機(jī)車蓄電池辨識(shí)建模與能量管理.pdf

1、隨著我國(guó)鐵路電氣化改造的不斷推進(jìn)，電力機(jī)車因其本身清潔污染小、能量利用率高、運(yùn)輸效率高等特點(diǎn)，逐漸取代了內(nèi)燃機(jī)車，成為我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)闹黧w。近年來，隨著我國(guó)鐵路事業(yè)進(jìn)一步快速發(fā)展，高速動(dòng)車組正在成為中短途鐵路客運(yùn)運(yùn)輸?shù)闹黧w，未來鐵路運(yùn)輸將朝著高速化、高效化繼續(xù)發(fā)展。在我國(guó)鐵路快速發(fā)展過程中，蓄電池作為化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備在列車供電系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。蓄電池具備儲(chǔ)能和供能的工作特性，列車停車電源切斷或者發(fā)生突發(fā)性故障時(shí)，蓄電池作為輔助供電

2、電源開始工作，保障列車重要用電設(shè)備的應(yīng)急用電，保證列車安全有效運(yùn)行與乘客舒適度。作為整個(gè)輔助供電系統(tǒng)的能量主體—蓄電池，在合理有效的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，對(duì)其工作特性的研究和通過系統(tǒng)辨識(shí)得到其準(zhǔn)確模型是進(jìn)行電池荷電狀態(tài)估計(jì)、電池能量管理、系統(tǒng)能量管理的基礎(chǔ)與核心。因此，搭建蓄電池充放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬不同的工況條件，基于電池充放電靜態(tài)和動(dòng)態(tài)工作特性建立蓄電池等效電路模型作為電池與整個(gè)列車供電系統(tǒng)能量管理的首要理論基礎(chǔ)。
　　本文首先從系統(tǒng)

3、建模辨識(shí)和能量管理出發(fā)，分別搭建起了電池充放電工作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制定了恒流與脈沖兩種電池工作模式實(shí)驗(yàn)方案，采集相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究分析了電池工作特性，基于蓄電池脈沖實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)電池極化效應(yīng)，采用電池靜態(tài)工作實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究極化效應(yīng)對(duì)電池工作特性的影響，為后續(xù)模型的建立、荷電狀態(tài)估計(jì)、能量管理等研究的開展奠定了一定的實(shí)驗(yàn)與理論基礎(chǔ);其次，針對(duì)蓄電池極化、滯后等非線性動(dòng)態(tài)特性，將RC電路方程引入到蓄電池模型，建立得到電池一階動(dòng)態(tài)模型，

4、在一階模型基礎(chǔ)上分別采用Laplace變換和前向歐拉轉(zhuǎn)換方法得到適用于最小二乘辨識(shí)算法的遞推辨識(shí)模型，針對(duì)辨識(shí)過程中前后采樣點(diǎn)相互影響和“數(shù)據(jù)飽和”現(xiàn)象，在遞推最小二乘算法基礎(chǔ)上加入遺忘因子，模擬蓄電池實(shí)際工況制定實(shí)驗(yàn)方案，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)得到模型參數(shù)，基于MATLAB/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建起電池模型驗(yàn)證求解模型的準(zhǔn)確性，此外基于超級(jí)電容器的二階等效電路空間狀態(tài)方程在MATLAB/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建其工作仿真模

5、型，仿真結(jié)果研究其工作特性，為后續(xù)的荷電狀態(tài)估計(jì)和能量管理奠定了一定的理論研究基礎(chǔ);再次，在對(duì)電池極化效應(yīng)微觀理論研究基礎(chǔ)之上，制定合理有效的實(shí)驗(yàn)方案，消除極化效應(yīng)對(duì)電池荷電狀態(tài)的影響，建立電池荷電狀態(tài)與其真實(shí)開路電壓值之間關(guān)系模型，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)得到模型參數(shù)，隨后，基于得到蓄電池模型推導(dǎo)得到適用于無跡開爾曼濾波算法的狀態(tài)空間方程形式，采用無跡開爾曼濾波算法估計(jì)得到蓄電池動(dòng)態(tài)荷電狀態(tài)。最后，在蓄電池工作特性與極化效應(yīng)實(shí)驗(yàn)與理論研究基礎(chǔ)

6、上，首先在傳統(tǒng)三段式充電模式基礎(chǔ)上提出脈沖三段式快速充電控制策略，其次在電池準(zhǔn)確模型建立基礎(chǔ)之上，仿真得到電池狀態(tài)對(duì)電池組的均衡性影響，然后結(jié)合電池組均衡性仿真研究，提出更加合理有效電池工作截止條件電壓，最后基于電池與超級(jí)電容器儲(chǔ)能特性，提出蓄電池—超級(jí)電容器混合輔助供電系統(tǒng)，結(jié)合列車供電系統(tǒng)實(shí)際工況條件提出合理有效的能量管理策略，同時(shí)模擬實(shí)際工況，仿真系統(tǒng)能量分配，定量分析了幾種工況下電池與超級(jí)電容器混合能量輸出，驗(yàn)證了混合系統(tǒng)工作的