CN108248450A - 一种燃料电池混合动力功率优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池混合动力功率优化方法，步骤1：建立燃料电池混合动力系统模型；步骤2：实时优化能量控制方法。本发明提供的一种燃料电池混合动力功率优化方法，当SOC低于10%时，惩罚因子Ksoc增大，瞬时优化能量控制管理策略倾向于燃料电池堆对外输出能量;当SOC升至50%时，惩罚因子Ksoc降低，此时燃料电池能量输出成本提高，能量控制管理策略更倾向于使用蓄电池供能；随着惩罚的进行，当SOC趋近70%，混合动力系统处于最优能量分布状态。

Description

一种燃料电池混合动力功率优化方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池混合动力功率优化方法，属于新能源汽车能量管理技术领域。
背景技术
目前，在我国雾霾天气已经严重影响人们的生活和工作，其中在大部分城市的雾霾构成中，汽车尾气的贡献率约为1/4。新能源汽车是解决这些问题的有效手段之一。
燃料电池是一种高效、环境友好新型发电装置，它和蓄电池可以组合成一种新能源混合动力，这种动力运用在汽车上就能克服纯蓄电池汽车的缺陷，而其排放几乎为零。
因此，对于混合动力系统来说，控制策略的高效是最大化混合动力功率的关键所在。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种燃料电池混合动力功率优化方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种燃料电池混合动力功率优化方法，包括如下步骤：
步骤1：建立燃料电池混合动力系统模型；
步骤2：实时优化能量控制方法。
作为优选方案，所述步骤1中燃料电池混合动力系统采用串联型混合动力结构，燃料电池堆通过DC/DC变换器向总线提供行驶所需功率，蓄电池作为辅助功率源，在加速和低速匀速等瞬态工况起辅助动力作用，同时对再生制动能量进行回收。
作为优选方案，所述步骤1中系统模型包括：
1.1：燃料电池性能模型，在燃料电池/蓄电池混合动力中，燃料电池堆单体个数为145个，堆中燃料电池并联条数为1条，燃料电池单体有效面积为769cm2；
1.2：镍氢蓄电池模型，采用85Ah的镍氢蓄电池，单体额定电压为6V，电池组模块数为61，功率最低位－10kW，最高位10kW；采用Rint等效电路模型，等效为一个可变电压源和一个可变内阻串联而成；
1.3：电动机模型，如果不考虑车辆前后轴的负荷转移，可将其看成一个刚体；选择55kW的三相异步交流感应电机；电动机最高转速为10000rad/min，最大转矩200N〃m，最大限流480A，最小限压120V；
1.4：DC/DC模型，选择非隔离式升压斩波DC/DC变换器，并采用PWM电流控制模式；当输出功率P＞10kW时，DC/DC平均效率为96.5％以上。
作为优选方案，所述步骤2包括如下步骤：
2.1：瞬时等效燃料消耗函数；
2.2：惩罚因子Ksoc修正；
2.3：当SOC低于10％时，惩罚因子Ksoc增大，瞬时优化能量控制管理策略倾向于燃料电池堆对外输出能量；
当SOC升至50％时，惩罚因子Ksoc降低，此时燃料电池能量输出成本提高，能量控制管理策略更倾向于使用蓄电池供能；
随着惩罚的进行，当SOC趋近70％，混合动力系统处于最优能量分布状态。
作为优选方案，所述步骤2.1包括：在充电工况下，燃料电池提供汽车行驶全部功率，富余的功率通过发电机及其逆变器向蓄电池进行充电；在放电工况下，燃料电池无法单独满足车辆行驶所需功率需求，此时蓄电池处于放电状态，与燃料电池混合驱动车辆行驶。
作为优选方案，所述步骤2.2中惩罚因子的表达式为：
KSOC＝1-α·ΔSOC3+β·ΔSOC4
式中:α、β为调整系数，惩罚因子Ksoc对SOC调控灵敏度可通过改变α、β值实现。
有益效果：本发明提供的一种燃料电池混合动力功率优化方法，结果表明惩罚因子Ksoc能较好地调控能量合理分配，发挥预期效果维持SOC在合适区间，进入最优功率管理状态。
具体实施方式
一种燃料电池混合动力功率优化方法，包括如下步骤：
步骤1：建立燃料电池混合动力系统模型：研究的汽车动力系统采用串联型混合动力结构，燃料电池堆通过DC/DC变换器向总线提供行驶所需功率，蓄电池作为辅助功率源，在加速和低速匀速等瞬态工况起辅助动力作用，同时对再生制动能量进行回收；
1.1：燃料电池性能模型，在燃料电池/蓄电池混合动力中，燃料电池堆单体个数为145个，堆中燃料电池并联条数为1条，燃料电池单体有效面积为769cm2；
1.2：镍氢蓄电池模型，采用85Ah的镍氢蓄电池，单体额定电压为6V，电池组模块数为61，功率最低位－10kW，最高位10kW；采用Rint等效电路模型，等效为一个可变电压源和一个可变内阻串联而成；
1.3：电动机模型，如果不考虑车辆前后轴的负荷转移，可将其看成一个刚体；选择55kW的三相异步交流感应电机。电动机最高转速为10000rad/min，最大转矩200N〃m，最大限流480A，最小限压120V；
1.4：DC/DC模型，选择非隔离式升压斩波DC/DC变换器，并采用PWM电流控制模式；当输出功率P＞10kW时，DC/DC平均效率为96.5％以上。
步骤2：实时优化能量控制方法：
2.1：瞬时等效燃料消耗函数：在充电工况下，燃料电池提供汽车行驶全部功率，富余的功率通过发电机及其逆变器向蓄电池进行充电；在放电工况下，燃料电池无法单独满足车辆行驶所需功率需求，此时蓄电池处于放电状态，与燃料电池混合驱动车辆行驶。
2.2：惩罚因子Ksoc修正：由于燃料电池能量转化效率远不及蓄电池直接功率输出效率，原有的瞬时等效函数倾向于蓄电池输出能量。为了让SOC维持在一个合理的稳定范围，引入了惩罚因子Ksoc对SOC进行调控；
惩罚因子的表达式为：
KSOC＝1-α·ΔSOC3+β·ΔSOC4
式中:α、β为调整系数，惩罚因子Ksoc对SOC调控灵敏度可通过改变α、β值实现。
2.3：当SOC低于10％时，惩罚因子Ksoc增大，瞬时优化能量控制管理策略倾向于燃料电池堆对外输出能量；
当SOC升至50％时，惩罚因子Ksoc降低，此时燃料电池能量输出成本提高，能量控制管理策略更倾向于使用蓄电池供能；
随着惩罚的进行，当SOC趋近70％，混合动力系统处于最优能量分布状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种燃料电池混合动力功率优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：建立燃料电池混合动力系统模型；
步骤2：实时优化能量控制方法。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池混合动力功率优化方法，其特征在于：所述步骤1中燃料电池混合动力系统采用串联型混合动力结构，燃料电池堆通过DC/DC变换器向总线提供行驶所需功率，蓄电池作为辅助功率源，在加速和低速匀速等瞬态工况起辅助动力作用，同时对再生制动能量进行回收。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池混合动力功率优化方法，其特征在于：所述步骤1中系统模型包括：
1.1：燃料电池性能模型，在燃料电池/蓄电池混合动力中，燃料电池堆单体个数为145个，堆中燃料电池并联条数为1条，燃料电池单体有效面积为769cm2；
1.2：镍氢蓄电池模型，采用85Ah的镍氢蓄电池，单体额定电压为6V，电池组模块数为61，功率最低位－10kW，最高位10kW；采用Rint等效电路模型，等效为一个可变电压源和一个可变内阻串联而成；
1.3：电动机模型，如果不考虑车辆前后轴的负荷转移，可将其看成一个刚体；选择55kW的三相异步交流感应电机；电动机最高转速为10000rad/min，最大转矩200N·m，最大限流480A，最小限压120V；
1.4：DC/DC模型，选择非隔离式升压斩波DC/DC变换器，并采用PWM电流控制模式；当输出功率P＞10kW时，DC/DC平均效率为96.5％以上。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池混合动力功率优化方法，其特征在于：所述步骤2包括如下步骤：
2.1：瞬时等效燃料消耗函数；
2.2：惩罚因子Ksoc修正；
2.3：当SOC低于10％时，惩罚因子Ksoc增大，瞬时优化能量控制管理策略倾向于燃料电池堆对外输出能量；
当SOC升至50％时，惩罚因子Ksoc降低，此时燃料电池能量输出成本提高，能量控制管理策略更倾向于使用蓄电池供能；
随着惩罚的进行，当SOC趋近70％，混合动力系统处于最优能量分布状态。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池混合动力功率优化方法，其特征在于：所述步骤2.1包括：在充电工况下，燃料电池提供汽车行驶全部功率，富余的功率通过发电机及其逆变器向蓄电池进行充电；在放电工况下，燃料电池无法单独满足车辆行驶所需功率需求，此时蓄电池处于放电状态，与燃料电池混合驱动车辆行驶。
6.根据权利要求4所述的一种燃料电池混合动力功率优化方法，其特征在于：所述步骤2.2中惩罚因子的表达式为：
KSOC＝1-α·ΔSOC3+β·ΔSOC4
式中:α、β为调整系数，惩罚因子Ksoc对SOC调控灵敏度可通过改变α、β值实现。
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