CN111993957B - 一种等效消耗最小策略的混合动力汽车能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混合动力汽车领域，具体的说是一种等效消耗最小策略的混合动力汽车能量管理方法。包括以下步骤：步骤一：建立混合动力汽车的能量管理系统模型；步骤二：基于混合动力汽车的能量管理系统模型并通过小波变换的等效消耗最小策略以构造混合动力汽车的能量管理策略；步骤三：由混合动力汽车的能量管理策略对混合动力汽车的能量进行管理。本发明可对于燃料电池混合动力汽车中的燃料电池、超级电容以及锂电池的能源进行河流优化分配，确保锂电池和超级电容SOC在合适的范围内工作，最大限度的减少燃料的消耗。

Description

一种等效消耗最小策略的混合动力汽车能量管理方法

技术领域

本发明涉及混合动力汽车领域，具体的说是一种等效消耗最小策略的混合动力汽车能量管理方法。

背景技术

环境问题越来越受到社会各界的重视，在汽车领域混合动力汽车受到广泛的关注。由于油电混动的汽车仍然存在环境污染的问题，纯电动汽车存在动力供应不足的问题。因此燃料电池混合动力汽车受到极大的追捧。燃料电池混合动力汽车处于起步阶段，各方面技术尚未成熟，问题主要集中在能源不能合理优化分配，导致燃料电池混合动力汽车发展停滞不前。

发明内容

本发明旨在提供一种等效消耗最小策略的混合动力汽车能量管理方法，可对于燃料电池混合动力汽车中的燃料电池、超级电容以及锂电池的能源进行河流优化分配，确保锂电池和超级电容SOC在合适的范围内工作，最大限度的减少燃料的消耗。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：一种等效消耗最小策略的混合动力汽车能量管理方法，包括以下步骤：

步骤一：建立混合动力汽车的能量管理系统模型；步骤二：基于混合动力汽车的能量管理系统模型并通过小波变换的等效消耗最小策略以构造混合动力汽车的能量管理策略；步骤三：由混合动力汽车的能量管理策略对混合动力汽车的能量进行管理。

优选的，步骤一的建立混合动力汽车的能量管理系统模型的方法包括：

1)、建立氢氧燃料电池的功率模型：

式中的

为氢气的质量，1.4×10⁸为氢气的燃烧热值，η_fc为氢气燃烧热转化为动力的效率；

2)、建立锂电池的功率模型：

式中的u为锂电池的电压；i(t)为锂电池的瞬时电流；SOC_bat为锂电池的SOC；SOC₀为锂电池SOC的初始值；Q_bat为锂电池所能容纳的最大电荷量；

3)、建立超级电容的功率模型：

式中的SOC_sc为超级电容的SOC，SOC₁为超级电容SOC的初始值；Q₀为超级电容初始的电荷量；Q_{sc_max}为超级电容所能容纳的最大电荷量；u(t)为超级电容的瞬时电压；R_i为超级电容的内阻；

4)、建立混合动力汽车的功率模型：

P_req＝λ₁P_fc+P_bat+λ₂P_sc，

式中，P_req为混合动力汽车的需求功率；λ₁为燃料电池提供功率的效率；λ₂为超级电容提供功率的效率；P_fc为燃料电池提供的功率；P_bat为锂电池提供的功率；P_sc为超级电容提供的功率；

步骤二中通过小波变换的等效消耗最小策略以构造混合动力汽车的能量管理策略的方法如下：

1)、采集任意混合动力汽车的负载数据，将该数据作为混合动力汽车的需求功率P_req；

2)、利用小波变换对需求功率P_req进行处理，将数据分为高低两种频率的功率，高频需求功率由超级电容提供，低频需求功率由燃料电池和锂电池共同提供；

3)、以燃料电池SOC作为约束条件，以燃料电池和锂电池电池的等效氢消耗使混合动力汽车燃料消耗达到最小；

步骤三中对混合动力汽车的能量进行管理的方法为：

1)、当负载需求功率P_req为正时：如超级电容SOC在合适工作范围内，利用小波变换分离功率，超级电容提供启动的瞬时峰值功率，燃料电池和锂电池通过等效消耗最小策略提供低频功率，燃料电池提供持续的功率输出，锂电池作为辅助能量源提供输出功率；如超级电容SOC超出合适工作范围，利用小波变换分离功率，超级电容不提供功率，燃料电池和锂电池提供全部输出功率，燃料电池作为主能量源提供输出功率，锂电池作为辅助能量源提供输出功率；

2)、当负载需求功率P_req为零时，负载没有功率变化，所有能量源都不工作；

3)、当负载需求功率P_req为负时：如果超级电容SOC超出合适工作范围，首先超级电容SOC充电，当超级电容SOC达到最大值，锂电池SOC开始充电；如果超级电容SOC达到最大值时，直接给锂电池SOC充电。

有益效果

本发明利用小波变换的以下特点:在时域中滤波器长度最短；是最简单的小波；小波变换等于它的逆变换。小波变换使得分解计算更加简单，可以简化程序的组成，进一步提高代码的执行效率。

超级电容的低能量密度使其等效氢消耗量约为零。这种简化导致次优的燃油经济性和复杂的控制系统。本发明为了解决次优燃油经济性问题，提出小波变换的策略将超级电容器的功率分开，不仅解决了由于超级电容瞬时峰值功率大而导致的氢消耗可忽略的问题，而且简化了等效消耗策略的目标函数。

等效消耗最小策略可以建立确切的数学模型和目标函数，使燃料消耗达到最小，确保了燃料消耗的经济性。

附图说明

图1为本发明的混合动力汽车能量管理系统结构图；

图2为本发明适用的混合动力汽车系统结构图。

具体实施方式

本发明适用的燃料电池、锂电池和超级电容混合动力汽车系统结构如图1所示，其中燃料电池通过单向DC/DC转换器，锂电池和超级电容通过双向DC/DC转换器，以并联方式连接到系统总线上为驱动电机负载提供能量；燃料电池作为主要能量源，超级电容提供瞬时峰值功率并且吸收汽车在制动时的峰值功率，锂电池提供剩余的功率和吸收超级电容没有吸收的功率。

如图2所示，本发明的等效消耗最小策略的混合动力汽车能量管理方法，包括以下步骤：

步骤一建立混合动力汽车的能量管理系统模型，

1)、建立氢氧燃料电池的功率模型：

式中的

为氢气的质量，1.4×10⁸为氢气的燃烧热值，η_fc为氢气燃烧热转化为动力的效率；

2)、建立锂电池的功率模型：

式中的u为锂电池的电压；i(t)为锂电池的瞬时电流；SOC_bat为锂电池的SOC；SOC₀为锂电池SOC的初始值；Q_bat为锂电池所能容纳的最大电荷量；

3)、建立超级电容的功率模型：

式中的SOC_sc为超级电容的SOC，SOC₁为超级电容SOC的初始值；Q₀为超级电容初始的电荷量；Q_{sc_max}为超级电容所能容纳的最大电荷量；u(t)为超级电容的瞬时电压；R_i为超级电容的内阻；

4)、建立混合动力汽车的功率模型：

P_req＝λ₁P_fc+P_bat+λ₂P_sc，

式中，P_req为混合动力汽车的需求功率；λ₁为燃料电池提供功率的效率；λ₂为超级电容提供功率的效率；P_fc为燃料电池提供的功率；P_bat为锂电池提供的功率；P_sc为超级电容提供的功率；

步骤二基于混合动力汽车的能量管理系统模型并通过小波变换的等效消耗最小策略以构造混合动力汽车的能量管理策略：

1)、采集任意混合动力汽车的负载数据，将该数据作为混合动力汽车的需求功率P_req；

2)、利用小波变换对需求功率P_req进行处理，将数据分为高低两种频率的功率，高频需求功率由超级电容提供，低频需求功率由燃料电池和锂电池共同提供；

3)、以燃料电池SOC作为约束条件，以燃料电池和锂电池电池的等效氢消耗使混合动力汽车燃料消耗达到最小；

步骤三由混合动力汽车的能量管理策略对混合动力汽车的能量进行管理：

1)、当负载需求功率P_req为正时：如超级电容SOC在合适工作范围内，利用小波变换分离功率，超级电容提供启动的瞬时峰值功率，燃料电池和锂电池通过等效消耗最小策略提供低频功率，燃料电池提供持续的功率输出，锂电池作为辅助能量源提供输出功率；如超级电容SOC超出合适工作范围，利用小波变换分离功率，超级电容不提供功率，燃料电池和锂电池提供全部输出功率，燃料电池作为主能量源提供输出功率，锂电池作为辅助能量源提供输出功率；

2)、当负载需求功率P_req为零时，负载没有功率变化，所有能量源都不工作；

3)、当负载需求功率P_req为负时：如果超级电容SOC超出合适工作范围，首先超级电容SOC充电，当超级电容SOC达到最大值，锂电池SOC开始充电；如果超级电容SOC达到最大值时，直接给锂电池SOC充电。

Claims (1)

1.一种等效消耗最小策略的混合动力汽车能量管理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：建立混合动力汽车的能量管理系统模型；步骤二：基于混合动力汽车的能量管理系统模型并通过小波变换的等效消耗最小策略以构造混合动力汽车的能量管理策略；步骤三：由混合动力汽车的能量管理策略对混合动力汽车的能量进行管理；

步骤一的建立混合动力汽车的能量管理系统模型的方法包括：

1)、建立氢氧燃料电池的功率模型：

式中的

为氢气的质量，1.4×10⁸为氢气的燃烧热值，η_fc为氢气燃烧热转化为动力的效率；

2)、建立锂电池的功率模型：

式中的u为锂电池的电压；i(t)为锂电池的瞬时电流；SOC_bat为锂电池的SOC；SOC₀为锂电池SOC的初始值；Q_bat为锂电池所能容纳的最大电荷量；

3)、建立超级电容的功率模型：

式中的SOCsc为超级电容的SOC，SOC₁为超级电容SOC的初始值；Q₀为超级电容初始的电荷量；Q_{sc_max}为超级电容所能容纳的最大电荷量；u(t)为超级电容的瞬时电压；R_i为超级电容的内阻；

4)、建立混合动力汽车的功率模型：

P_req＝λ₁P_fc+P_bat+λ₂P_sc，

式中，P_req为混合动力汽车的需求功率；λ₁为燃料电池提供功率的效率；λ₂为超级电容提供功率的效率；P_fc为燃料电池提供的功率；P_bat为锂电池提供的功率；P_sc为超级电容提供的功率；

步骤二中通过小波变换的等效消耗最小策略以构造混合动力汽车的能量管理策略的方法如下：

1)、采集任意混合动力汽车的负载数据，将该数据作为混合动力汽车的需求功率P_req；

2)、利用小波变换对需求功率P_req进行处理，将数据分为高低两种频率的功率，高频需求功率由超级电容提供，低频需求功率由燃料电池和锂电池共同提供；

3)、以燃料电池SOC作为约束条件，以燃料电池和锂电池的等效氢消耗使混合动力汽车燃料消耗达到最小；

步骤三中对混合动力汽车的能量进行管理的方法为：

1)、当负载需求功率P_req为正时：如超级电容SOC在合适工作范围内，利用小波变换分离功率，超级电容提供启动的瞬时峰值功率，燃料电池和锂电池通过等效消耗最小策略提供低频功率，燃料电池提供持续的功率输出，锂电池作为辅助能量源提供输出功率；如超级电容SOC超出合适工作范围，利用小波变换分离功率，超级电容不提供功率，燃料电池和锂电池提供全部输出功率，燃料电池作为主能量源提供输出功率，锂电池作为辅助能量源提供输出功率；

2)、当负载需求功率P_req为零时，负载没有功率变化，所有能量源都不工作；

3)、当负载需求功率P_req为负时：如果超级电容SOC超出合适工作范围，首先超级电容SOC充电，当超级电容SOC达到最大值，锂电池SOC开始充电；如果超级电容SOC达到最大值时，直接给锂电池SOC充电。

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