【《混合动力机车基于规则控制的能量管理策略分析》6400字（论文）】

混合动力机车基于规则控制的能量管理策略分析目录TOC\o"1-3"\h\u11384混合动力机车基于规则控制的能量管理策略分析 [62]。例如机车起动初期、惰行阶段或者停车，负载需求功率低，此时动力电池可以配合柴油发电机组进行功率输出，使得柴油发电机组尽量工作在高效率区甚至惰速工作。(4)再生制动最大能量回收原则当混合动力机车在制动工况时，采用电制动和空气制动，空气制动会将机车的动能变为热能损失掉，应利用电制动尽可能回收制动能量，能够提高能量利用率，并减少燃油消耗。但当电池SOC过高时，应切换为空气制动，防止电池过充。考虑到上述四种原则，对能量管理控制策略进行设计，从整体来看，动力电池应起到“削峰填谷”的作用，避免柴油发电机运行于低效率区，在高负载需求时填补发电机输出功率的不足，如REF_Ref69069200\h图39所示。故引出一种功率均衡的控制思想，在保障车辆对于动力基本需求的前提下，充分利用动力电池组快速响应的特点和柴油发电机组的输出特性，通过每个时刻机车运行的负载需求功率和动力电池组的SOC值，进行柴油发电机组和动力电池组的功率分配，在尽量平衡电池SOC的同时令柴油发电机组工作在高效率区，实现更好的整体效果。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s19动力电池“削峰填谷”示意图FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s19Powerbattery'peakloadshifting'schematic瞬时功率控制策略的具体规则制定根据上一章钛酸锂电池的充放电特性研究可知，当动力电池组的SOC超过上、下限值时，其输出电压曲线出现拐点，无法稳定输出功率，需要将SOC约束在一定的范围内。首先选取动力电池组SOC的上下界为85%和20%，即令SOC范围能够控制在20%到85%之间。若SOC大于等于上限则电池组停止充电，若SOC小于等于下限值则电池组停止放电。在实验过程中，混合动力机车长时间的牵引工况将会消耗动力电池大约40%的能量，因此机车启动或进入牵引工况时，动力电池组SOC不能低于60%；而在制动工况时，动力电池组吸收再生制动能量大概为10%，因此在惰行工况过程中，柴油发电机组给电池组充电不得让SOC超过75%。得到动力电池组的SOC工作区域划分如REF_Ref69134243\h图310，确定动力电池的工作区间不仅能够延长电池使用寿命，关键的是保障机车的安全稳定运行，在适当的时候与其他动力源进行配合，或者单独充放电以满足负载需求。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s110动力电池组SOC工作区间划分FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s110SOCworkingintervaldivisionofpowerbatterypack混合动力机车的能量管理控制策略制定过程中，关键是减小柴油发电机组的燃油消耗，确保在不影响整车动力性的前提下，提高系统的效率与经济性。本文仿真建模的德国DB柴油发电机实测负载功率-油耗曲线如下REF_Ref69723550\h图311。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s111柴油发电机功率-油耗关系曲线FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s111Power-fuelconsumptioncurveofdieselgenerator从图中可以看出，当柴油发电机组工作在固定转速时，柴油发电机组工作在430kW~670kW时，是其低油耗工作点，因此能量管理控制策略应需要针对柴油发电机组的运行效率进行管理，保障效率能够处于合理的范围内。考虑运行工况中，机车的负载需求和动力电池组SOC值的不同情况，得到瞬时功率控制规则如REF_Ref69723589\h表32。基本规则控制策略具体表述如下：(1)当起动、停车或者惰行工况时，负载需求功率较小，单动力电池组可以满足；当动力电池组SOC高于牵引加速预留SOC值时，则令动力电池组单独供电，反之则令柴油发电机提供负载需求功率的同时给电池充电。(2)当进入牵引工况时，负载需求功率大，当负载需求功率小于柴油机最大提供功率时，柴油机根据电池SOC值与需求功率，在提供负载功率的同时令电池充放电，尽量使柴油发电机保持在高效率区间。当负载需求功率超过柴油机最大提供功率时，则动力电池尽可能提供最大输出功率。(3)当进入制动工况时，动力电池吸收再生制动能量，当动力电池组SOC值达到上限值时，则停止充电。表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s12瞬时功率规则表TableSTYLEREF1\s3SEQTable\*ARABIC\s12Instantaneouspowerruletable序号条件控制10<Pload<Pbat_max，SOC>SOCmiddlePbat=Pload20<Pload<Pbat_max，SOC>SOCmiddlePG=Pload+Pbat_chg3Pbat_max<Pload<Pm_max，SOC>SOClowPG=Pload-Pbat4Pbat_max<Pload<Pm_max，SOC<SOClowPG=Pload+Pbat5Pload>Pm_max，SOC>SOClowPG=Pload-Pbat6Pload>Pm_max，SOC<SOClowPbat=Pload-PG_max7Pload<0，SOC>SOChighPbat=08Pload<0，SOC>SOChighPbat=Pload根据上述内容，可以得到相应的控制流程图：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s112瞬时功率规则控制流程图FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s112Controlflowchartofinstantaneouspowerrule基于规则控制的能量管理控制策略的仿真实现为了验证第二章中建立的混合动力机车仿真模型在机车实际工况下能否平稳运行，以及基于规则的能量管理策略控制效果。利用前面章节的牵引计算与机车参数得到的混合动力机车典型工况进行仿真，能量管理模块如REF_Ref70453281\h图313，其负载需求功率曲线与机车速度曲线如REF_Ref69752515\h图314所示。在典型工况中，忽略线路真实条件，机车从起动到停车，其工况的最大牵引功率为950kW，再生制动功率为150kW。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s113基于规则控制的能量管理策略仿真FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s113SimulationofEnergyManagementStrategyBasedonRuleControl图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s114机车功率与速度曲线FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s114Locomotivepowerandspeedcurve仿真结果如下REF_Ref69752536\h图315所示，当机车起动阶段由动力电池组供电，当超过动力电池组最大输出功率时切换为单柴油机供电，当牵引功率大于柴油发电机最大输出功率时切换为混合供电，在惰行阶段，当电池SOC值大于下限时，动力电池组单独供电，当SOC值较低时切换为柴油发电机供电电池充电，在进行再生制动的时候，动力电池组可以实现能量的正常吸收。在工况切换过程，柴油发电机与动力电池组功率变换曲线平滑无突变。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s115功率分配曲线FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s115Powerdistributioncurve运行过程中，直流母线电压稳定在750V左右，当工况切换时，直流母线电压超调量下，不触发过压保护，恢复指令值快速。稳态时，直流母线电压纹波小。(a)直流母线电压(b)直流母线电压(放大)图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s116机车运行过程直流母线电压FigureSTYLEREF1\s3SEQFigure\*ARABIC\s116DCbusvoltageduringlocomotiveoperation(a)电池组SOC变化曲线(b)电池组电压变化曲线(c)电池组电流变化曲线图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s117电池组参数变化曲线FigureSTYLERE