• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

有轨电车燃料电池混合动力多目标匹配优化

付稳超,齐洪峰,戴朝华,李密,刘正杰,陈维荣

downloadPDF
付稳超, 齐洪峰, 戴朝华, 李密, 刘正杰, 陈维荣. 有轨电车燃料电池混合动力多目标匹配优化[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报, 2020, 55(3): 604-611. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180370
引用本文: 付稳超, 齐洪峰, 戴朝华, 李密, 刘正杰, 陈维荣. 有轨电车燃料电池混合动力多目标匹配优化[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报, 2020, 55(3): 604-611.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20180370
FU Wenchao, QI Hongfeng, DAI Chaohua, LI Mi, LIU Zhengjie, CHEN Weirong. Multi-objective Matching Optimization for Hybrid Fuel-Cell Power System in Trams[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(3): 604-611. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180370
Citation: FU Wenchao, QI Hongfeng, DAI Chaohua, LI Mi, LIU Zhengjie, CHEN Weirong. Multi-objective Matching Optimization for Hybrid Fuel-Cell Power System in Trams[J].Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(3): 604-611.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20180370

有轨电车燃料电池混合动力多目标匹配优化

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20180370
基金项目:国家重点研发计划(2017YFB1201005,2017YFB1201003)
详细信息
    作者简介:

    付稳超(1983—),男,教授级高级工程师,硕士,研究方向为轨道交通车辆工程,E-mail:fu_wenchao@163.com

    通讯作者:

    戴朝华(1973—),男,副教授,博士,研究方向为轨道交通新能源,E-mail:daichaohua@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号:TM911.4

Multi-objective Matching Optimization for Hybrid Fuel-Cell Power System in Trams

    • 摘要:有轨电车燃料电池混合动力系统配置对整车动力性能、系统效率及经济效益具有重要影响,但是目前缺乏有效的优化匹配方法. 基于有轨电车沿线动态工况下的牵引功率计算,提出了面向服役周期成本最低的燃料电池有轨电车混合动力系统匹配优化方法. 以混合动力系统整车服役周期成本最低、体积/重量最小为目标函数,以动力性能、直流母线电压、电源输出功率、功率/能量实时平衡、储能系统充放电倍率及其充放电深度和SOC (state of charge) 为约束条件,建立了多目标多约束配置优化模型. 采用多目标优化方法获取Pareto前沿,同时给出了体积/重量可接受、经济性最优的推荐方案确定方法. 仿真结果表明,多目标匹配优化方法配置的有轨电车燃料电池混合动力系统满足了所有设计指标,混合动力系统全寿命周期成本从7 000万元降为1 500万元.

    • 图 1有轨电车用混合动力系统拓扑

      Figure 1.Topology of hybrid power system in trams

      图 2牵引电机转矩-转速图

      Figure 2.Torque-speed diagram of traction motor

      图 3混合动力系统配置优化流程

      Figure 3.Flow chart of configuration optimization of hybrid power system

      图 4混合动力系统需求功率

      Figure 4.Power demand of hybrid power system

      图 5多目标模型成本-体积的Pareto前沿

      Figure 5.Pareto front of multi-objective model

      图 6混合动力系统输出功率

      Figure 6.Power output of hybrid system

      图 7燃料电池系统输出功率、电压和电流

      Figure 7.Power,voltage and current of fuel cell system

      图 8动力电池输出功率、电压、电流和SOC

      Figure 8.Power,voltage,current and SOC of batterys

      图 9超级电容输出功率、电压、电流和SOC

      Figure 9.Power,voltage,current and SOC of supercapacitors

      图 10有轨电车的速度和加速度

      Figure 10.Tram speed and acceleration

      表 1混合动力机车主要设计参数

      Table 1.Specifications of hybrid tram

      参数 取值
      车重/t 58
      载客量/人 360
      车轮半径/m 0.333
      辅助功率/kW 40
      最大速度/(km•h−1 70
      巡航速度/(km•h−1 30
      最大加速度/(m•s−2 1.2
      平均加速度(0~70 km/h)/ (m•s−2 0.6
      最大爬坡度/‰ 50
      下载: 导出CSV

      表 2燃料电池主要参数

      Table 2.Main parameters of fuel cells

      参数 取值
      总功率/kW 150
      电压范围/V 465~750
      最大电流/A 320
      质量/kg 404
      尺寸/mm 1 530/871/495
      下载: 导出CSV

      表 3动力电池主要参数

      Table 3.Main parameters of batteries

      参数 取值
      额定电压/V 2.4
      额定容量/(A•h) 26
      体积/m−3 6.40 × 10−4
      功率单价/(元•W−1 1.5
      容量单价/(元•W−1•h−1 1.0
      维护单价/(× 10−5元•W−1•h−2 5.0
      循环寿命/次 20 000
      下载: 导出CSV

      表 4超级电容主要参数

      Table 4.Main parameters of supercapacitors

      参数 取值
      额定电压/V 48
      额定容量/F 165
      体积//m−3 0.014 5
      功率单价/(元•W−1 1.5
      容量单价/(元•W−1•h−1 27.0
      维护单价/(× 10−5元•W−1•h−2 5.0
      循环寿命/次 500 000
      下载: 导出CSV

      表 5燃料电池混合动力系统推荐方案

      Table 5.Optimal configuration of fuel-cell hybrid system

      燃料电池 动力电池 超级电容
      150 kW 1 套 15 串 6 并 216 串 3 并
      下载: 导出CSV
    • 陈维荣,钱清泉,李奇. 燃料电池混合动力列车的研究现状与发展趋势[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报,2009,44(1): 1-6.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.2009.01.001

      CHEN Weirong, QIAN Qingquan, LI Qi. Investigation status and development trend of hybrid power train based on fuel cell[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2009, 44(1): 1-6.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.2009.01.001
      陈维荣,时方力,戴朝华,等. 基于动态混合度的储能式有轨电车能量管理策略[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报,2020,55(2): 412-419.

      CHEN Weirong, SHI Fangli, DAI Chaohua, et al. Energy management strategy of hybrid tram based on dynamic degree of hybrd[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(2): 412-419.
      GARCIA P, FEMANDEZ L M, CARCIA C A, et al. Energy management system of fuel-cell-battery hybrid tramway[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2010, 57(12): 4013-4023.doi:10.1109/TIE.2009.2034173
      TERAVA N, FUJII M T. Development of an NE train[J]. J. R. East Technical Review, 2006, 156(4): 62-70.
      张海军,马永红. 现代有轨电车无接触网供电方案比较分析[J]. 现代交通技术,2013,10(4): 79-82.

      ZHANG Haijun, MA Yonghong. Comparative analysis of no-catenary power supply modes for modern trams[J]. Modern Transportation Technology, 2013, 10(4): 79-82.
      CHEN Weirong, PENG Fei, LIU Zhixiang, et al. System integration of China's first PEMFC loco-motive[J]. Journal of Modern Transportation, 2013, 21(3): 163-168.doi:10.1007/s40534-013-0020-0
      陈维荣,卜庆元,刘志祥,等. 燃料电池混合动力有轨电车动力系统设计[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报,2016,51(3): 430-436.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.2016.03.003

      CHEN Weirong, PU Qingyuan, LIU Zhixiang, et al. Power system design for a fuel cell hybrid power tram[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2016, 51(3): 430-436.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.2016.03.003
      陈维荣,张国瑞,孟翔,等. 燃料电池混合动力有轨电车动力性分析与设计[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报,2017,52(1): 1-8.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.2017.01.001

      CHEN Weirong, ZHANG Guorui, MENG Xiang, et al. Dynamic performance analysis and design of fuel cell hybrid locomotive[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2017, 52(1): 1-8.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.2017.01.001
      陈骏亚. 有轨电车用燃料电池混合动力系统设计[D]. 成都: 江南娱乐网页版入口官网下载安装, 2016.
      韩晓娟,程成,籍天明,等. 计及电池使用寿命的混合储能系统容量优化模型[J]. 中国电机工程学报,2013,33(34): 91-97.

      HAN Xiaojuan, CHEN cheng, JI Tianming, et al. Capacity optimal modeling of hybrid energy storage systems considering battery life[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(34): 91-97.
      杨珺,张建成,桂勋. 并网风光发电中混合储能系统容量优化配置[J]. 电网技术,2013,37(5): 1209-1216.

      YANG Jun, ZHANG Jiancheng, GUI Xun. Capacity optimization of hybrid energy storage system in grid-connected wind and PV power generation system[J]. Power System Technology, 2013, 37(5): 1209-1216.
      BUERGER S, LOHMANN B, MERZ M, et al. Multi-objective optimization of hybrid electric vehicles considering fuel consumption and dynamic performance[J]. Vehicle Power & Propulsion Conference, 2011, 91(5): 1-6.
      ALONSA E, RUIZ J, ASTRUC D. Power management optimization of an experimental fuel cell/battery/supercapacitor hybrid system[J]. Energies, 2015, 8(7): 6302-6327.doi:10.3390/en8076302
      ODEIM F, ROSE J, HEINZEL A. Power management optimization of a fuel cell/battery/super-capacitor hybrid system for transit bus applications[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(7): 5783-5788.doi:10.1109/TVT.2015.2456232
      张抗抗,徐梁飞,华剑锋,等. 基于多目标优化的纯电动车动力系统参数匹配方法[J]. 汽车工程,2015,37(7): 757-765.doi:10.3969/j.issn.1000-680X.2015.07.004

      ZHANG Kangkang, XU Liangfei, HUA Jianfeng, et al. A parameter matching method for the powertrain of battery electric vehicle based on multi-objective optimization[J]. Automotive Engineering, 2015, 37(7): 757-765.doi:10.3969/j.issn.1000-680X.2015.07.004
    • 加载中
    图(10)/ 表(5)
    计量
    • 文章访问数:800
    • HTML全文浏览量:318
    • PDF下载量:24
    • 被引次数:0
    出版历程
    • 收稿日期:2018-05-22
    • 修回日期:2019-11-26
    • 网络出版日期:2020-03-09
    • 刊出日期:2020-06-01

    目录

      /

        返回文章
        返回
          Baidu
          map