• ISSN 0258-2724
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燃料电池混合动力系统参数匹配与多目标优化

李奇 孟翔 陈维荣 张国瑞

李奇, 孟翔, 陈维荣, 张国瑞. 燃料电池混合动力系统参数匹配与多目标优化[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(5): 1079-1086. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170117
引用本文: 李奇, 孟翔, 陈维荣, 张国瑞. 燃料电池混合动力系统参数匹配与多目标优化[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(5): 1079-1086. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170117
LI Qi, MENG Xiang, CHEN Weirong, ZHANG Guorui. Parameter Matching and Multi-objective Optimization of Fuel Cell Hybrid System[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(5): 1079-1086. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170117
Citation: LI Qi, MENG Xiang, CHEN Weirong, ZHANG Guorui. Parameter Matching and Multi-objective Optimization of Fuel Cell Hybrid System[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(5): 1079-1086. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170117

燃料电池混合动力系统参数匹配与多目标优化

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170117
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(61473238),国家重点研发计划资助项目(2017YFB1201003-019)
详细信息
    作者简介:

    李奇(1984—),男,教授,博士,研究方向为微电网运行与控制、新能源发电系统优化与控制、燃料电池混合动力机车系统能量管理、电力系统稳定与控制等,E-mail:liqi0800@163.com

  • 中图分类号: V221.3

Parameter Matching and Multi-objective Optimization of Fuel Cell Hybrid System

  • 摘要: 在满足机车动力性能需求的条件下,运用参数匹配方法对燃料电池系统的重量、体积指标进行了优化. 首先,搭建了机车动力学模型,针对列车运行的加速启动、匀速爬坡、最大时速运行3种关键工况,分别得到3个需求功率峰值;其次,基于传统方法,以最大需求功率峰值为目标,分析了超级电容-动力电池配比;然后,在传统方法基础上,采用改进粒子群算法(improved particle swarm optimization,IPSO),进行了基于系统重量和体积的多目标优化参数匹配计算,得到了最优解;最后,对传统方法和多目标优化方法进行了对比分析. 研究结果表明:两种方法均能满足列车动力需求;采用多目标优化方法,为同型燃料电池混合动力有轨电车配置2套150 kW燃料电池,124个超级电容(48 V,165 F)和337个动力电池(3.7 V,9 A•h). 车辆经32.24 s加速可达时速70 km/h,最大爬坡能力为85.5‰,持续爬坡能力为732.5 m;相比较传统方法,重量和体积优化率分别达到83.075%和86.696%.

     

  • 图 1  机车动力学模型

    Figure 1.  Dynamic model of fuel cell hybrid tram

    图 2  燃料电池混合动力机车整车模型

    Figure 2.  Structure of fuel cell tram

    图 3  改进粒子群优化算法流程

    Figure 3.  Flow chart of IPSO

    图 4  目标函数收敛曲线

    Figure 4.  Convergence curve of objective function

    图 5  加速启动过程的速度、加速度

    Figure 5.  Speed-time curve during start-up acceleration

    表  1  燃料电池主要参数数据

    Table  1.   Main parameters of fuel cell

    参数取值
    总功率/kW150
    工作电压/V465~730
    最大电流/A300
    燃料氢气
    氧化剂空气
    电池重量/kg404
    电池尺寸1 530 mm × 871 mm × 495 mm
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    表  2  超级电容主要参数数据

    Table  2.   Main parameters of supercapacitor

    参数取值
    额定容量/F165
    额定电压/V48
    最低工作电压/V24
    可用比功率/(W•kg−13 300
    电容重量/kg13.9
    电容尺寸418 mm × 194 mm × 179 mm
    最大持续电流/A100
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    表  3  动力电池主要参数数据

    Table  3.   Main parameters of battery

    参数取值
    额定电压/V 3.7
    额定容量/(A•h) 10
    电池内阻/Ω 1.5
    放电截止电压/V 2
    最大充电电压/V 4.1
    最大放电电流/(A•h) 120
    电池重量/kg 0.3
    电池尺寸 203 mm × 127 mm × 6 mm
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    表  4  目标车辆动力性能指标

    Table  4.   Dynamic performance index of the tram in this study

    参数取值
    车重/t48.6
    载客/人267 (60 kg/人)
    载重/t16.02
    最高时速/(km•h−170
    运营速度(km•h−130
    最大加速度(m•s−21
    辅变功率/kW20
    最大爬坡角度/‰70
    惯性系数Aω2.910 0
    惯性系数Bω0.091 0
    惯性系数Cω0.000 7
    回转质量系数0.100 0
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    表  5  两设计方案结果对比

    Table  5.   Comparison of the two design methods

    参数传统方法多目标优化方法
    燃料电池数量/套22
    超级电容数量/个160124
    动力电池数量/个668337
    系统总质量/kg6 939.905 765.33
    系统总体积/m37.546.54
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-02-22
  • 修回日期:  2018-04-21
  • 网络出版日期:  2018-07-11
  • 刊出日期:  2019-10-01

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