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考虑列车紧急牵引长放电时间的锂离子Trojan蓄电池峰值功率预测
发布时间：2026-10-15 15:17:17 点击： 次
摘要
当电力动车组（EMU）失去接触网供电时，车载储能系统必须同时维持辅助负载，并为列车提供足够的牵引动力以到达安全停车位置。在这种情况下，由于荷电状态（SOC）、端电压和等效电路参数不断变化，在长时间放电区间内，可用电池功率并非恒定。本研究开发了一个用于紧急牵引的长时标功率状态（SOP）预测框架。应急功率流模型首先将电池功率与牵引电机需求及辅助功耗关联。随后，将二阶RC模型与快速递归最小二乘法（FRLS）相结合，用于在线SOC和参数估计，同时利用离线SOC相关参数函数在SOP预测时域内更新电池模型。在此基础上，通过迭代二分查找程序，在电池设计、SOC和端电压约束下确定峰值放电电流。最终得到的SOP进一步映射为可用的应急牵引力。验证工作包括25°C下的LTO电池测试，以及低荷电状态、多温度、方法对比、消融、路径应力及电池包层级的分析。这些结果表明，在预测时域内更新等效电路参数，相较于固定参数模型，会显著改变长时功率限制，而二分搜索的实现方式则保留了适用于车载应用的计算结构。
列车应急储能装置; 列车牵引特性; 锂电池; 功率状态
1. 引言
铁路牵引运行依赖于可靠的接触网和车载电气子系统；相关研究已涉及铁路故障诊断、电能质量调节以及受电弓-接触网动力学[1,2,3] 铁路车辆通常从接触网获取牵引动力；然而，外部电源的突然中断可能导致电力动车组（EMU）停在车站之间。车载应急储能系统可以维持必要的辅助服务并提供自推进能力，从而使列车能够到达安全的停车位置 [4,5]. 该操作的可行性不仅取决于储存的能量，还取决于电池的瞬时和随时间变化的功率能力。在紧急牵引期间，这种区别尤为重要，因为放电可能持续超过120秒，在此期间电池的SOC、端电压和内部参数可能会发生显著变化。
以往关于列车应急能量系统的研究主要涉及系统架构、能量流建模、牵引特性或电池状态估计。相关的铁路研究还考虑了车载储能的无接触网运行、牵引供电系统架构以及牵引控制监控[6,7,8,9,10]。电池状态估计已通过基于模型、滤波、数据驱动以及参数/状态联合方法进行了研究[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32]。例如，轨道车辆中的应急牵引功能和列车侧能量流关系已得到研究[4,33]，近期研究进一步探讨了紧急牵引工况下车载储能设备的SOC估算[34]。这些研究为电池辅助自推进提供了运行背景，但在长时间停电期间，可用的牵引力还取决于电池的功率状态（SOP）。因此，将紧急牵引功率视为固定能力，可能会高估随着电池状态演变所能维持的牵引力。
SOP代表在满足安全和运行限制的前提下可提供的最大充放电功率。基于模型的SOP估算通常结合等效电路模型与电流、电压及SOC约束[35,36]。扩展研究已纳入电池健康状况、分数阶动力学或在线参数自适应[37,38,39]。综述及相关SOC估算研究进一步总结了车载功率预测与自适应估算的发展[40,41]。最近的研究和综述强调，SOP的准确性在很大程度上取决于模型的保真度、参数变化、约束定义和计算实现[42,43,44]。这些问题在长预测时界内尤为突出，因为在时界开始时确定的参数集可能无法再代表电池接近其寿命终点时的状态。
为了实现车载紧急牵引，估计方法必须平衡三个要求：以适中的计算负担跟踪当前电池状态，在长预测范围内随SOC变化更新电池模型，并将所得功率限制转换为列车控制层可解析的牵引能力。为满足这些要求，本文结合了在线FRLS辨识、离线SOC相关参数映射以及基于约束的电压限制峰值电流二分查找。与我们之前专注于紧急功率流/SOC估计的工作不同[34] 和牵引特性建模 [33]，本研究重点关注长时标SOP预测，以及在峰值电流搜索过程中时变电池参数的限制级传播。
主要贡献总结如下：
本文余下部分安排如下。第2节介绍了紧急潮流模型、电池等效电路模型以及多尺度参数处理方法。第3节描述了多约束SOP估计和二分搜索过程。第4节报告了电池测试和列车模拟结果，随后是结论。2. 训练紧急牵引动力建模
所提出的计算流程被组织为连接功率流建模、参数/状态识别和SOP峰值电流搜索的顺序信息流。路径级模型首先将列车运行需求转换为电池充放电功率。随后，测得的电流和端电压通过FRLS处理，以确定当前等效电路状态和SOC。该状态初始化前向SOP窗口，在此窗口中，SOC被传播，并且在每个预测步骤中评估离线SOC相关参数函数。随后对电池设计、SOC和终端电压限制进行检查；通过二分查找获取电压限制电流，并取这三个电流限制中的最小值作为允许的放电电流。最后，将得到的SOP通过功率流关系映射为可用的应急牵引力。完整的模块接口总结在第3节.
在正常运行下，车载储能系统可吸收制动能量并支持辅助负载。在接触网断电期间，应急牵引系统必须通过双向功率转换链额外为牵引电机供电。以下小节将描述相应的功率路径以及用于长时预测的电池模型。
2.1. 列车紧急功率流模型
在正常接触网供电运行下，电能分配至牵引系统、辅助系统和储能单元。供电中断后，牵引电机和辅助负载由车载电池供电。图1展示了相关的功率转换链。双向DC-DC转换器、DC-AC转换器、牵引逆变器、电池放电路径和牵引电机的效率分别用ηdd, ηda, ηtra, ηdis，并且ηmot表示。辅助负载由PAux表示，而Pt(u,v,U)表示牵引功率，Pbat表示电池功率。
图1。列车紧急牵引电源流向框图。
再生制动功率保留在线路级能量平衡中，以便充电间隔能在下一个牵引间隔前更新电池SOC。SOP计算本身仅针对放电定义：当列车制动时，不执行放电峰值电流搜索；相反，回收的充电能量会改变电池状态，随后的放电侧SOP计算将从更新后的SOC开始。这一区别调和了双向线路功率流与本研究中使用的以放电为导向的SOP定义。
列车侧牵引需求首先与速度和电池电压相关。对于控制指令u，瞬时牵引功率写在公式(1).
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