效电路模型"

图11

卡尔曼滤波估计锂电池SoC框架"

图12

锂电池SoC对比"

图13

算法误差"

表3

锂电池放电工况测试步骤"

增量时间/s累计时间/s电流ΔSoC/%
558Ib-1.111
5100-0.111
5158Ib-2.222
5200-2.222
2040-1.5Ib-1.389
242-4Ib-1.167
8500-1.167

表4

锂电池充电工况测试步骤"

增量时间/s累计时间/s电流ΔSoC/%
55-4Ib0.556
1520-1.5Ib1.181
42401.181
5298Ib0.069
1342-1.5Ib0.611
547-4Ib1.167
35001.167

图14

锂电池放电工况"

图15

锂电池充电工况"

图16

粒子群优化流程"

图17

等效因子MAP"

图18

自适应等效因子ECMS能量管理策略"

表5

有轨电车参数表"

参 数取 值
母线电压(直流)/V750
负载功率/kW280
续航里程/km>40
最高行驶速度/(km·h-160
燃料电池单体数量/个735
锂电池组串并联数144串2并
超级电容组串并联数12串3并

图19

需求功率对比"

图20

不同控制策略下燃料电池电流"

图21

不同策略下母线电压对比"

图22

不同策略下锂电池SoC对比"

图23

不同策略下氢气消耗对比"

表6

仿真结果对比"

对比性能状态机策略固定阈值策略

本文

策略

母线电压波动范围/V18.212.311.1
燃料电池峰值电流/A186.7219.3162.1
锂电池SoC始末状态差值/%6.42.21.9
系统氢耗量/kg3.192.611.98
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