CN105253139A - 燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法，涉及混合动力驱动技术领域，所解决的是改善燃料电池动态响应特性，及提高燃料电池的耐久性的技术问题。该方法让燃料电池的功率输出跟随负载的稳态输出变化，实现燃料电池与蓄电池之间功率的合理分配；以蓄电池的荷电状态为依据对蓄电池的充放电进行控制，使蓄电池的SOC值在理想范围内变动，并通过对电流控制型DC/DC变换器的控制实现燃料电池的输出功率调节，保持蓄电池的SOC在稳定状态，实现对蓄电池的充放电管理，并将可拓控制应用到变换器的控制中，使混合能量系统获得更好的性能。本发明提供的方法，适用于燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统。

Description

燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法

技术领域

本发明涉及混合动力驱动技术，特别是涉及一种燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法的技术。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)不受卡诺循环的限制，具有高功率密度、低运行温度、快速启动、高稳定性、清洁、易高度模块化等优点，成为解决能源枯竭和环境污染的主要驱动能源。

燃料电池内部的电化学和热力学反应较为缓慢，动态响应具有一定的时滞，难以满足负载快速变化的要求。然而对于许多的电气设备，如机器人、电动汽车等在运行过程中，运动状态会发生突变，短时间内可能存在较高的脉冲功率需求，导致燃料电池的应用范围受到了限制。为解决此问题，满足制动能量回收的要求，一般采用蓄电池或者超级电容作为辅助储能装置，与燃料电池共同构成多能源混合动力系统。因此，对以燃料电池为基础构成的混合动力系统的研究具有积极意义。

燃料电池混合动力系统中燃料电池作为较为复杂的动态系统，如何改善燃料电池的动态响应特性，提高燃料电池的耐久性，并根据运行工况快速多变的要求将负载功率需求实现在燃料电池与辅助储能装置间的合理分配，实现多能源系统的功率平衡控制，保证系统在各种工况下平稳高效运行，是其控制中的难点与关键。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能改善燃料电池的动态响应特性，提高燃料电池的耐久性，且能实现功率平衡控制，保证系统在各种工况下平稳高效运行的燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法，涉及配置有燃料电池、蓄电池及DC/DC变换器的混合动力驱动系统，其特征在于：采用方法1控制燃料电池，采用方法2控制蓄电池，采用方法3控制DC/DC变换器；

方法1：燃料电池控制

1.1)根据负载功率需求P_demand及混合动力驱动系统当前的工作状态，分配燃料电池和蓄电池的输出功率，得到燃料电池的输出功率P_fuel；

1.2)根据燃料电池的输出功率P_fuel与实时采集得到的燃料电池的输出电压U_fc计算出燃料电池的期望输出电流I_fc，作为负载电流的参考给定，具体计算公式为：

I_fc＝P_fuel/U_fc

1.3)令蓄电池的输出功率P_bat跟随负载功率需求P_demand及燃料电池的输出功率P_fuel的差值自适应变化，跟随公式为：

P_bat＝P_demand-P_fuel

1.4)对燃料电池的输出端电流进行限制，使得燃料电池的输出功率在0至额定最大输出功率之间，并且通过改变DC/DC变换器的占空比的方式，将燃料电池的输出电流调节为期望输出电流I_fc；

方法2：蓄电池控制

计算蓄电池的实时SOC值与预先设定的标准值SOC_ref之间的偏差，并根据计算值对蓄电池进行充放电管理；

如果蓄电池的实时SOC值与标准值SOC_ref之间的偏差的绝对值大于5％，且蓄电池的实时SOC值大于蓄电池的标准值SOC_ref，则对蓄电池进行放电，直至蓄电池的实时SOC值与标准值SOC_ref之间的偏差的绝对值小于5％；

如果蓄电池的实时SOC值与标准值SOC_ref之间的偏差的绝对值大于5％，且蓄电池的实时SOC值小于蓄电池的标准值SOC_ref，则对蓄电池进行充电，直至蓄电池的实时SOC值与标准值SOC_ref之间的偏差的绝对值小于5％；

方法3：DC/DC变换器控制

构建可拓控制器，利用可拓控制器对DC/DC变换器进行控制，可拓控制器的构建步骤如下：

3.1)定义可拓控制器的控制偏差为e，偏差微分为ec，有e＝I_fc-I，ec＝de/dt；

其中，I_fc为燃料电池的期望输出电流；I为DC/DC变换器的输出电流；

3.2)设e与ec的特征平面的原点为S₀(0,0)，则定义：

$M_0=\sqrt{{e_{om}}^2+{{\mathrm{ec}}_{om}}^2}$

$M_{-1}=\sqrt{{e_m}^2+{{\mathrm{ec}}_m}^2}$

其中，e_om为经典域的偏差，ec_om为经典域的偏差微分，e_m为可拓域的偏差，ec_m为可拓域的偏差微分；

3.3)设S(e,ec)为e与ec的特征平面上的任意一点,得到关联函数为：

$K\left(S\right)=\left\{\begin{array}{cc}1-\left|{\mathrm{SS}}_0\right|/M_0& S\∈R_{oy}\\ M_0-\left|{\mathrm{SS}}_0\right|/(M_{-1}-M_0)& S\∉R_{oy}\end{array}\right.$

$\left|{\mathrm{SS}}_0\right|=\sqrt{k_1{e}^2+k_2{\mathrm{ec}}^2}$

其中，R_oy为经典域，k₁、k₂为加权系数；

3.4)得到可拓控制器的控制模型公式为：

$\left\{\begin{array}{cc}u\left(t\right)=u(t-1)& K\left(S\right)\&GreaterEqual;0\\ u\left(t\right)=-K\left(S\right)\&times;sgn\left(e\right)+\mathrm{\&epsiv;}& -1\&le;K\left(S\right)<0\\ u\left(t\right)=u_M& K\left(S\right)<-1\end{array}\right.$

$sgn\left(e\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& e>0\\ 0& e=0\\ -1& e<0\end{array}\right.$

$\mathrm{\&epsiv;}=\left\{\begin{array}{cc}{K}_I\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}edt+K_P& \left|e\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}\\ 0& \left|e\right|<\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$

其中，t表示对DC/DC变换器的输出电流进行采样的采样时刻，u(t)为可拓控制器在t时刻的输出值，u(t-1)为可拓控制器在t-1时刻的输出值，ε为修正量，K_I、K_P为适当常数，δ为正小数，u_M是大于0的常数。

进一步的，所述方法3中，e_om的典型值为0.001，ec_om的典型值为0.005，e_m的典型值为0.5，ec_m的典型值为0.1，k₁的典型值为0.3，k₂的典型值为0.1，K_I的典型值为0.026，K_P的典型值为6.25，δ的典型值为0.002，u_M的典型值为1。

本发明提供的燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法，燃料电池的功率输出以负载的稳态功率需求为依据能够跟随负载的稳态输出变化而变化，提高了燃料电池的耐久性，能实现燃料电池与蓄电池之间功率的合理分配，并以蓄电池的荷电状态为依据对蓄电池的充放电进行控制，将蓄电池的荷电状态维持在预定区域，将可拓控制应用到DC/DC变换器的控制中，改善了系统的动态响应特性，即改善了DC/DC变换器对输出电流跟踪的鲁棒性及动态响应特性，使系统更有效、安全地运行，可以充分发挥燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统的效能。

附图说明

图1是本发明实施例的燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法中，蓄电池的SOC值为50时，蓄电池的SOC值变化曲线图；

图2是本发明实施例的燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法中，蓄电池的SOC值为60时，蓄电池的SOC值变化曲线图；

图3是本发明实施例的燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法中，蓄电池的SOC值为70时，蓄电池的SOC值变化曲线图；

图4是本发明实施例的燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法中，特征状态的可拓集合图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围，本发明中的顿号均表示和的关系。

如图1-图4所示，本发明实施例所提供的一种燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法，涉及配置有燃料电池、蓄电池及DC/DC变换器的混合动力驱动系统，其特征在于：采用方法1控制燃料电池，采用方法2控制蓄电池，采用方法3控制DC/DC变换器；

方法1：燃料电池控制

1.1)根据负载功率需求P_demand及混合动力驱动系统当前的工作状态，分配燃料电池和蓄电池的输出功率(该分配方法为现有技术)，得到燃料电池的输出功率P_fuel，燃料电池和蓄电池的输出功率的分配原则如下；

原则1：由燃料电池的电气特性可知，频繁地大幅度改变燃料电池的输出功率将会对燃料电池的性能、使用寿命产生较大的影响，因此应当禁止燃料电池的输出功率出现大幅度的波动；

原则2：为保证蓄电池的安全运行，需对蓄电池的充放电电流进行控制，避免过充过放；

原则3：应当优先将燃料电池作为满足负载功率需求的能量供给单元，即蓄电池在满足原则2的条件下对于负载的功率需求仅起“削峰填谷”的作用或在保证原则1的情况下工作；

1.2)根据燃料电池的输出功率P_fuel与实时采集得到的燃料电池的输出电压U_fc计算出燃料电池的期望输出电流I_fc，作为负载电流的参考给定，具体计算公式为：

I_fc＝P_fuel/U_fc

1.3)令蓄电池的输出功率P_bat跟随负载功率需求P_demand及燃料电池的输出功率P_fuel的差值自适应变化，跟随公式为：

P_bat＝P_demand-P_fuel

1.4)对燃料电池的输出端电流进行限制(由于燃料电池通过DC/DC变换器后输出电压恒定)，使得燃料电池的输出功率在0至额定最大输出功率之间，以防止燃料电池出现“燃料饥饿”，并且通过改变DC/DC变换器的占空比的方式，在将母线电压维持在设定值的前提下，将燃料电池的输出电流调节为期望输出电流I_fc(该调节方法为现有技术)；

方法2：蓄电池控制

为使蓄电池正常的工作，引入蓄电池的荷电状态反映蓄电池端的电压，从而实现对蓄电池端电压的监测与控制；

计算蓄电池的实时SOC值与预先设定的标准值SOC_ref之间的偏差，并根据计算值对蓄电池进行充放电管理；

如果蓄电池的实时SOC值与标准值SOC_ref之间的偏差的绝对值大于5％，且蓄电池的实时SOC值大于蓄电池的标准值SOC_ref，则对蓄电池进行放电，直至蓄电池的实时SOC值与标准值SOC_ref之间的偏差的绝对值小于5％；

如果蓄电池的实时SOC值与标准值SOC_ref之间的偏差的绝对值大于5％，且蓄电池的实时SOC值小于蓄电池的标准值SOC_ref，则对蓄电池进行充电，直至蓄电池的实时SOC值与标准值SOC_ref之间的偏差的绝对值小于5％；

方法3：DC/DC变换器控制

构建可拓控制器，利用可拓控制器对DC/DC变换器进行控制，使混合能量系统获得更好的性能，基于DC/DC的可拓控制器结构中，DC/DC变换器为单变量控制，可拓控制器的构建步骤如下：

3.1)定义可拓控制器的控制偏差为e，偏差微分为ec，有e＝I_fc-I，ec＝de/dt；

其中，I_fc为燃料电池的期望输出电流；I为DC/DC变换器的输出电流；

3.2)设e与ec的特征平面的原点为S₀(0,0)，则定义：

$M_0=\sqrt{{e_{om}}^2+{{\mathrm{ec}}_{om}}^2}$

$M_{-1}=\sqrt{{e_m}^2+{{\mathrm{ec}}_m}^2}$

其中，e_om为经典域的偏差，ec_om为经典域的偏差微分，e_m为可拓域的偏差，ec_m为可拓域的偏差微分，e_om的典型值为0.001，ec_om的典型值为0.005，e_m的典型值为0.5，ec_m的典型值为0.1；

3.3)设S(e,ec)为e与ec的特征平面上的任意一点,得到关联函数为：

$K\left(S\right)=\left\{\begin{array}{cc}1-\left|{\mathrm{SS}}_0\right|/M_0& S\&Element;R_{oy}\\ M_0-\left|{\mathrm{SS}}_0\right|/(M_{-1}-M_0)& S\&NotElement;R_{oy}\end{array}\right.$

$\left|{\mathrm{SS}}_0\right|=\sqrt{k_1{e}^2+k_2{\mathrm{ec}}^2}$

其中，R_oy为经典域，k₁、k₂为加权系数，k₁、k₂的取值方法为现有技术，由系统所处的特征模式确定，k₁的典型值为0.3，k₂的典型值为0.1；

3.4)得到可拓控制器的控制模型公式为：

$\left\{\begin{array}{cc}u\left(t\right)=u(t-1)& K\left(S\right)\&GreaterEqual;0\\ u\left(t\right)=-K\left(S\right)\&times;sgn\left(e\right)+\mathrm{\&epsiv;}& -1\&le;K\left(S\right)<0\\ u\left(t\right)=u_M& K\left(S\right)<-1\end{array}\right.$

$sgn\left(e\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& e>0\\ 0& e=0\\ -1& e<0\end{array}\right.$

$\mathrm{\&epsiv;}=\left\{\begin{array}{cc}{K}_I\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}edt+K_P& \left|e\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}\\ 0& \left|e\right|<\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$

其中，t表示对DC/DC变换器的输出电流进行采样的采样时刻，u(t)为可拓控制器在t时刻的输出值，u(t-1)为可拓控制器在t-1时刻的输出值，ε为修正量，K_I、K_P为适当常数，K_I、K_P的取值方法为现有技术(与PID控制中的取法相同)，δ为正小数，K_I的典型值为0.026，K_P的典型值为6.25，δ的典型值为0.002，u_M是大于0的常数，u_M的典型值为1。

Claims (2)

1.一种燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法，涉及配置有燃料电池、蓄电池及DC/DC变换器的混合动力驱动系统，其特征在于：采用方法1控制燃料电池，采用方法2控制蓄电池，采用方法3控制DC/DC变换器；

方法1：燃料电池控制

1.1)根据负载功率需求P_demand及混合动力驱动系统当前的工作状态，分配燃料电池和蓄电池的输出功率，得到燃料电池的输出功率P_fuel；

1.2)根据燃料电池的输出功率P_fuel与实时采集得到的燃料电池的输出电压U_fc计算出燃料电池的期望输出电流I_fc，作为负载电流的参考给定，具体计算公式为：

I_fc＝P_fuel/U_fc

1.3)令蓄电池的输出功率P_bat跟随负载功率需求P_demand及燃料电池的输出功率P_fuel的差值自适应变化，跟随公式为：

P_bat＝P_demand-P_fuel

1.4)对燃料电池的输出端电流进行限制，使得燃料电池的输出功率在0至额定最大输出功率之间，并且通过改变DC/DC变换器的占空比的方式，将燃料电池的输出电流调节为期望输出电流I_fc；

方法2：蓄电池控制

计算蓄电池的实时SOC值与预先设定的标准值SOC_ref之间的偏差，并根据计算值对蓄电池进行充放电管理；

如果蓄电池的实时SOC值与标准值SOC_ref之间的偏差的绝对值大于5％，且蓄电池的实时SOC值大于蓄电池的标准值SOC_ref，则对蓄电池进行放电，直至蓄电池的实时SOC值与标准值SOC_ref之间的偏差的绝对值小于5％；

如果蓄电池的实时SOC值与标准值SOC_ref之间的偏差的绝对值大于5％，且蓄电池的实时SOC值小于蓄电池的标准值SOC_ref，则对蓄电池进行充电，直至蓄电池的实时SOC值与标准值SOC_ref之间的偏差的绝对值小于5％；

方法3：DC/DC变换器控制

构建可拓控制器，利用可拓控制器对DC/DC变换器进行控制，可拓控制器的构建步骤如下：

3.1)定义可拓控制器的控制偏差为e，偏差微分为ec，有e＝I_fc-I，ec＝de/dt；

其中，I_fc为燃料电池的期望输出电流；I为DC/DC变换器的输出电流；

3.2)设e与ec的特征平面的原点为S₀(0,0)，则定义：

$M_0=\sqrt{{e_{om}}^2+{{\mathrm{ec}}_{om}}^2}$

$M_{-1}=\sqrt{{e_m}^2+{{\mathrm{ec}}_m}^2}$

其中，e_om为经典域的偏差，ec_om为经典域的偏差微分，e_m为可拓域的偏差，ec_m为可拓域的偏差微分；

3.3)设S(e,ec)为e与ec的特征平面上的任意一点,得到关联函数为：

$K\left(S\right)=\left\{\begin{array}{cc}1-\left|{\mathrm{SS}}_0\right|/M_0& S\&Element;R_{oy}\\ M_0-\left|{\mathrm{SS}}_0\right|/(M_{-1}-M_0)& S\&NotElement;R_{oy}\end{array}\right.$

$\left|{\mathrm{SS}}_0\right|=\sqrt{k_1{e}^2+k_2{\mathrm{ec}}^2}$

其中，R_oy为经典域，k₁、k₂为加权系数；

3.4)得到可拓控制器的控制模型公式为：

$\left\{\begin{array}{cc}u\left(t\right)=u(t-1)& K\left(S\right)\&GreaterEqual;0\\ u\left(t\right)=-K\left(S\right)\&times;sgn\left(e\right)+\mathrm{\&epsiv;}& -1\&le;K\left(S\right)<0\\ u\left(t\right)=u_M& K\left(S\right)<-1\end{array}\right.$

$sgn\left(e\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& e>0\\ 0& e=0\\ -1& e<0\end{array}\right.$

$\mathrm{\&epsiv;}=\left\{\begin{array}{cc}{K}_I\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}edt+K_P& \left|e\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}\\ 0& \left|e\right|<\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$

其中，t表示对DC/DC变换器的输出电流进行采样的采样时刻，u(t)为可拓控制器在t时刻的输出值，u(t-1)为可拓控制器在t-1时刻的输出值，ε为修正量，K_I、K_P为适当常数，δ为正小数，u_M是大于0的常数。

2.根据权利要求1所述的燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法，其特征在于：所述方法3中，e_om的典型值为0.001，ec_om的典型值为0.005，e_m的典型值为0.5，ec_m的典型值为0.1，k₁的典型值为0.3，k₂的典型值为0.1，K_I的典型值为0.026，K_P的典型值为6.25，δ的典型值为0.002，u_M的典型值为1。