CN107679268A - 一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法，该方法包括如下步骤：(1)建立综合评价三层模型，第一层包括燃料经济性和燃料电池耐久性2个评价指标，第二层包括多个用于评价燃料电池耐久性的燃料电池组件子指标，第三层包括影响燃料电池组价子指标的工况因素；(2)采用待评价的能量管理控制策略运行燃料电池汽车，获取燃料经济性评分以及在燃料电池在各工况因素下的衰减性评分；(3)确定各层评价权重矩阵，根据步骤(2)获取的各项评分逐层进行加权计算并得到相应能量管理控制策略下的综合评分。与现有技术相比，本发明评价结果客观可靠，可以为能量管理控制策略的改进提供指导方向。

Description

一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法

技术领域

本发明涉及一种评价方法，尤其是涉及一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法。

背景技术

由于车载燃料电池系统会频繁的经历动态加载、启动/停车、连续低载或怠速运行、高功率输出等复杂的工况，相比于固定的燃料电池系统和作为普通移动电源的燃料电池系统而言，其性能衰减情况更为严重。在现有材料技术水平的基础上，有必要对燃料电池的系统控制策略进行一定的优化改进。针对燃料电池的系统控制策略，有的学者为了减少燃料电池在启动/停车过程中的性能衰减，提出基于氮吹扫的燃料电池启停控制策略；有的学者为了减少燃料电池在冷启动过程中的性能衰减，提出了燃料电池冷启动控制策略；有的学者另辟蹊径，从整车能量管理控制策略入手，通过限制燃料电池的最大功率变化速率，改善燃料电池的动态加载情况，但其考虑的因素存在局限，很难综合反映整车能量管理控制策略对燃料电池寿命的影响。

燃料电池在整车能量管理控制策略的控制下可能会运行在动态加载、启停循环、怠速和超载输出等不利运行工况之中，各种不利运行工况对燃料电池性能衰减的影响是通过燃料电池关键组件的性能衰减所导致的，但就不利工况对燃料电池组件的性能衰减而言，一方面，并不是所有的燃料电池关键组件都会在某一不利运行工况下有衰减，例如运行在高功率输出工况只会导致质子交换膜和催化剂及其载体的性能衰减，并不会导致气体扩散层和双极板的性能衰减；另一方面，燃料电池各组件在同一不利工况下的衰减速率可能不一样，比如在启停循环中，从衰减机理分析可知，催化剂及其载体的衰减速率明显高于气体扩散成的衰减速率。

就燃料电池各关键组件的性能衰减对燃料电池堆性能衰减的影响而言，一方面，各组件的性能衰减速率不一致，其引起燃料电池堆的性能衰减量不同；另一方面，在相同的衰减速率下，不同组件引起的燃料电池堆的衰减速率也存在差别。

中国专利CN103198206A提供了一种基于综合性能得分模型的燃料电池系统性能评价方法,包括以下步骤：第一步,建立综合性能得分模型；第二步,将一个或多个待评价燃料电池系统置于燃料电池试验平台上,并使其稳定工作；第三步,实时采集待评价燃料电池系统的工作状态数据和工作环境数据,并将这些试验数据输入综合性能得分模型：第四步,采用综合性能得分模型根据试验数据计算待评价燃料电池系统的综合性能得分；第五步,根据综合性能得分高低对一个或多个待评价燃料电池系统进行评价。中国专利CN101231328提供了一种评价城市客车用燃料电池耐久性的方法。该方法将被测试燃料电池置于测试台上暖机至额定工作条件；进入加载工况连续3次加载到60％额定功率；进入怠速工况运行,记录燃料电池电压变化情况；经2个部分负荷递增工况；进入加载工况,连续2次加载到60％额定功率；重复运行4次；进入怠速工况；进入额定功率工况,持续运行30分钟,记录燃料电池电压变化；经2分钟怠速工况,进入过载工况；停机。重复进行循环工况测试,当燃料电池堆最低工作电压所对应的功率值下降到整车厂规定的极限值时即为电堆寿命终结。中国专利CN101067646A一种快速评价车用燃料电池使用寿命的方法,它包括以下步骤：1.定义燃料电池性能下降多少为寿命终结；2.进行燃料电池台架实验,确定燃料电池性能随加载次数的下降率、随起停次数的下降率、随怠速时间的下降率；3.对燃料电池在实际使用过程中的情况进行统计,所述统计的内容包括平均每小时大幅度加载次数、平均每小时起停次数和平均每小时怠速时间；4.将步骤1～3的结果按本发明方法提供的公式进行计算。该发明方法反映了在使用过程中各种关键影响因素对燃料电池寿命的影响。中国专利CN101067647A一种测试和评价燃料电池发动机性能的方法涉及一种测试燃料电池发动机性能的方法，其具体操作为：1.将被测发动机置于测试台上起动；2.迅速进入冷机加载，测试其达到的最大功率和加载所需时间；3.进入冷机怠速稳定运行20分钟，记录燃料电池电压变化情况；4.经三个部分负荷工况后，进入标定工况稳定运行40分钟；5.经一个部分负荷工况，进入过载功率工况稳定运行3分钟；6.经两个部分负荷工况，进入怠速，将发动机散热器置于温控环境之内；7.经两个部分负荷工况，进入热环境最大功率工况，待散热器所处热环境不低于50℃时开始计时，持续运行20分钟；8.进入热机怠速，运行20分钟；9.经热机加速进入标定功率工况，测试在此过程中的加速时间，之后停机。以上专利虽然涉及一种燃料电池的评价方法，但是大多比较单一，简单根据燃料电池的工作情况评价了燃料电池的寿命。没有考虑到燃料电池的复杂工作况以及各种组件的不同衰减情况。并且没有涉及针对能量管理策略的评价，也没有综合考虑经济性评价。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法，该方法包括如下步骤：

(1)建立综合评价三层模型，第一层包括燃料经济性和燃料电池耐久性2个评价指标，第二层包括多个用于评价燃料电池耐久性的燃料电池组件子指标，第三层包括影响燃料电池组价子指标的工况因素；

(2)采用待评价的能量管理控制策略运行燃料电池汽车，获取燃料经济性评分以及在燃料电池在各工况因素下的衰减性评分；

(3)确定各层评价权重矩阵，根据步骤(2)获取的各项评分逐层进行加权计算并得到相应能量管理控制策略下的综合评分。

步骤(3)具体为：

(31)获取第二层燃料电池组件子指标相对于第三层工况因素的评价权重矩阵R，R为n×m维矩阵，矩阵中第i行第j列元素记作r_ij，r_ij表示第i种工况因素对第j个燃料电池组件子指标的影响程度，i＝1,2……n，j＝1,2……m，n表示第三层的工况因素的总个数，m表示第二层的燃料电池组件子指标的总个数；

(32)求取第二层燃料电池组件子指标的评分矩阵F：F＝VR，

其中，V＝[V_1N V_2N…V_nN]，V为n维行矩阵，V矩阵中第i个元素记作V_iN，V_iN表示第i种工况因素下的衰减性评分，F＝[F₁ F₂…F_m]，F为m维行矩阵，F矩阵中第j个元素记作F_j，F_j表示第j个燃料电池组件子指标的评分；

(33)获取第二层燃料电池组件子指标的权重矩阵W＝[w₁ w₂…w_m]，W矩阵中第j个元素记作w_j，w_j表示第j个燃料电池组件子指标的权重系数；

(34)求取第一层燃料电池耐久性评分Q＝W·F^T；

(35)求取相应能量管理控制策略下的综合评分G＝E_N·P+D_N·Q，其中，P为燃料经济性评分，E_N和D_N分别为燃料经济性和燃料电池耐久性权重系数。

步骤(31)中第i种工况因素对第j个燃料电池组件子指标的影响程度r_ij通过下述方式获得：

对于第i种工况因素，确定该工况因素对第j个燃料电池组件子指标的影响程度c_ij，进而根据下式获得r_ij：

所述的燃料电池组件子指标包括催化剂及其载体、质子交换膜、气体扩散层和双极板。

所述的工况因素包括：动态加载，启停循环，开路、怠速或低载运行以及超载输出。

获取动态加载工况因素下的衰减性评分具体为：

按照每N_cyc个动态加载循环后对燃料电池堆在I₂A的输出电流下的电压进行记录，经过T₅小时的实验后对数据进行线性拟合，得出动态加载循环下燃料电池的性能衰减速率为V₁′/循环，每个小时内动态加载循环次数为N₂次，则单位时间内动态加载的衰减速率为：V₁＝N₂×V₁′，进而动态加载工况因素下的衰减性评分为V₁的归一化值。

获取启停循环工况因素下的衰减性评分具体为：

启动燃料电池堆，并以I₁mA/cm²的恒定电流密度怠速运行T₁分钟，然后关闭燃料电池堆，并用氮气对阳极进行吹扫，最后等到燃料电池两极间的电压降到0V后再进行下一次启停循环，每N₁个循环后对燃料电池堆在输出电流为I₂A时的输出电压进行记录，在进行完T₂小时的试验之后，通过线性拟合的方式估算出燃料电池堆在单位启停循环工况下的衰减速率为V₂，进而启停循环工况因素下的衰减性评分为V₂的归一化值。

获取开路、怠速或低载运行工况因素下的衰减性评分具体为：

将开路和低载运行的衰减速率一致，选择I₁mA/cm²的电流密度作为怠速运行时燃料电池的输出电流，怠速运行每T₂分钟后对燃料电池堆在I₂A的输出电流下的电压进行记录，怠速运行每天连续进行T₃小时，经过T₄小时的实验后对记录的电压值进行线性拟合，得出单位实验时间内燃料电池堆的性能衰减速率为V_{3_original}，减去启停循环导致的燃料电池性能衰减量V₂即可得到开路、怠速或低载运行运行工况下的衰减速率V₃，进而开路、怠速或低载运行工况因素下的衰减性评分为V₃的归一化值。

获取超载输出工况因素下的衰减性评分具体为：

超载输出的测试过程依次为启动、热机半小时、稳定加载高功率电流和停机，期间每T₆分钟记录1次燃料电池堆在I₂A的输出电流下的输出电压，连续稳定加载T₇个小时，对记录的数据进行线性拟合，得到实验单位时间内燃料电池的性能衰减速率为V_{4_original}，单位时间内超载输出下燃料电池的衰减速率为：V₄＝f(V_{4_original})，f表示线性函数，进而超载输出工况因素下的衰减性评分为V₄的归一化值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明能综合考虑燃料电池系统的燃料经济性和燃料电池性能衰减情况，定量评价燃料电池汽车能量管理控制策略的优略，且评价模型层次分明，能够综合各项评估因素，评价结果更加客观可靠。

(2)本发明能得到与能量管理控制策略相关各评价指标的评分，可以为能量管理控制策略的改进的提供明确的方向；

(3)对于燃料电池本体的研发人员，能通过此评价体系分析出待评价能量管理控制策略下对燃料电池电堆性能衰减贡献最大的燃料电池电堆组件，从而指导燃料电池电堆组件的改进设计。

附图说明

图1为本发明定量综合评价方法中综合评价三层模型的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法，该方法包括如下步骤：

(1)建立综合评价三层模型，第一层包括燃料经济性和燃料电池耐久性2个评价指标，第二层包括多个用于评价燃料电池耐久性的燃料电池组件子指标，第三层包括影响燃料电池组价子指标的工况因素；

(2)采用待评价的能量管理控制策略运行燃料电池汽车，获取燃料经济性评分以及在燃料电池在各工况因素下的衰减性评分；

(3)确定各层评价权重矩阵，根据步骤(2)获取的各项评分逐层进行加权计算并得到相应能量管理控制策略下的综合评分。

工况因素包括：动态加载，启停循环，开路、怠速或低载运行以及超载输出。

获取动态加载工况因素下的衰减性评分具体为：

按照每N_cyc个动态加载循环后对燃料电池堆在I₂A的输出电流下的电压进行记录，经过T₅小时的实验后对数据进行线性拟合，得出动态加载循环下燃料电池的性能衰减速率为V₁′/循环，每个小时内动态加载循环次数为N₂次，则单位时间内动态加载的衰减速率为：V₁＝N₂×V₁′，进而动态加载工况因素下的衰减性评分为V₁的归一化值。

获取启停循环工况因素下的衰减性评分具体为：

启动燃料电池堆，并以I₁mA/cm²的恒定电流密度怠速运行T₁分钟，然后关闭燃料电池堆，并用氮气对阳极进行吹扫，最后等到燃料电池两极间的电压降到0V后再进行下一次启停循环，每N₁个循环后对燃料电池堆在输出电流为I₂A时的输出电压进行记录，在进行完T₂小时的试验之后，通过线性拟合的方式估算出燃料电池堆在单位启停循环工况下的衰减速率为V₂，进而启停循环工况因素下的衰减性评分为V₂的归一化值。

燃料电池组件子指标包括催化剂及其载体、质子交换膜、气体扩散层和双极板。

获取开路、怠速或低载运行工况因素下的衰减性评分具体为：

将开路和低载运行的衰减速率一致，选择I₁mA/cm²的电流密度作为怠速运行时燃料电池的输出电流，怠速运行每T₂分钟后对燃料电池堆在I₂A的输出电流下的电压进行记录，怠速运行每天连续进行T₃小时，经过T₄小时的实验后对记录的电压值进行线性拟合，得出单位实验时间内燃料电池堆的性能衰减速率为V_{3_original}，减去启停循环导致的燃料电池性能衰减量V₂即可得到开路、怠速或低载运行运行工况下的衰减速率V₃，进而开路、怠速或低载运行工况因素下的衰减性评分为V₃的归一化值。

获取超载输出工况因素下的衰减性评分具体为：

超载输出的测试过程依次为启动、热机半小时、稳定加载高功率电流和停机，期间每T₆分钟记录1次燃料电池堆在I₂A的输出电流下的输出电压，连续稳定加载T₇个小时，对记录的数据进行线性拟合，得到实验单位时间内燃料电池的性能衰减速率为V_{4_original}，单位时间内超载输出下燃料电池的衰减速率为：V₄＝f(V_{4_original})，f表示线性函数，进而超载输出工况因素下的衰减性评分为V₄的归一化值。

步骤(3)具体为：

(31)获取第二层燃料电池组件子指标相对于第三层工况因素的评价权重矩阵R，R为n×m维矩阵，矩阵中第i行第j列元素记作r_ij，r_ij表示第i种工况因素对第j个燃料电池组件子指标的影响程度，i＝1,2……n，j＝1,2……m，n表示第三层的工况因素的总个数，m表示第二层的燃料电池组件子指标的总个数；

本实施例中i＝j＝4，即4种工况因素分别为动态加载，启停循环，开路、怠速或低载运行以及超载输出，4个燃料电池组件子指标分别为催化剂及其载体、质子交换膜、气体扩散层和双极板。

步骤(31)中第i种工况因素对第j个燃料电池组件子指标的影响程度r_ij通过下述方式获得：

对于第i种工况因素，确定该工况因素对第j个燃料电池组件子指标的影响程度c_ij，进而根据下式获得r_ij：

本实施例4种工况因素对燃料电池组件子指标性能衰减影响程度如表1所示。

表1工况因素对燃料电池组件子指标性能衰减影响程度

其中，剧烈影响的影响程度设为3，明显影响的影响程度设为1，可以忽略的影响程度设为0。根据上述方法可以求得第二层燃料电池组件子指标相对于第三层工况因素的评价权重矩阵R为：

(32)求取第二层燃料电池组件子指标的评分矩阵F：F＝VR，

其中，V＝[V_1N V_2N…V_nN]，V为n维行矩阵，V矩阵中第i个元素记作V_iN，V_iN表示第i种工况因素下的衰减性评分，F＝[F₁ F₂…F_m]，F为m维行矩阵，F矩阵中第j个元素记作F_j，F_j表示第j个燃料电池组件子指标的评分；

(33)获取第二层燃料电池组件子指标的权重矩阵W＝[w₁ w₂…w_m]，W矩阵中第j个元素记作w_j，w_j表示第j个燃料电池组件子指标的权重系数；

本实施例中第二层燃料电池组件子指标的权重系数如表2所示：

表2燃料电池组件子指标的权重系数

(34)求取第一层燃料电池耐久性评分Q＝W·F^T；

(35)求取相应能量管理控制策略下的综合评分G＝E_N·P+D_N·Q，其中，P为燃料经济性评分，E_N和D_N分别为燃料经济性和燃料电池耐久性权重系数，本实施例中E_N取值0.25，D_N取值0.75。

Claims (9)

1.一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)建立综合评价三层模型，第一层包括燃料经济性和燃料电池耐久性2个评价指标，第二层包括多个用于评价燃料电池耐久性的燃料电池组件子指标，第三层包括影响燃料电池组价子指标的工况因素；

(2)采用待评价的能量管理控制策略运行燃料电池汽车，获取燃料经济性评分以及在燃料电池在各工况因素下的衰减性评分；

(3)确定各层评价权重矩阵，根据步骤(2)获取的各项评分逐层进行加权计算并得到相应能量管理控制策略下的综合评分。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法，其特征在于，步骤(3)具体为：

(31)获取第二层燃料电池组件子指标相对于第三层工况因素的评价权重矩阵R，R为n×m维矩阵，矩阵中第i行第j列元素记作r_ij，r_ij表示第i种工况因素对第j个燃料电池组件子指标的影响程度，i＝1,2……n，j＝1,2……m，n表示第三层的工况因素的总个数，m表示第二层的燃料电池组件子指标的总个数；

(32)求取第二层燃料电池组件子指标的评分矩阵F：F＝VR，

其中，V＝[V_1N V_2N … V_nN]，V为n维行矩阵，V矩阵中第i个元素记作V_iN，V_iN表示第i种工况因素下的衰减性评分，F＝[F₁ F₂ … F_m]，F为m维行矩阵，F矩阵中第j个元素记作F_j，F_j表示第j个燃料电池组件子指标的评分；

(33)获取第二层燃料电池组件子指标的权重矩阵W＝[w₁ w₂ … w_m]，W矩阵中第j个元素记作w_j，w_j表示第j个燃料电池组件子指标的权重系数；

(34)求取第一层燃料电池耐久性评分Q＝W·F^T；

(35)求取相应能量管理控制策略下的综合评分G＝E_N·P+D_N·Q，其中，P为燃料经济性评分，E_N和D_N分别为燃料经济性和燃料电池耐久性权重系数。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法，其特征在于，步骤(31)中第i种工况因素对第j个燃料电池组件子指标的影响程度r_ij通过下述方式获得：

对于第i种工况因素，确定该工况因素对第j个燃料电池组件子指标的影响程度c_ij，进而根据下式获得r_ij：

<mrow> <msub> <mi>r</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>c</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </munderover> <msub> <mi>c</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法，其特征在于，所述的燃料电池组件子指标包括催化剂及其载体、质子交换膜、气体扩散层和双极板。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法，其特征在于，所述的工况因素包括：动态加载，启停循环，开路、怠速或低载运行以及超载输出。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法，其特征在于，获取动态加载工况因素下的衰减性评分具体为：

按照每N_cyc个动态加载循环后对燃料电池堆在I₂A的输出电流下的电压进行记录，经过T₅小时的实验后对数据进行线性拟合，得出动态加载循环下燃料电池的性能衰减速率为V₁′/循环，每个小时内动态加载循环次数为N₂次，则单位时间内动态加载的衰减速率为：V₁＝N₂×V₁′，进而动态加载工况因素下的衰减性评分为V₁的归一化值。

7.根据权利要求5所述的一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法，其特征在于，获取启停循环工况因素下的衰减性评分具体为：

启动燃料电池堆，并以I₁mA/cm²的恒定电流密度怠速运行T₁分钟，然后关闭燃料电池堆，并用氮气对阳极进行吹扫，最后等到燃料电池两极间的电压降到0V后再进行下一次启停循环，每N₁个循环后对燃料电池堆在输出电流为I₂A时的输出电压进行记录，在进行完T₂小时的试验之后，通过线性拟合的方式估算出燃料电池堆在单位启停循环工况下的衰减速率为V₂，进而启停循环工况因素下的衰减性评分为V₂的归一化值。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法，其特征在于，获取开路、怠速或低载运行工况因素下的衰减性评分具体为：

将开路和低载运行的衰减速率一致，选择I₁mA/cm²的电流密度作为怠速运行时燃料电池的输出电流，怠速运行每T₂分钟后对燃料电池堆在I₂A的输出电流下的电压进行记录，怠速运行每天连续进行T₃小时，经过T₄小时的实验后对记录的电压值进行线性拟合，得出单位实验时间内燃料电池堆的性能衰减速率为V_{3_original}，减去启停循环导致的燃料电池性能衰减量V₂即可得到开路、怠速或低载运行运行工况下的衰减速率V₃，进而开路、怠速或低载运行工况因素下的衰减性评分为V₃的归一化值。

9.根据权利要求5所述的一种燃料电池汽车能量管理控制策略的定量综合评价方法，其特征在于，获取超载输出工况因素下的衰减性评分具体为：

超载输出的测试过程依次为启动、热机半小时、稳定加载高功率电流和停机，期间每T₆分钟记录1次燃料电池堆在I₂A的输出电流下的输出电压，连续稳定加载T₇个小时，对记录的数据进行线性拟合，得到实验单位时间内燃料电池的性能衰减速率为V_{4_original}，单位时间内超载输出下燃料电池的衰减速率为：V₄＝f(V_{4_original})，f表示线性函数，进而超载输出工况因素下的衰减性评分为V₄的归一化值。