CN113103921A - 一种基于开关网络的切换式能量管理方法 - Google Patents

一种基于开关网络的切换式能量管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于开关网络的切换式能量管理方法，包括以下步骤：S1：根据锂电池的SOC状态，判断锂电池组的不一致性；S2：根据锂电池组的不一致性，切换能量管理策略，并得到锂电池组的参考输出功率；S3：计算锂电池组的工作电流；S4：对锂电池组的参考输出功率和工作电流进行限制，并进行锂电池的SOC状态更新，完成基于开关网络的切换式能量管理。本发明的能量管理方法以开关网络电路为基础，考虑了燃料电池的功率限制、锂电池组的电流限制和过充过放保护功能。本发明可以在保证车辆正常运行的前提下，改善锂电池组不一致性，并将锂电池组的荷电状态控制在合适的范围内，保证了车辆的动力性、安全性和经济性。

Description

一种基于开关网络的切换式能量管理方法
技术领域
本发明属于混合动力系统能量管理技术领域，具体涉及一种基于开关网络的切换式能量管理方法。
背景技术
随着汽车数量的急剧增加，传统燃油汽车由于其尾气排放污染及对化石燃料的高度依赖，使得环境污染以及能源危机日益严峻，已经逐渐不再适应时代发展的需求，大力发展新能源汽车已经成为全球汽车行业的大势所趋。新能源汽车主要包括纯电动汽车、混合动力汽车和氢燃料电池汽车三大类。在混合动力汽车中具有多个动力源，不同的动力源具有不同的输出特性，因此必须使用能量管理策略对动力源在何时“出多大力”进行有效的管理。目前针对燃料电池/锂电池混合动力系统的能量管理策略大多在系统的动力性、耐用性和燃油经济性进行考虑，却忽略了实际应用中锂电池组由于本身生产条件、串并联方式、充放电模式、环境温度和连接位置等因素所造成的不一致性，这将导致能量分配误差，甚至带来系统安全隐患。目前的电池均衡策略根据均衡电路的能量转换方式分为能量耗散型和非能量耗散型两类。能量耗散型在高SOC电池两端并联电阻将多余的电量消耗掉，优点是结构简单，缺点是存在能量浪费，并且将加大电池热管理成本；而非能量耗散型是将高SOC电池多余电量通过储能元件或者反激式变压器转移到低SOC电池中，优点是不存在能量浪费，但缺点是结构复杂且成本高昂。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前能量管理策略中未考虑锂电池组不一致性以及目前的电池均衡策略所存在的能量浪费或结构复杂成本高昂的问题，提出了一种基于开关网络的切换式能量管理方法。
本发明的技术方案是：一种基于开关网络的切换式能量管理方法包括以下步骤：
S1：根据锂电池的SOC状态，判断锂电池组的不一致性；
S2：根据锂电池组的不一致性，切换能量管理策略，并得到锂电池组的参考输出功率；
S3：计算锂电池组的工作电流；
S4：对锂电池组的参考输出功率和工作电流进行限制，并进行锂电池的SOC状态更新，完成基于开关网络的切换式能量管理。
本发明的有益效果是：本发明的能量管理方法以开关网络电路为基础，考虑了燃料电池的功率限制、锂电池组的电流限制和过充过放保护功能。本发明可以在保证车辆正常运行的前提下，改善锂电池组不一致性，并将锂电池组的荷电状态控制在合适的范围内，保证了车辆的动力性、安全性和经济性。
进一步地，步骤S2中，若锂电池组的SOC标准差大于或等于切换开关网络阈值，则切换至均衡能量管理策略；若锂电池组的SOC标准差小于切换开关网络阈值，则切换至等效燃油消耗最小策略。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，基于开关网络电路特性，利用开关网络控制策略和切换式控制结构，若锂电池组的SOC标准差大于等于切换开关阈值，则表示锂电池组的不一致性较差，切换式能量管理策略切换到均衡能量管理策略工作，改善锂电池组不一致性；若锂电池组的SOC标准差小于切换开关阈值，则表示锂电池组的不一致性较好，切换式能量管理策略切换到等效燃油消耗最小策略工作，控制锂电池组SOC处在适当的范围，并保证系统燃油经济性。
进一步地，均衡能量管理策略中，根据高SOC状态的锂电池数量Nhigh和低SOC状态的锂电池数量Nlow决定开关网络能量控制。
进一步地，均衡能量管理策略中，当高SOC状态的锂电池数量Nhigh大于或等于低SOC状态的锂电池数量Nlow时，若功率需求Pl小于燃料电池最小输出功率Pfcmin，则开关网络能量控制策略为：将所有SOC等于锂电池组SOC最大值的电池断开，将其余电池所组成的锂电池组以锂电池组的参考输出功率Ppack_ref进行充电；
若功率需求Pl大于燃料电池最小输出功率Pfcmin且小于燃料电池最大输出功率Pfcmax，则开关网络能量控制策略为：将高SOC状态的锂电池断开，将低SOC状态锂电池所组成的锂电池组以锂电池组的参考输出功率Ppack_ref进行充电；
若功率需求Pl大于燃料电池最大输出功率Pfcmax且小于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和，则开关网络能量控制策略为：将低SOC状态的锂电池断开，由高SOC状态的锂电池进行工作；
若功率需求Pl小于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和且大于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有低SOC状态锂电池的参考可输出功率之和，则开关网络能量控制策略为：将SOC等于锂电池组SOC最小值的所有电池断开；
若功率需求Pl大于燃料电池最大输出功率与所有低SOC状态锂电池的参考可输出功率之和，则开关网络能量控制策略为：将所有锂电池均接入开关网络电路并以最大功率进行放电。
进一步地，均衡能量管理策略中，当高SOC状态的锂电池数量Nhigh小于低SOC状态的锂电池数量Nlow时，若功率需求Pl小于燃料电池最小输出功率Pfcmin，则开关网络能量控制策略为：将所有SOC等于锂电池组SOC最大值的电池断开，将其余电池所组成的锂电池组以锂电池组的参考输出功率Ppack_ref进行充电；
若功率需求Pl大于燃料电池最小输出功率Pfcmin且小于燃料电池最小输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池参考可输出功率之和Pb_target，则开关网络能量控制策略为：将低SOC状态的锂电池断开；
若功率需求Pl大于燃料电池最小输出功率Pfcmin与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和且小于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和，则开关网络能量控制策略为：将低SOC状态的锂电池断开；
若功率需求Pl小于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和且大于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有低SOC状态锂电池的参考可输出功率之和，则开关网络能量控制策略为：将SOC等于锂电池组SOC最小值的所有电池断开；
若功率需求Pl大于燃料电池最大输出功率与所有低SOC状态锂电池的参考可输出功率之和，则开关网络能量控制策略为：将所有锂电池均接入开关网络电路并以最大功率进行放电。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，均衡能量管理策略在锂电池组SOC标准差大于切换开关阈值时运行，根据车辆当前的功率需求以及两类电池的数量进行合理的功率分配，配合开关网络控制策略以达到在满足车辆正常运行的功率需求前提下，改善锂电池组不一致性。
进一步地，均衡能量管理策略中，锂电池的高SOC状态和低SOC状态的判断方法为：若锂电池组中各单体锂电池的SOC高于锂电池组的平均SOC，则单体锂电池为高SOC状态，否则为低SOC状态。
进一步地，步骤S2中，利用等效燃油消耗最小策略进行能量管理的方法为：根据锂电池组参数计算锂电池组的优化输出功率Ppack_opt。
进一步地，锂电池组参数包括修正系数k、燃料电池的瞬时氢耗Cfc、锂电池组的充电效率ηchg、锂电池组的放电效率ηdis和锂电池组的等效瞬时氢耗Cpack，其计算公式分别为：
Figure BDA0003016235740000051
Cfc＝aPfc+b
Figure BDA0003016235740000052
Figure BDA0003016235740000053
其中，μ表示SOC平衡系数，SOC表示荷电状态，sh表示锂电池组SOC控制范围的上限值，sl表示锂电池组SOC控制范围的下限值，Pfc表示燃料电池的瞬时功率，a表示第一常系数，b表示第二常系数，Ppack表示锂电池组的功率，Cfc_avg表示燃料电池平均瞬时氢耗，ηchg_avg表示锂电池组充电平均效率，Pfc_avg燃料电池平均功率，ηdis_avg表示锂电池组放电平均效率，Rdis表示锂电池组的放电内阻，Vpack表示锂电池组的总电压，Rchg表示锂电池组的充电内阻；
锂电池组的优化输出功率Ppack_opt的计算公式为：
Figure BDA0003016235740000061
Figure BDA0003016235740000062
Figure BDA0003016235740000063
Figure BDA0003016235740000064
其中，Vpack_min表示锂电池组电压上限值，Vpack_max表示锂电池组电压下限值，Pfc_opt为燃料电池优化输出功率，K表示修正系数k与锂电池组的平均充电效率ηchg_avg的比值，Xmin表示第一中间变量，Xmax表示第二中间变量，k表示修正系数。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，在等效燃油消耗最小策略下，开关网络中的锂电池全部接入电路，将锂电池组的功率转化为系统等效氢耗，求解各动力源的功率分配关系以保证最佳的燃油经济性。等效燃油消耗最小策略可将锂电池组SOC控制在适当的范围，并提高系统燃油经济性。
进一步地，步骤S3中，锂电池组的工作电流Ibat的计算公式为：
Figure BDA0003016235740000065
其中，Ppack表示锂电池组功率，Voc_pack表示锂电池组的总开路电压，Rpack表示锂电池组的总内阻，Ppack表示锂电池组的功率。
进一步地，步骤S4中，对锂电池组的参考输出功率和工作电流进行限制的公式分别为：
Pfcmin≤Pfc≤Pfcmax
0≤Ibat≤Imax
其中，Pfcmin表示燃料电池最小输出功率，Pfcmax表示燃料电池最大输出功率，Pfc表示燃料电池的瞬时功率，Ibat表示锂电池组的工作电流，Imax表示锂电池最大电流；
对锂电池的SOC状态进行更新的公式为：
SOCl≤SOCt≤SOCh
Figure BDA0003016235740000071
其中，SOCl表示SOC下限值，SOCh表示SOC上限值，SOCt表示t时刻的锂电池SOC，SOCt0表示SOC初始值，Q表示电池的容量，t0表示初始时刻。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，由于锂电池的寿命和安全性与放电深度具有密切关系，为防止过充及过放，锂电池的SOC遵循以上限制，当任意锂电池的SOC低于SOCl，该电池将只能在充电时被接入电路；当任意锂电池的SOC高于SOCh，该电池将只能在放电时被接入电路。
附图说明
图1为切换式能量管理方法的流程图；
图2为开关网络电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：
SOC：State of charge，荷电状态。
如图1所示，本发明提供了一种基于开关网络的切换式能量管理方法，包括以下步骤：
S1：根据锂电池的SOC状态，判断锂电池组的不一致性；
S2：根据锂电池组的不一致性，切换能量管理策略，并得到锂电池组的参考输出功率；
S3：计算锂电池组的工作电流；
S4：对锂电池组的参考输出功率和工作电流进行限制，并进行锂电池的SOC状态更新，完成基于开关网络的切换式能量管理。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S2中，若锂电池组的SOC标准差大于或等于切换开关网络阈值，则切换至均衡能量管理策略；若锂电池组的SOC标准差小于切换开关网络阈值，则切换至等效燃油消耗最小策略。
在本发明中，基于开关网络电路特性，利用开关网络控制策略和切换式控制结构，若锂电池组的SOC标准差大于等于切换开关阈值，则表示锂电池组的不一致性较差，切换式能量管理策略切换到均衡能量管理策略工作，改善锂电池组不一致性；若锂电池组的SOC标准差小于切换开关阈值，则表示锂电池组的不一致性较好，切换式能量管理策略切换到等效燃油消耗最小策略工作，控制锂电池组SOC处在适当的范围，并保证系统燃油经济性。
在本发明实施例中，如图1所示，均衡能量管理策略中，根据高SOC状态的锂电池数量Nhigh和低SOC状态的锂电池数量Nlow决定开关网络能量控制。
在本发明实施例中，如图1所示，均衡能量管理策略中，当高SOC状态的锂电池数量Nhigh大于或等于低SOC状态的锂电池数量Nlow时，若功率需求Pl小于燃料电池最小输出功率Pfcmin，则开关网络能量控制策略为：将所有SOC等于锂电池组SOC最大值的电池断开，将其余电池所组成的锂电池组以锂电池组的参考输出功率Ppack_ref进行充电；
若功率需求Pl大于燃料电池最小输出功率Pfcmin且小于燃料电池最大输出功率Pfcmax，则开关网络能量控制策略为：将高SOC状态的锂电池断开，将低SOC状态锂电池所组成的锂电池组以锂电池组的参考输出功率Ppack_ref进行充电；
若功率需求Pl大于燃料电池最大输出功率Pfcmax且小于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和，则开关网络能量控制策略为：将低SOC状态的锂电池断开，由高SOC状态的锂电池进行工作；
若功率需求Pl小于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和且大于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有低SOC状态锂电池的参考可输出功率之和，则开关网络能量控制策略为：将SOC等于锂电池组SOC最小值的所有电池断开；
若功率需求Pl大于燃料电池最大输出功率与所有低SOC状态锂电池的参考可输出功率之和，则开关网络能量控制策略为：将所有锂电池均接入开关网络电路并以最大功率进行放电。
在本发明实施例中，如图1所示，均衡能量管理策略中，当高SOC状态的锂电池数量Nhigh小于低SOC状态的锂电池数量Nlow时，若功率需求Pl小于燃料电池最小输出功率Pfcmin，则开关网络能量控制策略为：将所有SOC等于锂电池组SOC最大值的电池断开，将其余电池所组成的锂电池组以锂电池组的参考输出功率Ppack_ref进行充电；
若功率需求Pl大于燃料电池最小输出功率Pfcmin且小于燃料电池最小输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池参考可输出功率之和Pb_target，则开关网络能量控制策略为：将低SOC状态的锂电池断开；
若功率需求Pl大于燃料电池最小输出功率Pfcmin与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和且小于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和，则开关网络能量控制策略为：将低SOC状态的锂电池断开；
若功率需求Pl小于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和且大于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有低SOC状态锂电池的参考可输出功率之和，则开关网络能量控制策略为：将SOC等于锂电池组SOC最小值的所有电池断开；
若功率需求Pl大于燃料电池最大输出功率与所有低SOC状态锂电池的参考可输出功率之和，则开关网络能量控制策略为：将所有锂电池均接入开关网络电路并以最大功率进行放电。
在本发明中，均衡能量管理策略在锂电池组SOC标准差大于切换开关阈值时运行，根据车辆当前的功率需求以及两类电池的数量进行合理的功率分配，配合开关网络控制策略以达到在满足车辆正常运行的功率需求前提下，改善锂电池组不一致性。
在本发明实施例中，当高SOC状态的电池数量大于或等于低SOC状态的电池数量时，如表1所示，为均衡能量管理决策表。
表1
Figure BDA0003016235740000101
Figure BDA0003016235740000111
在表1中，Pl是当前车辆的功率需求；Pfcmax和Pfcmin分别为燃料电池最大输出功率和最小输出功率；Pb_target是单体锂电池在平衡点(SOC＝0.6时为平衡点)的参考可输出功率；Pbatmax是单体锂电池最大放电功率；N是处于其下标所示状态的电池的数量，h和l分别代表高于和低于，max、min和mean分别代表锂电池组SOC的最大值、最小值和平均值。例如，Nh_mean表示SOC高于锂电池组SOC平均值的电池的数量，Nh_min表示SOC高于锂电池组SOC最小值的电池的数量。
对于状态1：功率需求低于燃料电池最小输出功率，说明车辆处于制动能量回收或功率需求较小的状态，因此此时燃料电池以最小功率输出，开关网络控制策略为：将所有SOC等于锂电池组SOC最大值的电池断开(因为可能具有多个电池的SOC同时等于锂电池组SOC最大值)，其余电池所组成的锂电池组以Ppack_ref列的功率进行充电。
对于状态2：功率需求高于燃料电池最小输出功率且低于最大输出功率，由于此时处于高SOC的状态的锂电池为大多数，因此要达到快速均衡的目的，燃料电池需要在满足负载的需求功率的同时给低SOC电池进行充电；此时的开关网络控制策略为：将高SOC状态的锂电池断开，对低SOC状态锂电池所组成的锂电池组以Ppack_ref列的功率进行充电。
对于状态3：功率需求高于燃料电池最大输出功率且低于燃料电池最大输出功率与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率之和。为满足功率需求，并且同时尽快对锂电池组进行均衡，所有高SOC状态锂电池均以最大输出功率放电，其余功率由燃料电池进行补足；此时的开关网络控制策略为：将低SOC状态的锂电池断开，由高SOC状态的锂电池进行工作。
对于状态4：此时需求功率较高，但仍可在满足车辆功率需求的同时进行均衡。所有高于SOC最小值的锂电池均以最大输出功率进行放电，其余功率由燃料电池进行补足。此时的开关网络控制策略为：将SOC等于锂电池组SOC最小值的所有电池断开(因为可能具有多个电池的SOC同时等于锂电池组SOC最小值)。
对于状态5：此时需求功率已超出混合动力系统可均衡极限功率，因此为优先满足车辆正常运行的功率需求，此时不再进行均衡，采取的策略为将所有锂电池均接入电路以最大功率进行放电。
当高SOC状态的锂电池数量小于低SOC状态的锂电池数量时，只有状态2和状态3的控制策略不同，如表2所示，为均衡能量管理决策表。
表2
Figure BDA0003016235740000121
对于状态6：此时需求功率高于燃料电池最小输出功率且低于燃料电池最小输出功率与所有高SOC状态锂电池参考可输出功率之和，由于此时处于低SOC的状态的锂电池为大多数，因此要达到快速均衡的目的，由所有高SOC状态的锂电池以Ppack_ref列的功率进行放电；此时的开关网络控制策略为：将低SOC状态的锂电池断开。
对于状态7：此时需求功率高于燃料电池最小输出功率与所有高SOC状态锂电池参考可输出功率之和且低于燃料电池最大输出功率与高SOC状态锂电池参考可输出功率之和，由所有高SOC状态锂电池以最大输出功率放电，其余需求功率由燃料电池进行补充。此时的开关策略为：将低SOC状态的锂电池断开。
在本发明实施例中，如图1所示，均衡能量管理策略中，锂电池的高SOC状态和低SOC状态的判断方法为：若锂电池组中各单体锂电池的SOC高于锂电池组的平均SOC，则单体锂电池为高SOC状态，否则为低SOC状态。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S2中，利用等效燃油消耗最小策略进行能量管理的方法为：根据锂电池组参数计算锂电池组的优化输出功率Ppack_opt。
在本发明实施例中，如图1所示，锂电池组参数包括修正系数k、燃料电池的瞬时氢耗Cfc、锂电池组的充电效率ηchg、锂电池组的放电效率ηdis和锂电池组的等效瞬时氢耗Cpack，其计算公式分别为：
Figure BDA0003016235740000131
Cfc＝aPfc+b
Figure BDA0003016235740000132
Figure BDA0003016235740000141
其中，μ表示SOC平衡系数，SOC表示荷电状态，sh表示锂电池组SOC控制范围的上限值，sl表示锂电池组SOC控制范围的下限值，Pfc表示燃料电池的瞬时功率，a表示第一常系数，b表示第二常系数，Ppack表示锂电池组的功率，Cfc_avg表示燃料电池平均瞬时氢耗，ηchg_avg表示锂电池组充电平均效率，Pfc_avg燃料电池平均功率，ηdis_avg表示锂电池组放电平均效率，Rdis表示锂电池组的放电内阻，Vpack表示锂电池组的总电压，Rchg表示锂电池组的充电内阻；
锂电池组的优化输出功率Ppack_opt的计算公式为：
Figure BDA0003016235740000142
Figure BDA0003016235740000143
Figure BDA0003016235740000144
Figure BDA0003016235740000145
其中，Vpack_min表示锂电池组电压上限值，Vpack_max表示锂电池组电压下限值，Pfc_opt为燃料电池优化输出功率，K表示修正系数k与锂电池组的平均充电效率ηchg_avg的比值，Xmin表示第一中间变量，Xmax表示第二中间变量，k表示修正系数。
在本发明中，μ为SOC平衡系数，该值变化范围为0到1，一般根据车辆运行条件进行实验得到。Ppack为锂电池组的功率，放电时取值为正，充电时取值为负。在等效燃油消耗最小策略下，开关网络中的锂电池全部接入电路，将锂电池组的功率转化为系统等效氢耗，求解各动力源的功率分配关系以保证最佳的燃油经济性。等效燃油消耗最小策略可将锂电池组SOC控制在适当的范围，并提高系统燃油经济性。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S3中，锂电池组的工作电流Ibat的计算公式为：
Figure BDA0003016235740000151
其中，Ppack表示锂电池组功率，Voc_pack表示锂电池组的总开路电压，Rpack表示锂电池组的总内阻，Ppack表示锂电池组的功率。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S4中，对锂电池组的参考输出功率和工作电流进行限制的公式分别为：
Pfcmin≤Pfc≤Pfcmax
0≤Ibat≤Imax
其中，Pfcmin表示燃料电池最小输出功率，Pfcmax表示燃料电池最大输出功率，Pfc表示燃料电池的瞬时功率，Ibat表示锂电池组的工作电流，Imax表示锂电池最大电流；
对锂电池的SOC状态进行更新的公式为：
SOCI≤SOCt≤SOCh
Figure BDA0003016235740000161
其中，SOCl表示SOC下限值，SOCh表示SOC上限值，SOCt表示t时刻的锂电池SOC，SOCt0表示SOC初始值，Q表示电池的容量，t0表示初始时刻。
在本发明中，由于锂电池的寿命和安全性与放电深度具有密切关系，为防止过充及过放，锂电池的SOC遵循以上限制，当任意锂电池的SOC低于SOCl，该电池将只能在充电时被接入电路；当任意锂电池的SOC高于SOCh，该电池将只能在放电时被接入电路。
在本发明实施例中，锂电池组模型考虑了不一致性影响。对于单体锂电池，选用四次多项式来表示电池开路电压Voc与SOC的关系，如式(1)所示。
Voc＝a4·SOC4+a3·SOC3+a2·SOC2+a1·SOC+a0 (1)
根据开关网络中各电池是否接入电路，并忽略导线的电阻，各单体电池的开路电压和内阻满足式(2)及式(3)。而锂电池组的总开路电压Voc_pack与总内阻Rpack则等于每个时刻接入电路的单体锂电池的开路电压之和与内阻之和。
Figure BDA0003016235740000162
Figure BDA0003016235740000163
在本发明实施例中，开关网络电路如图2所示，通过控制电池所在支路以及旁路的开关的闭合状态，开关网络电路可以达到控制任意电池是否接入电路进行工作的目的。例如，当闭合开关S11的同时打开S12，可以使电池B1接入电路参与工作，反之则可以使其断开，从而不进行充放电。
本发明的工作原理及过程为：通过锂电池的SOC状态判定锂电池组的不一致性：若锂电池组SOC标准差σSOC大于等于切换开关阈值，则表示锂电池组不一致性较差，切换式能量管理策略切换到EEMS工作；若锂电池组SOC标准差σSOC小于切换开关阈值，则表示锂电池组不一致性良好，切换式能量管理策略切换到ECMS工作。考虑锂电池的过充过放保护条件下，根据EEMS或ECMS获得锂电池组的参考输出功率Pfc_ref，工作电流计算模块根据当前时刻开关网络的状态，实时计算锂电池组的总开路电压Voc_pack与总内阻Rpack，并根据车辆当前时刻的功率需求，计算得到锂电池组的参考工作电流Ibat_ref。锂电池组模型内部根据锂电池的电流限制式计算得到实际电流，并进行SOC状态更新，并输出功率给负载或从燃料电池或负载制动回收的能量进行充电。SOC的实时状态更新信息传输到切换式能量管理策略完成一次动作周期。重复上述步骤直至完成锂电池组的均衡及SOC范围控制。
本发明的有益效果为：本发明的能量管理方法以开关网络电路为基础，考虑了燃料电池的功率限制、锂电池组的电流限制和过充过放保护功能。本发明可以在保证车辆正常运行的前提下，改善锂电池组不一致性，并将锂电池组的荷电状态控制在合适的范围内，保证了车辆的动力性、安全性和经济性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于开关网络的切换式能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据锂电池的SOC状态，判断锂电池组的不一致性；
S2：根据锂电池组的不一致性，切换能量管理策略，并得到锂电池组的参考输出功率；
S3：计算锂电池组的工作电流；
S4：对锂电池组的参考输出功率和工作电流进行限制，并进行锂电池的SOC状态更新，完成基于开关网络的切换式能量管理。
2.根据权利要求1所述的基于开关网络的切换式能量管理方法，其特征在于，所述步骤S2中，若锂电池组的SOC标准差大于或等于切换开关网络阈值，则切换至均衡能量管理策略；若锂电池组的SOC标准差小于切换开关网络阈值，则切换至等效燃油消耗最小策略。
3.根据权利要求2所述的基于开关网络的切换式能量管理方法，其特征在于，所述均衡能量管理策略中，根据高SOC状态的锂电池数量Nhigh和低SOC状态的锂电池数量Nlow决定开关网络能量控制。
4.根据权利要求3所述的基于开关网络的切换式能量管理方法，其特征在于，所述均衡能量管理策略中，当高SOC状态的锂电池数量Nhigh大于或等于低SOC状态的锂电池数量Nlow时，若功率需求Pl小于燃料电池最小输出功率Pfcmin，则开关网络能量控制策略为：将所有SOC等于锂电池组SOC最大值的电池断开，将其余电池所组成的锂电池组以锂电池组的参考输出功率Ppack_ref进行充电；
若功率需求Pl大于燃料电池最小输出功率Pfcmin且小于燃料电池最大输出功率Pfcmax，则开关网络能量控制策略为：将高SOC状态的锂电池断开，将低SOC状态锂电池所组成的锂电池组以锂电池组的参考输出功率Ppack_ref进行充电；
若功率需求Pl大于燃料电池最大输出功率Pfcmax且小于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和，则开关网络能量控制策略为：将低SOC状态的锂电池断开，由高SOC状态的锂电池进行工作；
若功率需求Pl小于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和且大于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有低SOC状态锂电池的参考可输出功率之和，则开关网络能量控制策略为：将SOC等于锂电池组SOC最小值的所有电池断开；
若功率需求Pl大于燃料电池最大输出功率与所有低SOC状态锂电池的参考可输出功率之和，则开关网络能量控制策略为：将所有锂电池均接入开关网络电路并以最大功率进行放电。
5.根据权利要求3所述的基于开关网络的切换式能量管理方法，其特征在于，所述均衡能量管理策略中，当高SOC状态的锂电池数量Nhigh小于低SOC状态的锂电池数量Nlow时，若功率需求Pl小于燃料电池最小输出功率Pfcmin，则开关网络能量控制策略为：将所有SOC等于锂电池组SOC最大值的电池断开，将其余电池所组成的锂电池组以锂电池组的参考输出功率Ppack_ref进行充电；
若功率需求Pl大于燃料电池最小输出功率Pfcmin且小于燃料电池最小输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池参考可输出功率之和Pb_target，则开关网络能量控制策略为：将低SOC状态的锂电池断开；
若功率需求Pl大于燃料电池最小输出功率Pfcmin与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和且小于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和，则开关网络能量控制策略为：将低SOC状态的锂电池断开；
若功率需求Pl小于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有高SOC状态锂电池的参考可输出功率Pb_target之和且大于燃料电池最大输出功率Pfcmax与所有低SOC状态锂电池的参考可输出功率之和，则开关网络能量控制策略为：将SOC等于锂电池组SOC最小值的所有电池断开；
若功率需求Pl大于燃料电池最大输出功率与所有低SOC状态锂电池的参考可输出功率之和，则开关网络能量控制策略为：将所有锂电池均接入开关网络电路并以最大功率进行放电。
6.根据权利要求3所述的基于开关网络的切换式能量管理方法，其特征在于，所述均衡能量管理策略中，锂电池的高SOC状态和低SOC状态的判断方法为：若锂电池组中各单体锂电池的SOC高于锂电池组的平均SOC，则单体锂电池为高SOC状态，否则为低SOC状态。
7.根据权利要求2所述的基于开关网络的切换式能量管理方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用等效燃油消耗最小策略进行能量管理的方法为：根据锂电池组参数计算锂电池组的优化输出功率Ppack_opt。
8.根据权利要求7所述的基于开关网络的切换式能量管理方法，其特征在于，所述锂电池组参数包括修正系数k、燃料电池的瞬时氢耗Cfc、锂电池组的充电效率ηchg、锂电池组的放电效率ηdis和锂电池组的等效瞬时氢耗Cpack，其计算公式分别为：
Figure FDA0003016235730000031
Cfc＝aPfc+b
Figure FDA0003016235730000041
Figure FDA0003016235730000042
其中，μ表示SOC平衡系数，SOC表示荷电状态，sh表示锂电池组SOC控制范围的上限值，sl表示锂电池组SOC控制范围的下限值，Pfc表示燃料电池的瞬时功率，a表示第一常系数，b表示第二常系数，Ppack表示锂电池组的功率，Cfc_avg表示燃料电池平均瞬时氢耗，ηchg_avg表示锂电池组充电平均效率，Pfc_avg燃料电池平均功率，ηdis_avg表示锂电池组放电平均效率，Rdis表示锂电池组的放电内阻，Vpack表示锂电池组的总电压，Rchg表示锂电池组的充电内阻；
锂电池组的优化输出功率Ppack_opt的计算公式为：
Figure FDA0003016235730000043
Figure FDA0003016235730000044
Figure FDA0003016235730000051
Figure FDA0003016235730000052
其中，Vpack_min表示锂电池组电压上限值，Vpack_max表示锂电池组电压下限值，Pfc_opt为燃料电池优化输出功率，K表示修正系数k与锂电池组的平均充电效率ηchg_avg的比值，Xmin表示第一中间变量，Xmax表示第二中间变量，k表示修正系数。
9.根据权利要求1所述的基于开关网络的切换式能量管理方法，其特征在于，所述步骤S3中，锂电池组的工作电流Ibat的计算公式为：
Figure FDA0003016235730000053
其中，Ppack表示锂电池组功率，Voc_pack表示锂电池组的总开路电压，Rpack表示锂电池组的总内阻，Ppack表示锂电池组的功率。
10.根据权利要求1所述的基于开关网络的切换式能量管理方法，其特征在于，所述步骤S4中，对锂电池组的参考输出功率和工作电流进行限制的公式分别为：
Pfcmin≤Pfc≤Pfcmax
0≤Ibat≤Imax
其中，Pfcmin表示燃料电池最小输出功率，Pfcmax表示燃料电池最大输出功率，Pfc表示燃料电池的瞬时功率，Ibat表示锂电池组的工作电流，Imax表示锂电池最大电流；
对锂电池的SOC状态进行更新的公式为：
SOCl≤SOCt≤SOCh
Figure FDA0003016235730000061
其中，SOCl表示SOC下限值，SOCh表示SOC上限值，SOCt表示t时刻的锂电池SOC，
Figure FDA0003016235730000062
表示SOC初始值，Q表示电池的容量，t0表示初始时刻。
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