氢燃料电池有轨电车混合储能系统的节能运行优化

氢燃料电池有轨电车混合储能系统的节能运行优化

于江龙,高成琨 ,刘若颖,缪骏杰,方骁远

浙江海盐力源环保科技股份有限公司  浙江 嘉兴 314399

摘要：氢燃料电池在有轨电车的储能系统应用中会存在较大的耗能问题，同时在有轨电车运行过程中所呈现出来的耗能功效会因为负载的不同而产生一定的变化。为了能够让氢燃料电池的应用效益获得全面提升，必须要对其全局功率分配问题进行有效改善，同时要基于外部能耗的优化方式让有轨电车混合储能系统的节能运行得到有效保障。本文就以此需求为基础，对有轨电车混合储能系统的节能运行设计方案展开探究，对氢燃料电池的能耗问题优化策略进行分析，希望能够对我国的有轨电车节能设计提供一定的研究帮助。

关键词：氢燃料电池；有轨电车；混合储能系统；应用优化

引言：氢燃料电池在有轨电车混合储能系统中的应用设计能够起到节能、环保、减噪以及高能源利用等方面的优势，同样氢燃料电池也是目前有轨电车能源系统设计中最为常见和高性价比的能源电池之一。科学使用氢燃料电池来当作有轨电车动力供给，不光能够在无燃料的情况下为有轨电车提供及时的动力补给，同样也能够在有轨电车刹车的过程中完成动能回收，以此来达成有效的节能减耗的效用，同时也充分降低了传统能源对生态环境的污染效果。但是根据目前有轨电车混合储能系统中的氢燃料电池应用状况来说，其中仍旧存在一定的能源应用和管理缺陷需要得到进一步优化，必须要让其储能系统的能源利用率获得进一步提升，才能够保证氢燃料电池的使用效果得到有效彰显。

一、有轨电车混合储能系统介绍

有轨电车的混合储能系统设计主要以模块化为主，主要采用两动一拖的编组策略，所有混合储能装置都会被接上一个超级电容箱以及双向DC-DC电源电池箱。同时要在车顶中部里分别安装驾驶室动车模块以及动力转向架，以此来帮助有轨电车更好地进行质量控制以及布线。同时要在燃料电池系统的拖车模块以及拖车转向架的车厢顶部安装两套燃料电池，安装位置要处于散热器侧边，从而达成对电车供氢和供电的控制[1]。

随后创建有轨电车混合储能系统的拓扑结构，同时想要达成对锂电池以及氢燃料电池的能源控制，还需要将DC-DC变换器直接连接字直流母线上。因为在有轨电车混合储能系统中的超级电容需要达成削减峰值且填充谷值的效果，因此要结合未经变换器去将其并联在直流侧母线段上。通过这种方式让其能量源的实时状况可以被能量管控装置有效监控，并且根据实际需求对其开关展开操控，让几个系统之间相互配合，共同运作，其中有轨电车混合储能系统参数如表1所示。

表1有轨电车混合储能系统技术参数

二、氢燃料电池有轨电车混合储能系统节能运行优化方案

氢燃料电池有轨电车混合储能系统的节能运行优化目的在于将其能源功率的相应功能进行提升，要在尽可能减小氢燃料电池能源耗损的基础上确保有轨电车的负载功率，以此来进一步压缩超级电容和电池的变化范围，提升氢电池的使用期限，让混合储能系统的整体运行效率得到全面优化[2]。因为超级电容没有通过DC-DC变换器并直接并联在了母线直流端，各种节能措施的不同之处关键就在对氢燃料电池参考功率拟订方案的差异。总的来说，对于氢燃料电池有轨电车混合储能系统节能运行的优化方案主要可以从以下几个方面展开：

（一）等效氢能耗优化方案

在有轨电车混合储能系统设计中，目前有一种较为常见且高效的方法能够优化瞬时成本

函数，也就是ECMS优化算法。利用这种算法能够有效减少有轨电车运行过程中氢燃料电池的能源消耗，同时也能够让超级电容和锂电池需要的等效耗能变化范围得到进一步控制，以此来达成混合储能系统的节能运行目的。但是锂电池的等效耗能功效主要作用于填补峰值功率，所以在正常状态下的等效能耗能够忽略。同时通过此种优化算法所能够达成的节能优化效果主要取决于其等效能耗的计算准确度，并且这里的等效能耗和锂电池的能量等效因子a为正比，运算公式可以用a=1-2进行表示。在此公式里，SOC max和SOC min各自属于燃料电池SOC的上限和下限取值。代表燃料电池SOC的平衡系数。在电池SOC的取值降到其下限值以下的时候，此时等效因子的取值最大，这个时候通过ECMS管理方式对燃料电池的能源供给进行控制。

利用ECMS方案进行节能优化设计，其目标函数是锂电池等效耗能与氢燃料电池耗能的综合E的最小化，用公式表达为min E=(Pfc+a P bat)∆T，其约束条件公式为P load=Pfc+P bat，其边界条件公式为0≤a≤2，Pfc min≤Pfc≤Pfc max，且P bat min≤P bat≤P bat max，在上述公式里，P load 、P bat 以及Pfc 各自代表负载功率、锂电池和氢燃料电池，△T表示采样时间，P

fc min 和Pfc ma各自代表氢燃料电池功率的下限以及上限取值；P bat min和P bat max各自代表锂电池的功率下限和功率上限取值。

结合锂电池SOC和负载功率P load 能够有效确定氢燃料电池的参考功率，然后用氢燃料电池参考功率和电池电压以及DC-DC变换器效率的乘积相除，最后就能够获得氢燃料电池的参考电流值。混合动力系统的电压大小会受到稳压调节器的影响，为了让DC-DC变换器的电流值获得更好的控制和确定，需要进一步优化ECMS计算方法，让整个系统电压和电流值能够获得更加精确地控制。

（二）最大化的外部耗能方案设计

为了可以进一步提升电车混合储能系统的运行效率，需要合理利用SOC的限制范围去进

一步增强锂电池以及超级电容的能源输出量，也就是要让外部电源进行充分作用，让氢燃料电池的负载能获得有效地减小[3]。通过外部耗能的最大化设计可以不用再去等效能耗的问题，让目标函数里不再存在和负载功率相关的变量。其函数解析式是min G=-(P bat ∆T+½Cr△V2)，其约束条件公式是P bat ∆T≤（SOC-SOC min）V bat Q，边界条件公式是P bat min≤P bat≤P bat ma，V dc min -V dc≤∆V≤V dc max -V dc ，上述等式中，G代表相同采样周期中的最大外部电源输出电量；∆V代表锂电池的充放电压；Cr代表锂电池的额定电容；V dc min 和V dc max 代表母线电压的下限取值和上限取值。V bat和Q各自代表额定容量和超级电容的额定电压，同时SOC min为初始值的90%。

    利用EEMS计算方法去得出超级电容充放电压以及锂电池参考功率，然后以公式P load=Pfc+P bat为基础计算出氢燃料电池的参考功率，同时结合母线电压和电容电压的偏移量去得出电容充放电能量。

结束语：总的来说，在氢燃料电池有轨电车混合储能系统的节能运行优化设计中，可以充分利用EEMS计算方法，以此来进一步减少氢燃料电池的耗能，同时降低其峰值电流以及母线电压波动范围，让混合储能系统的运行状态更加高效，同时有效达成节能设计的目标。

参考文献：

[1]王策,唐聪,曲诗健.氢燃料电池有轨电车混合供电系统设计[J].智慧轨道交通,2023,60(01):69-74.

[2]黄涛. 氢燃料电池混合动力有轨电车运行能耗优化方法研究[D].西南交通大学,2021.

[3]梁建英， 氢燃料电池有轨电车关键技术研究及样车研制. 山东省，中车青岛四方机车车辆股份有限公司，2020-11-09.

本文系浙江海盐力源环保科技股份有限公司课题《车用燃料电池系统台架测试软件的研发》项目编号：LYXT23-001