CN112926211A - 一种基于工况预测的燃料电池汽车能量管理优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于工况预测的燃料电池汽车能量管理优化方法,包括工况预测和能量管理控制两部分,其中,能量管理优化控制包括内层动力电池能量优化控制和外层燃料电池能量优化控制。针对电‑电混合燃料电池汽车,采用马尔可夫模型预测行驶工况,进而获得电机需求功率,内层控制采用动态规划算法获得动力电池参考目标功率和燃料电池参考目标功率,然后外层控制根据燃料电池系统电压衰退模型修正燃料电池参考目标功率,进而实现多动力源的能量分配。本发明提出的方法可以优化动力源的工作点,主动延长动力电池寿命,提高燃料电池耐久性和车辆经济性。
Description
技术领域
本发明属于汽车控制系统,更确切地说,本发明涉及基于工况预测的燃料电池汽车能量管理优化控制。
背景技术
电-电混合燃料电池汽车存在多个动力源,需要合理协调各个动力源的工作状态以满足整车动力性需求,进而充分发挥其节能优势。其中,动力电池性能和燃料电池性能直接影响驱动电动机的性能,从而影响整车的燃氢经济性和排放性能,是实现整车性能的关键。燃料电池汽车能够提供电池电动汽车那样的环境效益,且行驶范围更长,加氢时间短;然而,燃料电池的耐久性,成为当前燃料电池汽车产业化的主要棘手问题。
研究表明,燃氢消耗、动力电池寿命衰减程度及燃料电池系统电压衰退三者之间是互相耦合的,在能量优化管理控制策略中考虑动力电池寿命的衰减程度即燃料电池系统电压衰退对提高车辆经济性及动力源使用性能、降低车辆使用成本是十分必要的。
目前对燃料电池汽车能量管理的研究主要集中在降低能耗上,如中国专利公布号为CN108944900B,公布日为2020-10-09,公开了一种燃料电池汽车能量管理控制方法,实时检测行驶工况,根据行驶工况计算需求功率,控制燃料电池按照需求功率输出,可以优化整车经济性能,然而未考虑到燃料电池和动力电池衰减对能耗的影响;现有公开专利,整车能量管理研究中很少考虑动力电池寿命衰减、燃料电池系统电压衰退和车辆经济性之间的关系,进而导致动力源工作点恶化,不利于提高整车经济性,本专利针对电-电混合燃料电池汽车,制定了基于工况预测的燃料电池汽车能量管理优化控制方法,对于优化电池使用性能、提高燃料电池耐久性和节能有重要意义。
发明内容
本发明提出了一种基于工况预测的燃料电池汽车能量管理优化方法,为解决上述技术问题,本发明是采用如下技术方案实现的,包括下列步骤:
(1)工况预测
定义电机的需求功率区间为[Umin,Umax],Umin为电机最大需求功率,Umax为电机最小需求功率,以单位功率将电机的需求功率区间划分成m个状态区间,即以单位功率作为每个状态区间的长度;
基于历史工况的电机需求功率计算第i个状态区间转移到第j个状态区间的频数除以第i个状态区间转移到任意状态区间频数之和,即为第i个状态区间转移到第j个状态区间的状态转移概率,所有的状态转移概率组成了状态转移概率矩阵;
在[0,1]区间内满足均匀分布的条件下取随机数r1,若:
式中,U1为下一时刻预测的电机需求功率,即Pm(1)=U1;以此类推,分别取r2,...,rk随机数,得到第k时刻预测的电机需求功率Uk;
(2)能量管理控制
第一步,进行内层动力电池优化能量优化控制,包括以下内容;
①建立多目标优化控制模型,包括:优化目标函数和动力电池寿命衰减模型,采用动态规划算法获得满足优化目标的最优控制量;
优化目标函数为:
式中,μ为权重系数,取值范围为0~1;CH2(xk,uk)为燃氢消耗成本,包括燃料电池燃氢消耗和动力电池等效燃氢消耗;CH(xk,uk)为动力电池寿命衰减成本;Ca为转化系数;xk为状态变量,即动力电池荷电状态(SOC);uk为决策变量,即动力电池功率;
状态转移方程Sg[xk,uk]为:
式中,SOCk为k时刻动力电池SOC,Ik+1为k+1时刻流经动力电池的电流,Qbat为动力电池容量;
k时刻燃氢消耗成本CE(xk,uk)为:
CH2(xk,uk)=Wfc(k)+αPbat(k)
式中,Wfc(k)为k时刻燃料电池燃氢消耗量,Pbat(k)为k时刻动力电池功率,α为等效燃氢系数;
k时刻动力电池寿命衰减成本CH(xk,uk)通过下式求取:
CH(xk,uk)=σ·|Ic(k)|
式中,σ为动力电池寿命衰减影响因子,Ic(k)为k时刻的动力电池充放电倍率;
动力电池寿命衰减影响因子σ通过下式求取:
式中,τ为动力电池额定寿命,即通过额定运行条件下寿命终止(End of Life,EOL)时流过动力电池的总电量;γ是实际运行条件下动力电池寿命终止时流过动力电池的总电量;Ic,nom为动力电池额定充放电倍率;Ic为动力电池实际充放电倍率;
②基于上述所建立的多优化目标控制模型,采用动态规划算法,由时刻k=N开始从后向前计算,逐步求得各阶段的最优决策轨迹、最优状态轨迹和最优成本值,直至k=1时求解结束;
③基于逆向计算保存的结果,正向计算,即从第一时刻到N时刻结束,已知动力电池SOC的初始值,通过插值获得每一时刻的最优控制量,进而得到燃料电池参考目标功率和动力电池参考目标功率;
第二步,进行外层燃料电池能量优化控制,包括以下内容;
建立燃料电池电压衰退模型,工况的变化程度通过相邻5个时刻的燃料电池系统输出功率的标准差来表征,燃料电池系统的电压衰退率通过下式表示:
燃料电池系统输出功率限制变化值ΔPf根据下式获得:
式中,ΔPfmax为初始的最大功率限制变化值;
第三步,根据所建立的燃料电池电压衰退模型,通过反馈的燃料电池电压衰退速率对燃料电池系统输出功率限制变化值ΔPf进行动态调整,当燃料电池电压衰退速率较大时ΔPf减小,使功率变化标准差减小,降低燃料电池电压衰退速率,进而修正上述内层动力电池能量优化控制获得的燃料电池参考目标功率,实现燃料电池汽车系统动力源的最优能量分配。
与现有技术相比本发明的有益效果是:
1.本发明所述的一种基于工况预测的燃料电池汽车能量管理优化方法采用马尔可夫模型来准确预测电机需求功率,有利于提高车辆经济性。
2.本发明所述的一种基于工况预测的燃料电池汽车能量管理优化方法在内层动力电池能量优化控制中考虑了动力电池寿命的衰减因素,有利于延长动力电池的使用寿命。
3.本发明所述的一种基于工况预测的燃料电池汽车能量管理优化方法在外层燃料电池能量优化控制中建立了面型控制的燃料电池电压衰退模型,有利于提高燃料电池耐久性,降低车辆全寿命周期成本。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明:
图1是基于工况预测的燃料电池汽车能量管理优化的整体流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述:
本发明公开一种基于工况预测的燃料电池汽车能量管理优化方法,包括工况预测和能量管理控制两部分,其中,能量管理优化控制包括内层动力电池能量优化控制和外层燃料电池能量优化控制。针对电-电混合燃料电池汽车,采用马尔可夫模型预测行驶工况,进而获得电机需求功率,内层控制采用动态规划算法获得动力电池参考目标功率和燃料电池参考目标功率,然后外层控制根据燃料电池系统电压衰退模型修正燃料电池参考目标功率,进而实现多动力源的能量分配。接下来具体说明实现考虑衰减的燃料电池汽车动力电池优化设计的思路。
(1)工况预测
定义电机的需求功率区间为[Umin,Umax],Umin为电机最大需求功率,Umax为电机最小需求功率,以单位功率将电机的需求功率区间划分成m个状态区间,即以单位功率作为每个状态区间的长度;
基于历史工况的电机需求功率计算第i个状态区间转移到第j个状态区间的频数除以第i个状态区间转移到任意状态区间频数之和,即为第i个状态区间转移到第j个状态区间的状态转移概率,所有的状态转移概率组成了状态转移概率矩阵;
在[0,1]区间内满足均匀分布的条件下取随机数r1,若:
式中,U1为下一时刻预测的电机需求功率,即Pm(1)=U1;以此类推,分别取r2,...,rk随机数,得到第k时刻预测的电机需求功率Uk;
(2)能量管理控制
参阅图1,第一步,进行内层动力电池优化能量优化控制,包括以下内容;
①建立多目标优化控制模型,包括:优化目标函数和动力电池寿命衰减模型,采用动态规划算法获得满足优化目标的最优控制量;
优化目标函数为:
式中,μ为权重系数,取值范围为0~1;CH2(xk,uk)为燃氢消耗成本,包括燃料电池燃氢消耗和动力电池等效燃氢消耗;CH(xk,uk)为动力电池寿命衰减成本;Ca为转化系数;xk为状态变量,即动力电池荷电状态(SOC);uk为决策变量,即动力电池功率;
状态转移方程Sg[xk,uk]为:
式中,SOCk为k时刻动力电池SOC,Ik+1为k+1时刻流经动力电池的电流,Qbat为动力电池容量;
k时刻燃氢消耗成本CE(xk,uk)为:
CH2(xk,uk)=Wfc(k)+αPbat(k)
式中,Wfc(k)为k时刻燃料电池燃氢消耗量,Pbat(k)为k时刻动力电池功率,α为等效燃氢系数;
k时刻动力电池寿命衰减成本CH(xk,uk)通过下式求取:
CH(xk,uk)=σ·|Ic(k)|
式中,σ为动力电池寿命衰减影响因子,Ic(k)为k时刻的动力电池充放电倍率;
动力电池寿命衰减影响因子σ通过下式求取:
式中,τ为动力电池额定寿命,即通过额定运行条件下寿命终止(End of Life,EOL)时流过动力电池的总电量;γ是实际运行条件下动力电池寿命终止时流过动力电池的总电量;Ic,nom为动力电池额定充放电倍率;Ic为动力电池实际充放电倍率;
②基于上述所建立的多优化目标控制模型,采用动态规划算法,由时刻k=N开始从后向前计算,逐步求得各阶段的最优决策轨迹、最优状态轨迹和最优成本值,直至k=1时求解结束;
③基于逆向计算保存的结果,正向计算,即从第一时刻到N时刻结束,已知动力电池SOC的初始值,通过插值获得每一时刻的最优控制量,进而得到燃料电池参考目标功率和动力电池参考目标功率;
第二步,进行外层燃料电池能量优化控制,包括以下内容;
建立燃料电池电压衰退模型,工况的变化程度通过相邻5个时刻的燃料电池系统输出功率的标准差来表征,燃料电池系统的电压衰退率通过下式表示:
燃料电池系统输出功率限制变化值ΔPf根据下式获得:
式中,ΔPfmax为初始的最大功率限制变化值;
第三步,根据所建立的燃料电池电压衰退模型,通过反馈的燃料电池电压衰退速率对燃料电池系统输出功率限制变化值ΔPf进行动态调整,当燃料电池电压衰退速率较大时ΔPf减小,使功率变化标准差减小,降低燃料电池电压衰退速率,进而修正上述内层动力电池能量优化控制获得的燃料电池参考目标功率,实现燃料电池汽车系统动力源的最优能量分配。
Claims (1)
1.一种基于工况预测的燃料电池汽车能量管理优化方法,其特征在于包括下列步骤:
(1)工况预测
定义电机的需求功率区间为[Umin,Umax],Umin为电机最大需求功率,Umax为电机最小需求功率,以单位功率将电机的需求功率区间划分成m个状态区间,即以单位功率作为每个状态区间的长度;
基于历史工况的电机需求功率计算第i个状态区间转移到第j个状态区间的频数除以第i个状态区间转移到任意状态区间频数之和,即为第i个状态区间转移到第j个状态区间的状态转移概率,所有的状态转移概率组成了状态转移概率矩阵;
在[0,1]区间内满足均匀分布的条件下取随机数r1,若:
式中,U1为下一时刻预测的电机需求功率,即Pm(1)=U1;以此类推,分别取r2,...,rk随机数,得到第k时刻预测的电机需求功率Uk;
(2)能量管理控制
第一步,进行内层动力电池优化能量优化控制,包括以下内容;
①建立多目标优化控制模型,包括:优化目标函数和动力电池寿命衰减模型,采用动态规划算法获得满足优化目标的最优控制量;
优化目标函数为:
式中,μ为权重系数,取值范围为0~1;CH2(xk,uk)为燃氢消耗成本,包括燃料电池燃氢消耗和动力电池等效燃氢消耗;CH(xk,uk)为动力电池寿命衰减成本;Ca为转化系数;xk为状态变量,即动力电池荷电状态(SOC);uk为决策变量,即动力电池功率;
状态转移方程Sg[xk,uk]为:
式中,SOCk为k时刻动力电池SOC,Ik+1为k+1时刻流经动力电池的电流,Qbat为动力电池容量;
k时刻燃氢消耗成本CE(xk,uk)为:
CH2(xk,uk)=Wfc(k)+αPbat(k)
式中,Wfc(k)为k时刻燃料电池燃氢消耗量,Pbat(k)为k时刻动力电池功率,α为等效燃氢系数;
k时刻动力电池寿命衰减成本CH(xk,uk)通过下式求取:
CH(xk,uk)=σ·|Ic(k)|
式中,σ为动力电池寿命衰减影响因子,Ic(k)为k时刻的动力电池充放电倍率;
动力电池寿命衰减影响因子σ通过下式求取:
式中,τ为动力电池额定寿命,即通过额定运行条件下寿命终止(End of Life,EOL)时流过动力电池的总电量;γ是实际运行条件下动力电池寿命终止时流过动力电池的总电量;Ic,nom为动力电池额定充放电倍率;Ic为动力电池实际充放电倍率;
②基于上述所建立的多优化目标控制模型,采用动态规划算法,由时刻k=N开始从后向前计算,逐步求得各阶段的最优决策轨迹、最优状态轨迹和最优成本值,直至k=1时求解结束;
③基于逆向计算保存的结果,正向计算,即从第一时刻到N时刻结束,已知动力电池SOC的初始值,通过插值获得每一时刻的最优控制量,进而得到燃料电池参考目标功率和动力电池参考目标功率;
第二步,进行外层燃料电池能量优化控制,包括以下内容;
建立燃料电池电压衰退模型,工况的变化程度通过相邻5个时刻的燃料电池系统输出功率的标准差来表征,燃料电池系统的电压衰退率通过下式表示:
燃料电池系统输出功率限制变化值ΔPf根据下式获得:
式中,ΔPfmax为初始的最大功率限制变化值;
第三步,根据所建立的燃料电池电压衰退模型,通过反馈的燃料电池电压衰退速率对燃料电池系统输出功率限制变化值ΔPf进行动态调整,当燃料电池电压衰退速率较大时ΔPf减小,使功率变化标准差减小,降低燃料电池电压衰退速率,进而修正上述内层动力电池能量优化控制获得的燃料电池参考目标功率,实现燃料电池汽车系统动力源的最优能量分配。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210608 |
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