有轨电车混合动力技术实现复合电源功率分配控制

复合电源功率分配控制策略是一种规则，它预设在列车的控制器中，根据列车当前状态进行决策，并将决策信息作为指令发出。驱动系统再根据指令控制DC/DC变流器模块功率开关的开闭状态，以达到控制动力电源的目的。根据目标的不同，可以有不同的控制策略。这里着重考虑以下两种供电策略：

①动力电池和超级电容混合供电。如图5-30所示，在该策略下，分别通过两个双向DC/DC变流器将动力电池和超级电容连接到直流母线上。动力电池和超级电容可以同时工作，其各自输出或输入的功率大小通过控制两个DC/DC变流器即可实现。

②动力电池和超级电容切换供电。在该策略下，动力电池和超级电容不能同时工作，它们共用一个DC/DC变流器，只能通过切换DC/DC变流器与它们之间的连接来决定某一时刻是由动力电池还是超级电容供电。

（1）动力电池、超级电容混合供电功率分配控制策略 这里控制策略的执行是建立在DC/DC变流器同时具有变压和变流能力基础上的，采用规则控制算法，通过将有轨电车的运行模式进行分类，根据起动加速、平直轨道匀速运行、爬坡、制动等不同工况，选择不同的功率分配策略。

为描述方便，经调研、比较，考虑一种较合适的策略：低功率指令时，以动力电池作为能量来源；高功率指令时，动力电池与超级电容同时作为能量来源，超级电容作为主要能量来源。根据驾驶指令及列车状态，可以得到不同工况下的电源功率需求。具体的分配策略是：

1）当有轨电车在匀速运行、爬坡、加速等工况下，电源功率需求为正值。

①通过动力电池SOC估计可以得到一个此时动力电池可提供的最大输出功率，若该功率能满足需求功率，则通过控制DC/DC变流器使动力电池输出需求功率；

②否则，超级电容作为能量的主要来源，和电池同时提供能量；

③若在动力电池与超级电容同时供能的情况下仍无法满足功率需求时，则动力电池和超级电容以最大能力输出功率，列车降低动力性能要求。

2）当列车在制动或下坡等工况下可进行能量回馈时，需求功率为负值。

①此时若动力电池能吸收全部回馈功率，则优先分配动力电池进行能量吸收；

②否则，超级电容与动力电池同时吸收回馈功率；

③若在动力电池和超级电容同时吸收功率的情况下仍无法吸收全部回馈功率时，则超级电容以最大能力吸收回馈能量，控制制动电阻吸收多余功率。

动力电池、超级电容功率分配控制策略描述见图5-32。图中，横坐标为车速，纵坐标为驱动（制动）功率。P_d-max为牵引电机最大驱动功率；P_c-dmax为电容能够提供的最大驱动功率；P_b-dmax为电池能够提供的最大驱动功率；P_com为指令功率，即期望输出（输入）功率；P_b-out为电池实际输出功率；P_c-out为电容实际输出功率。P_b-max为牵引电机最大制动功率；P_c-bmax为电容的最大制动吸收功率；P_b-bmax为电池的最大制动吸收功率；P_b-in为电池实际吸收功率，电池的吸收功率要小于电池的驱动功率；P_c-in为电容实际吸收功率；P_mech为机械制动功率。

A、B、C、D点表述了该策略的四种功率需求情况。

A点表示指令功率大于电池能够输出的最大功率，此时可以利用电容对电池功率进行补偿，P_com=P_b-out+P_c-out。(www.xing528.com)

B点表示此时功率需求很小，电池完全可以满足其功率需求，而满足驱动功率需求后多余的功率可以选择给电容充电，P_b-out=P_com+P_c-in。

C点表示此时为联合制动模式（回馈+辅助），制动功率需求超过了电池和电容的最大制动吸收功率总和，此时就需要其他制动方式进行制动功率补充（这里为机械制动），P_com=P_b-in+P_c-in+P_mech。

D点表示回馈制动完全可以满足制动功率的要求，控制电池和电容共同吸收制动能量即可完成回馈制动。

图5-32 电池、电容功率分配控制策略图解

（2）动力电池、超级电容切换供电控制策略 图5-33描述了另一种供电策略：动力电池、超级电容在同一时刻只能单独工作提供能量。该策略需要DC/DC变流器对动力电池、超级电容具有切换控制能力和升压降压功能，而不存在功率分配的问题。其基本的控制策略是：低功率需求时使用动力电池供电（平直轨道直线运行等工况），而高功率需求时使用超级电容供电（加速、驱动等工况）。图5-33中的参数意义与图5-32中的相同。可以看出，在A、B、C、D四种情况下，动力电池和超级电容均单独工作。

图5-32与图5-33描述了两种控制策略。混合供电的功率分配控制策略（策略1），能够充分发挥复合电源的高比能量和高比功率，优势互补，并且可以减少动力电池和超级电容的数量，是真正意义上形成了“混合动力”，但控制相对复杂，对DC/DC变流器要求较高。而切换供电控制策略（策略2），使得动力电池和超级电容的数量更大，不能形成高比能量和高比功率的优势互补，但控制简单，对DC/DC变流器的要求相对较低。控制策略的选取需要根据多方面的综合考虑来决定。

根据混合动力有轨电车的实际情况，考虑以下几个方面：

1）由于电源箱空间有限，必须压缩动力电池和超级电容的数量。策略1有利于减少电池和电容数量。经计算，策略2需求的电池、电容数量约为策略1需求数量的1.5倍，相比之下，策略2需求的电池和电容数量给电源箱的设计提出了很大的挑战。

2）DC/DC变流器的最大电流限制下，采用策略1能将电流分担到两个DC/DC变流器上，从而有效降低单个DC/DC变流器的输出电流，从而最大程度地发挥DC/DC变流器的能力。

3）采用策略1时，在大部分情况下超级电容的SOE保持在较高的状态，这样有利于延长突发大功率需求情况下的工作时间。

综合以上分析，首选策略1作为功率分配策略。

图5-33 电池、电容切换供电控制策略