无接触网供电城轨车辆复合动力储能系统状态评估方法研究
发布时间：2021-09-06 14:26
近年来,随着我国经济实力的不断增强,城市人口不断增加,城市交通拥堵问题日益突出,城市轨道交通由于具有运量大、准点、高效、舒适性好等优势越来越受到人们的青睐,无接触网供电城轨车辆具有特殊的优势。本课题依据国家重点研发计划《城轨交通新型供电制式车辆及其车载储能技术质量检测监测与运维保障技术》,以无接触网供电城轨车辆复合动力储能系统为研究对象,评估其系统的健康状态,为城轨车辆安全可靠准点运行提供保障。论文首先完成了列车复合储能系统储能元件等效电路模型的构建。分析蓄电池和超级电容器的基本工作原理和特性,对比常用的等效电路模型,结合城轨车用工况的特点,分别建立了适当的等效电路模型。针对建立的等效电路模型,采用遗忘因子最小二乘算法（FFLS）辨识其模型参数,基于Matlab/Simulink平台搭建了蓄电池二阶RC等效电路模型和超级电容器时变等效仿真模型,在设定的试验工况下对模型进行验证,结果表明,本文所建立的两种等效电路模型其仿真电压与实际测量电压误差较小（5%以内）,能满足进一步研究的要求。其次,完成对蓄电池的健康状态（State-of-health,SOH）与超级电容器的荷电状态（State...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
截至2019年6月30日中国内地各城市城轨交通运营线路长度汇总
无接触网供电复合动力储能系统状态评估方法研究-8-表2.1动力电池性能参数对比电池类型镉—镍镍—氢密封铅酸磷酸铁锂钛酸锂比能量(Wh/kg)50—8070—9535—5012080—100比功率(W/kg)200200—300200—5002000—45004000能量密度(Wh/L)300180—22093—99220100生命周期(次)<2000<3000<500>200018000自放电率%(月)203051010记忆效应较大较小无无无环境污染镉污染无铅污染无无价格($/kWh)250—300200—250100—1503502000综上分析，每一种电池都各有利弊，经比较，锂电池更加符合复合动力储能列车的需要通过世界各国对锂电池研究投入的加大和多年的积累，锂电池在安全性和成本上的不足都逐渐得到了解决，且锂电池的容量和功率优势较大，复合动力储能系统的蓄电池越来越多的青睐于选用锂电池。2.1.2锂离子电池工作原理锂离子电池由四部分构成，分别是：正极，负极，电解质和隔膜。正电极和负电极是两种可逆的脱嵌的锂离子化合物。图2.1所示为锂离子电池充电及放电的示意图，充电时，锂离子电池与正极层状物的晶格分离开，通过电解液转移到负极层状物的晶格中，同时其余电子由外围电路转移到负极。放电则反之。为了确保两极之间电荷相等，在充放电的过程中会有同等电荷量的电子由外围电路中转移，锂离子与电子在两极之间来回移动即可形成电位差。图2.1锂离子电池充放电原理示意图
无接触网供电复合动力储能系统状态评估方法研究-10-2.2超级电容器简介2.2.1超级电容器的基本原理及分类超级电容器是近年来兴起的新型储能元件，与传统的蓄电池结构非常相似，但又区别于传统的蓄电池，弥补了蓄电池难以克服的缺点，主要体现在它的功率密度大、充电速度快、寿命长等方面。它与蓄电池相辅相成构成的复合动力储能系统应运而生，能够有效地解决车辆在行驶时发生的动力源不足问题，并且在近年来得到不断发展和应用，具有广泛的应用前景。根据电化学原理的不同可以分为双电层电容器和赝电容储能，其中双电层电容是目前使用最为广泛的一种。双电层电容利用多孔材料和电解质之间形成的双电层电容来贮存能量，利用活性炭作为电极，以便于增加电极与电解液的接触面积。给电容充电时，其电极上的电荷根据同种电荷相互排斥异种电荷相互吸引的规则吸引电解质中的异性电荷，从而这些异性电荷吸附在电极表面上形成双电荷层，因此称之为双电层电容。同时电荷层之间的距离微乎其微，通常低于0.5nm，并且其电极结构特殊使得电极表面的电荷量数以万计，根据公式(2.1)可知，该电容可以具有极大的电容量，双电层超级电容器的工作原理如图2.2所示。根据电容值的计算公式：=SCd(2.1)式中，C为电容量，为介电常数，S为电极表面积，d为电荷层之间的距离。图2.2双电层电容储能原理示意图图2.2中(a)图表示无外加电源时电位，(b)图表示有外加电源时电位，1为双电层，2
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于自适应无迹卡尔曼滤波的动力电池健康状态检测及梯次利用研究[J]. 颜湘武,邓浩然,郭琪,曲伟. 电工技术学报. 2019(18)
[2]基于扩展卡尔曼滤波的锂电池SOC估算[J]. 王党树,王新霞. 电源技术. 2019(09)
[3]基于改进粒子滤波的锂离子电池RUL预测[J]. 刘亚姣,刘振泽,宋晨辉. 吉林大学学报(信息科学版). 2018(02)
[4]基于粒子滤波算法的锂离子电池剩余寿命预测方法研究[J]. 张凝,徐皑冬,王锴,韩晓佳,Seung Ho Hong. 高技术通讯. 2017(08)
[5]基于自适应无迹卡尔曼滤波器的锂电池SOC估计[J]. 曹夏令,费亚龙,孙绍博,谢长君. 电力电子技术. 2017(07)
[6]一种蓄电池和超级电容器复合储能系统[J]. 郭亮,贾彦,康丽,王灿. 储能科学与技术. 2017(02)
[7]最小二乘法在超级电容器参数辨识中的应用[J]. 唐刚. 电子元件与材料. 2015(07)
[8]基于遗传算法改进的粒子滤波重采样模型（英文）[J]. 张民,贾海涛,沈震. 电子科技大学学报. 2015(03)
[9]基于参数优化的最小二乘支持向量机HEV阀控铅酸蓄电池SOC预测[J]. 王琪,孙玉坤,黄永红. 中南大学学报(自然科学版). 2015(01)
[10]锂离子电池健康评估和寿命预测综述[J]. 刘大同,周建宝,郭力萌,彭宇. 仪器仪表学报. 2015(01)
博士论文
[1]新能源城轨车辆车载储能系统的关键技术研究[D]. 程龙.北京交通大学 2018
[2]电动车辆用超级电容建模与状态估计算法研究[D]. 张雷.北京理工大学 2016
硕士论文
[1]锂离子电池健康状态评估及剩余寿命预测方法[D]. 曾文文.安徽理工大学 2019
[2]城市轨道交通混合动力牵引系统研究[D]. 王爱民.长安大学 2017
[3]电动汽车锂离子电池健康状态估计及寿命预测方法研究[D]. 周秀文.吉林大学 2016
[4]动力电池SOH估计及故障预测方法研究[D]. 卢明哲.北京工业大学 2015
[5]超级电容器及其复合储能系统荷电状态研究[D]. 季炳成.大连理工大学 2015
[6]电动汽车动力电池SOH在线实时估计算法研究[D]. 汤露曦.广东工业大学 2015
[7]纯电动汽车锂电池组健康状态（SOH）的估计研究[D]. 康燕琼.北京交通大学 2015
[8]锂离子动力电池剩余容量估计算法研究与实现[D]. 许巧巧.重庆大学 2013
[9]基于粒子滤波的锂离子电池剩余寿命预测方法研究[D]. 罗悦.哈尔滨工业大学 2012
[10]高速列车运行能耗测算方法及其影响因素量化分析[D]. 陈涛.北京交通大学 2011
本文编号：3387624
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
截至2019年6月30日中国内地各城市城轨交通运营线路长度汇总
无接触网供电复合动力储能系统状态评估方法研究-8-表2.1动力电池性能参数对比电池类型镉—镍镍—氢密封铅酸磷酸铁锂钛酸锂比能量(Wh/kg)50—8070—9535—5012080—100比功率(W/kg)200200—300200—5002000—45004000能量密度(Wh/L)300180—22093—99220100生命周期(次)<2000<3000<500>200018000自放电率%(月)203051010记忆效应较大较小无无无环境污染镉污染无铅污染无无价格($/kWh)250—300200—250100—1503502000综上分析，每一种电池都各有利弊，经比较，锂电池更加符合复合动力储能列车的需要通过世界各国对锂电池研究投入的加大和多年的积累，锂电池在安全性和成本上的不足都逐渐得到了解决，且锂电池的容量和功率优势较大，复合动力储能系统的蓄电池越来越多的青睐于选用锂电池。2.1.2锂离子电池工作原理锂离子电池由四部分构成，分别是：正极，负极，电解质和隔膜。正电极和负电极是两种可逆的脱嵌的锂离子化合物。图2.1所示为锂离子电池充电及放电的示意图，充电时，锂离子电池与正极层状物的晶格分离开，通过电解液转移到负极层状物的晶格中，同时其余电子由外围电路转移到负极。放电则反之。为了确保两极之间电荷相等，在充放电的过程中会有同等电荷量的电子由外围电路中转移，锂离子与电子在两极之间来回移动即可形成电位差。图2.1锂离子电池充放电原理示意图
无接触网供电复合动力储能系统状态评估方法研究-10-2.2超级电容器简介2.2.1超级电容器的基本原理及分类超级电容器是近年来兴起的新型储能元件，与传统的蓄电池结构非常相似，但又区别于传统的蓄电池，弥补了蓄电池难以克服的缺点，主要体现在它的功率密度大、充电速度快、寿命长等方面。它与蓄电池相辅相成构成的复合动力储能系统应运而生，能够有效地解决车辆在行驶时发生的动力源不足问题，并且在近年来得到不断发展和应用，具有广泛的应用前景。根据电化学原理的不同可以分为双电层电容器和赝电容储能，其中双电层电容是目前使用最为广泛的一种。双电层电容利用多孔材料和电解质之间形成的双电层电容来贮存能量，利用活性炭作为电极，以便于增加电极与电解液的接触面积。给电容充电时，其电极上的电荷根据同种电荷相互排斥异种电荷相互吸引的规则吸引电解质中的异性电荷，从而这些异性电荷吸附在电极表面上形成双电荷层，因此称之为双电层电容。同时电荷层之间的距离微乎其微，通常低于0.5nm，并且其电极结构特殊使得电极表面的电荷量数以万计，根据公式(2.1)可知，该电容可以具有极大的电容量，双电层超级电容器的工作原理如图2.2所示。根据电容值的计算公式：=SCd(2.1)式中，C为电容量，为介电常数，S为电极表面积，d为电荷层之间的距离。图2.2双电层电容储能原理示意图图2.2中(a)图表示无外加电源时电位，(b)图表示有外加电源时电位，1为双电层，2
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于自适应无迹卡尔曼滤波的动力电池健康状态检测及梯次利用研究[J]. 颜湘武,邓浩然,郭琪,曲伟. 电工技术学报. 2019(18)
[2]基于扩展卡尔曼滤波的锂电池SOC估算[J]. 王党树,王新霞. 电源技术. 2019(09)
[3]基于改进粒子滤波的锂离子电池RUL预测[J]. 刘亚姣,刘振泽,宋晨辉. 吉林大学学报(信息科学版). 2018(02)
[4]基于粒子滤波算法的锂离子电池剩余寿命预测方法研究[J]. 张凝,徐皑冬,王锴,韩晓佳,Seung Ho Hong. 高技术通讯. 2017(08)
[5]基于自适应无迹卡尔曼滤波器的锂电池SOC估计[J]. 曹夏令,费亚龙,孙绍博,谢长君. 电力电子技术. 2017(07)
[6]一种蓄电池和超级电容器复合储能系统[J]. 郭亮,贾彦,康丽,王灿. 储能科学与技术. 2017(02)
[7]最小二乘法在超级电容器参数辨识中的应用[J]. 唐刚. 电子元件与材料. 2015(07)
[8]基于遗传算法改进的粒子滤波重采样模型（英文）[J]. 张民,贾海涛,沈震. 电子科技大学学报. 2015(03)
[9]基于参数优化的最小二乘支持向量机HEV阀控铅酸蓄电池SOC预测[J]. 王琪,孙玉坤,黄永红. 中南大学学报(自然科学版). 2015(01)
[10]锂离子电池健康评估和寿命预测综述[J]. 刘大同,周建宝,郭力萌,彭宇. 仪器仪表学报. 2015(01)
博士论文
[1]新能源城轨车辆车载储能系统的关键技术研究[D]. 程龙.北京交通大学 2018
[2]电动车辆用超级电容建模与状态估计算法研究[D]. 张雷.北京理工大学 2016
硕士论文
[1]锂离子电池健康状态评估及剩余寿命预测方法[D]. 曾文文.安徽理工大学 2019
[2]城市轨道交通混合动力牵引系统研究[D]. 王爱民.长安大学 2017
[3]电动汽车锂离子电池健康状态估计及寿命预测方法研究[D]. 周秀文.吉林大学 2016
[4]动力电池SOH估计及故障预测方法研究[D]. 卢明哲.北京工业大学 2015
[5]超级电容器及其复合储能系统荷电状态研究[D]. 季炳成.大连理工大学 2015
[6]电动汽车动力电池SOH在线实时估计算法研究[D]. 汤露曦.广东工业大学 2015
[7]纯电动汽车锂电池组健康状态（SOH）的估计研究[D]. 康燕琼.北京交通大学 2015
[8]锂离子动力电池剩余容量估计算法研究与实现[D]. 许巧巧.重庆大学 2013
[9]基于粒子滤波的锂离子电池剩余寿命预测方法研究[D]. 罗悦.哈尔滨工业大学 2012
[10]高速列车运行能耗测算方法及其影响因素量化分析[D]. 陈涛.北京交通大学 2011
本文编号：3387624
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