• ISSN 0258-2724
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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

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]. 西南交通大学学报, 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]. 西南交通大学学报, 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
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    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
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    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
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    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
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    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
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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

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