CN112455291B - 一种燃料电池汽车复合电源瞬时最优能量管理方法 - Google Patents

一种燃料电池汽车复合电源瞬时最优能量管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池汽车复合电源瞬时最优能量管理方法，包括：第一步，瞬时最优寻优函数的确定；第二步，确定复合电源需求功率；第三步，初始化寻优边值a、b；第四步，基于寻优边值进行黄金分割；第五步，确定当前复合电源需求功率下分配给蓄电池的功率；第六步，计算每个功率条件下分配给蓄电池的最优功率；第七步，应用最优参数进行整车能量管理。本发明提供的方法基于瞬时最优的控制思想，实现燃料电池汽车复合电源之间最优功率分流，解决了复合电源耦合度高，控制策略复杂的问题，充分发挥了复合电源燃料电池汽车的高能量密度和功率密度等优点。

Description

一种燃料电池汽车复合电源瞬时最优能量管理方法
技术领域
本发明属于汽车控制系统，更确切地说，本发明涉及燃料电池汽车复合电源能量管理方法。
背景技术
近年来，石油资源短缺，环境污染问题日益严峻，燃料电池汽车作为一种新能源汽车，凭借良好的动力性与经济性，成为一种优秀的解决方案。
传统的单动力源或双动力源燃料电池汽车系统储能方案，控制相对简单，但难以兼顾寿命、经济性等因素。而燃料电池-蓄电池-超级电容复合电源系统构型，拥有良好的功率密度与能量密度，能够充分发挥各电源的优势，提高车辆日常行驶要求的动力性和经济性，逐渐成为燃料电池汽车的发展趋势。
但是复合电源系统彼此间存在复杂的耦合关系，工作模式多，控制自由度高，若复合电源能量管理方法不够合理高效，将难以实现各电源之间最优功率分流、发挥系统优势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有燃料电池汽车复合电源功率分配方法难以实现系统经济性最优的问题，提供了一种基于局部瞬时最优的复合电源瞬时最优能量管理方法。
第一步，瞬时最优寻优函数的确定。
首先确定瞬时最优寻优函数，蓄电池与超级电容的功率损耗，计算过程如下式所示。
Figure GDA0003369050110000011
Figure GDA0003369050110000012
其中，Pbatloss为蓄电池功率损耗，Pcaploss为超级电容的功率损耗，Ibat为蓄电池工作电流，Rbat为蓄电池内阻，Icap为超级电容工作电流，Rcap为超级电容等效内阻。
双向DC/DC功率损耗计算公式为
PDCloss＝Pcap(1-ηDC)
其中，PDCloss为双向DC/DC功率损耗，Pcap为超级电容功率，ηDC为双向DC/DC效率
复合电源的总输出功率Psum与总功率损耗Psumloss为
Psum＝Pbat+PcapηDC
Psumloss＝Pbatloss+Pcaploss+PDCloss
其中，Psum为复合电源的总输出功率，Psumloss为复合电源的总功率损耗，Pbat为蓄电池功率。
蓄电池输出功率Pbat与超级电容输出功率Pcap分流比例不同，对应的功率损失Pbatloss与Pcaploss也不同。所以，针对每一个复合电源输出功率Psum，能够找到一组最优Pbat与Pcap，使得总功率损耗Psumloss最小。最终确定瞬时最优寻优函数为f＝min Psumloss；
第二步，确定复合电源需求功率。
复合电源需求功率Psum的最大值为Psummax，在区间[0，Psummax]取n个值P1、P2、P3、…、Pi、…、Pn将区间[0，Psummax]划分为n+1个等区间，
Figure GDA0003369050110000021
Figure GDA0003369050110000022
n的取值应尽可能的大，从而提高计算精度。i作为计数变量，初值为0，取值为1、2、3、…、n。
第三步，初始化寻优边值a、b；
第四步，基于寻优边值进行黄金分割；
两黄金分割点的计算过程为：
xa＝a+0.382(b-a)
xb＝a+0.618(b-a)
其中，xa、xb为复合电源分配给蓄电池的功率
之后计算复合电源的总功率损失Paloss、Pbloss；
第五步，确定当前复合电源需求功率下分配给蓄电池的功率
若|Paloss-Pbloss|＜Δ，则认为两边值相差足够小，此时
Pibat＝(xa+xb)/2
其中，Pibat为复合电源需求功率为Pi时分配给蓄电池的功率值
Pibat为复合电源需求功率为Pi时分配给蓄电池的功率值，同时，i＝i+1，返回第②步继续计算复合电源需求功率为Pi+1时最优功率比。若|Paloss-Pbloss|＞Δ，则需更新寻优的边值，当Paloss≥Pbloss时，取b＝xb；当Paloss≤Pbloss时，取a＝xa，同时返回第三步继续计算；
第六步，计算每个功率条件下分配给蓄电池的最优功率
计算出复合电源需求功率为P1、P2、P3、…、Pi、…、Pn时应当分配给蓄电池的最优功率P1bat、P2bat、P3bat、…、Pibat、…、Pnbat后，将其做出二维数表。在寻优工作模式下，针对不同的复合电源需求功率，通过插值计算应当分配给蓄电池的功率。
第七步，应用最优参数进行整车能量管理。
根据蓄电池与超级电容SOC确定瞬时最优的工作区间，维持二者之间的电量平衡，是基于瞬时最优思想进行能量管理的必要前提。
按照蓄电池与超级电容SOC的不同，将复合电源划分成不同的工作模式。其中，中等SOC指蓄电池与超级电容的SOC处于高值SOCH与低值SOCL之间，蓄电池与超级电容中等SOC时为寻优工作模式，该工作模式下按照瞬时最优能量管理策略进行功率输出，其他工作模式采用单一能量源进行功率输出。
在第三步中所述寻优的边值a＝0，b＝Pi；在第五步中所述Δ的取值为0.00。
复合电源划分的不同工作模式包括寻优工作模式和其他工作模式，其他工作模式包括驱动模式和制动模式，驱动模式包括超级电容输出模式和蓄电池输出模式，制动模式包括超级电容回收模式和蓄电池回收模式，工作模式判定如下：
为使得寻优工作模式能够工作于较宽的SOC区间，同时不影响蓄电池与超级电容的输出与能量回收，设定蓄电池与超级电容SOC的处于高值SOCH与低值SOCL之间时进入寻优工作模式，该方法既能够实现复合电源在宽SOC范围内的最优模式输出，同时也能够避免蓄电池和超级电容过度充电或放电。
驱动模式下，当超级电容SOCcap＞SOCcapH时，采用超级电容输出模式，当SOCcap＜SOCcapH且蓄电池SOCbat＞SOCbatH时，采用蓄电池输出模式，当SOCcap＞SOCcapL且SOCbat＜SOCbatL时，采用超级电容输出模式，当SOCbat＞SOCbatL且SOCcap＜SOCcapL时，采用蓄电池输出模式，当SOCcapL＜SOCcap＜SOCcapH且SOCbatL＜SOCbat＜SOCbatH时，采用基于瞬时最优控制策略的寻优工作模式，制动模式下，当SOCcap＜SOCcapL时，采用超级电容回收模式，SOCcap＞SOCcapL且SOCbat＜SOCbatL时，采用蓄电池回收模式。
本发明提出了一种燃料电池汽车复合电源瞬时最优能量管理方法。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
本发明提供了的一种燃料电池汽车复合电源瞬时最优能量管理方法是在燃料电池功率跟随控制策略下，确定燃料电池与蓄电池、超级电容的功率分配后，基于瞬时最优的控制思想，实现蓄电池与超级电容之间最优功率分流，实现复合电源系统的最优能量管理。解决了复合电源耦合度高，控制策略复杂的问题，充分发挥了复合电源燃料电池汽车的高能量密度和功率密度等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为复合电源瞬时最优寻优工作模式流程图；
图2为复合电源瞬时最优能量管理策略工作模式判断图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
本发明提供了一种燃料电池汽车复合电源瞬时最优能量管理方法，在燃料电池功率跟随控制策略下，确定燃料电池与蓄电池、超级电容的功率分配后，基于瞬时最优的控制思想，实现蓄电池与超级电容之间最优功率分流，实现复合电源系统的最优能量管理。
参阅图1，本发明所述的一种燃料电池汽车复合电源瞬时最优能量管理方法包括下列步骤：
第一步，瞬时最优寻优函数的确定
首先确定瞬时最优寻优函数，蓄电池与超级电容的功率损耗，计算过程如下式所示。
Figure GDA0003369050110000041
Figure GDA0003369050110000042
其中，Pbatloss为蓄电池功率损耗，Pcaploss为超级电容的功率损耗，Ibat为蓄电池工作电流，Rbat为蓄电池内阻，Icap为超级电容工作电流，Rcap为超级电容等效内阻。
双向DC/DC功率损耗计算公式为
PDCloss＝Pcap(1-ηDC)
其中，PDCloss为双向DC/DC功率损耗，Pcap为超级电容功率，ηDC为双向DC/DC效率
复合电源的总输出功率Psum与总功率损耗Psumloss为
Psum＝Pbat+PcapηDC
Psumloss＝Pbatloss+Pcaploss+PDCloss
其中，Psum为复合电源的总输出功率，Psumloss为复合电源的总功率损耗，Pbat为蓄电池功率。
蓄电池输出功率Pbat与超级电容输出功率Pcap分流比例不同，对应的功率损失Pbatloss与Pcaploss也不同。所以，针对每一个复合电源输出功率Psum，能够找到一组最优Pbat与Pcap，使得总功率损耗Psumloss最小。最终确定瞬时最优寻优函数为f＝min Psumloss；
第二步，确定复合电源需求功率
复合电源需求功率Psum的最大值为Psummax，在区间[0，Psummax]取n个值P1、P2、P3、…、Pi、…、Pn将区间[0，Psummax]划分为n+1个等区间，
Figure GDA0003369050110000051
Figure GDA0003369050110000052
n的取值应尽可能的大，从而提高计算精度。i作为计数变量，初值为0，取值为1、2、3、…、n。
第三步，初始化寻优边值a、b；
第四步，基于寻优边值进行黄金分割；
两黄金分割点的计算过程为：
xa＝a+0.382(b-a)
xb＝a+0.618(b-a)
其中，xa、xb为复合电源分配给蓄电池的功率
之后计算复合电源的总功率损失Paloss、Pbloss；
第五步，确定当前复合电源需求功率下分配给蓄电池的功率
若|Paloss-Pbloss|＜Δ，则认为两边值相差足够小，此时
Pibat＝(xa+xb)/2
其中，Pibat为复合电源需求功率为Pi时分配给蓄电池的功率值
Pibat为复合电源需求功率为Pi时分配给蓄电池的功率值，同时，i＝i+1，返回第②步继续计算复合电源需求功率为Pi+1时最优功率比。若|Paloss-Pbloss|＞Δ，则需更新寻优的边值，当Paloss≥Pbloss时，取b＝xb；当Paloss≤Pbloss时，取a＝xa，同时返回第三步继续计算；
第六步，计算每个功率条件下分配给蓄电池的最优功率
计算出复合电源需求功率为P1、P2、P3、…、Pi、…、Pn时应当分配给蓄电池的最优功率P1bat、P2bat、P3bat、…、Pibat、…、Pnbat后，制定出蓄电池的最优功率表如表1所示，在寻优工作模式下，针对不同的复合电源需求功率，通过插值计算应当分配给蓄电池的功率，
表1蓄电池的最优功率表
复合电源需求功率/kW P<sub>1</sub> P<sub>2</sub> P<sub>3</sub> ... P<sub>i</sub> ... P<sub>n</sub>
蓄电池的最优功率/kW P<sub>1bat</sub> P<sub>2bat</sub> P<sub>3bat</sub> ... P<sub>ibat</sub> ... P<sub>nbat</sub>
参阅图2，复合电源瞬时最优能量管理策略工作模式判断包括下列步骤，
根据蓄电池与超级电容SOC确定瞬时最优的工作区间，维持二者之间的电量平衡，是基于瞬时最优思想进行能量管理的必要前提，按照蓄电池与超级电容SOC的不同，将复合电源划分成不同的工作模式，其中，中等SOC指蓄电池与超级电容的SOC处于高值SOCH与低值SOCL之间，蓄电池与超级电容中等SOC时为寻优工作模式，该工作模式下按照瞬时最优能量管理策略进行功率输出，其他工作模式采用单一能量源进行功率输出。
为使得寻优工作模式能够工作于较宽的SOC区间，同时不影响蓄电池与超级电容的输出与能量回收，设定蓄电池与超级电容SOC的处于高值SOCH与低值SOCL之间时进入寻优工作模式，该方法既能够实现复合电源在宽SOC范围内的最优模式输出，同时也能够避免蓄电池和超级电容过度充电或放电。
驱动模式下，当超级电容SOCcap＞SOCcapH时，采用超级电容输出模式，当SOCcap＜SOCcapH且蓄电池SOCbat＞SOCbatH时，采用蓄电池输出模式，当SOCcap＞SOCcapL且SOCbat＜SOCbatL时，采用超级电容输出模式，当SOCbat＞SOCbatL且SOCcap＜SOCcapL时，采用蓄电池输出模式，当SOCcapL＜SOCcap＜SOCcapH且SOCbatL＜SOCbat＜SOCbatH时，采用基于瞬时最优控制策略的寻优工作模式，制动模式下，当SOCcap＜SOCcapL时，采用超级电容回收模式，SOCcap＞SOCcapL且SOCbat＜SOCbatL时，采用蓄电池回收模式。

Claims (4)

1.一种燃料电池汽车复合电源瞬时最优能量管理方法，其特征在于包括下列步骤：
第一步，瞬时最优寻优函数的确定，
首先确定瞬时最优寻优函数，蓄电池与超级电容的功率损耗，计算过程如下式所示
Figure FDA0003395748180000011
Figure FDA0003395748180000012
其中，Pbatloss为蓄电池功率损耗，Pcaploss为超级电容的功率损耗，Ibat为蓄电池工作电流，Rbat为蓄电池内阻，Icap为超级电容工作电流，Rcap为超级电容等效内阻，
双向DC/DC功率损耗计算公式为
PDCloss＝Pcap(1-ηDC)
其中，PDCloss为双向DC/DC功率损耗，Pcap为超级电容功率，ηDC为双向DC/DC效率
复合电源的总输出功率Psum与总功率损耗Psumloss为
Psum＝Pbat+PcapηDC
Psumloss＝Pbatloss+Pcaploss+PDCloss
其中，Psum为复合电源的总输出功率，Psumloss为复合电源的总功率损耗，Pbat为蓄电池功率，
蓄电池输出功率Pbat与超级电容输出功率Pcap分流比例不同，对应的功率损失Pbatloss与Pcaploss也不同，所以，针对每一个复合电源输出功率Psum，能够找到一组最优Pbat与Pcap，使得总功率损耗Psumloss最小，最终确定瞬时最优寻优函数为f＝minPsumloss，
第二步，确定复合电源需求功率，
将复合电源需求功率Psum在0到Psummax之间等距离散出n个点，分别为P1、P2、P3、…、Pi、…、Pn，n的取值应尽可能的大，从而提高计算精度，i作为计数变量，初值为0，取值为1、2、3、…、n，
第三步，初始化寻优边值a、b，
第四步，基于寻优边值进行黄金分割，
两黄金分割点的计算过程为
xa＝a+0.382(b-a)
xb＝a+0.618(b-a)
其中，xa、xb为复合电源分配给蓄电池的功率，
之后计算复合电源的总功率损失Paloss、Pbloss，
第五步，确定当前复合电源需求功率下分配给蓄电池的功率，
若|Paloss-Pbloss|＜Δ，则认为两边值相差足够小，此时
Pibat＝(xa+xb)/2
其中，Pibat为复合电源需求功率为Pi时分配给蓄电池的功率值，
同时，i＝i+1，返回第②步继续计算复合电源需求功率为Pi+1时最优功率比，若|Paloss-Pbloss|＞Δ，则需更新寻优的边值，当Paloss≥Pbloss时，取b＝xb，当Paloss≤Pbloss时，取a＝xa，同时返回第三步继续计算，
第六步，计算每个功率条件下分配给蓄电池的最优功率，
计算出复合电源需求功率为P1、P2、P3、…、Pi、…、Pn时应当分配给蓄电池的最优功率P1bat、P2bat、P3bat、…、Pibat、…、Pnbat后，制定出蓄电池的最优功率表如表1所示，在寻优工作模式下，针对不同的复合电源需求功率，通过插值计算应当分配给蓄电池的功率，
表1蓄电池的最优功率表
复合电源需求功率/kW P<sub>1</sub> P<sub>2</sub> P<sub>3</sub> … P<sub>i</sub> … P<sub>n</sub> 蓄电池的最优功率/kW P<sub>1bat</sub> P<sub>2bat</sub> P<sub>3bat</sub> … P<sub>ibat</sub> … P<sub>nbat</sub>
第七步，应用最优参数进行整车能量管理，
根据蓄电池与超级电容SOC确定瞬时最优的工作区间，维持二者之间的电量平衡，是基于瞬时最优思想进行能量管理的必要前提，
按照蓄电池与超级电容SOC的不同，将复合电源划分成不同的工作模式，其中，中等SOC指蓄电池与超级电容的SOC处于高值SOCH与低值SOCL之间，蓄电池与超级电容中等SOC时为寻优工作模式，该工作模式下按照瞬时最优能量管理策略进行功率输出，其他工作模式采用单一能量源进行功率输出。
2.按照权利要求1所述的一种燃料电池汽车复合电源瞬时最优能量管理方法，其特征在于：所述Δ的取值为0.001，所述寻优的边值a＝0，b＝Pi。
3.按照权利要求1所述的一种燃料电池汽车复合电源瞬时最优能量管理方法，其特征在于：工作模式包括寻优工作模式和其他工作模式，其他工作模式包括驱动模式和制动模式，驱动模式包括超级电容输出模式和蓄电池输出模式，制动模式包括超级电容回收模式和蓄电池回收模式。
4.按照权利要求1所述的一种燃料电池汽车复合电源瞬时最优能量管理方法，其特征在于：中等SOC指蓄电池与超级电容的SOC处于高值SOCH与低值SOCL之间，寻优工作模式判定如下，
为使得寻优工作模式能够工作于较宽的SOC区间，同时不影响蓄电池与超级电容的输出与能量回收，设定蓄电池与超级电容SOC的处于高值SOCH与低值SOCL之间时进入寻优工作模式，该方法既能够实现复合电源在宽SOC范围内的最优模式输出，同时也能够避免蓄电池和超级电容过度充电或放电，
驱动模式下，当超级电容SOCcap＞SOCcapH时，采用超级电容输出模式，当SOCcap＜SOCcapH且蓄电池SOCbat＞SOCbatH时，采用蓄电池输出模式，当SOCcap＞SOCcapL且SOCbat＜SOCbatL时，采用超级电容输出模式，当SOCbat＞SOCbatL且SOCcap＜SOCcapL时，采用蓄电池输出模式，当SOCcapL＜SOCcap＜SOCcapH且SOCbatL＜SOCbat＜SOCbatH时，采用基于瞬时最优控制策略的寻优工作模式，制动模式下，当SOCcap＜SOCcapL时，采用超级电容回收模式，SOCcap＞SOCcapL且SOCbat＜SOCbatL时，采用蓄电池回收模式。
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