CN113696749B - 一种燃料电池复合电源控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池复合电源控制方法，包括燃料电池与锂电池组成复合能源系统，通过单向DC/DC变换器使其输出电压和负载电压等级匹配；在系统启动过程中，锂电池作为系统整体供电电源；在加速过程中，燃料电池与锂电池共同供电；在巡航模式中，燃料电池为系统供电的同时为锂电池充电；在制动回收模式下，通过锂电池回收再生制动能量；先对负载实时需求功率进行分解，通过数据重构得到当前负载所需的低频需求功率和高频需求功率；通过电池端电压、电流以及内阻经过处理得出锂电池荷电状态；将实时需求功率、低频需求功率和锂电池荷电状态作为输入变量输入到模糊控制器中，制定控制策略，根据实时情况选择供能模式；本发明提高燃料电池复合能源续航能力。

Description

一种燃料电池复合电源控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池复合电源控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其能量密度高、清洁无污染、稳定等特点被认为是解决当前新能源汽车、无人机等续航时间的理想电源，由于这些设备负载变化剧烈、运行工况复杂，单一燃料电池无法满足其运行过程中的功率需求。因此以燃料电池为主要能量源的混合电源系统设计及其控制策略研究对于解决系能源汽车、无人机等续航时间问题具有重要意义。
目前单一的基于小波规则的复合电源控制方法通过构建Haar小波双通道滤波，实现功率分流，能够抑制燃料电池瞬态峰值以及频繁波动，使燃料电池工作在高效区间；单一的基于模糊规则的复合电源控制方法通过制定模糊控制策略，避免锂电池过充过放，减少燃料电池工作在不利工况的时间，提高经济型。但是，上述单一的复合电源控制方法不能更好的实现对燃料电池和锂电池之间的功率进行分配，复合能源使用效率较低。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种燃料电池复合电源控制方法，在满足设备运行动力的前提下，抑制燃料电池高频变化的峰值功率的输出，使燃料电池适中工作在最佳工作区间内，降低燃料消耗并减少燃料电池的频繁启停，提高燃料电池复合能源的续航能力，实现对燃料电池和锂电池之间的功率进行分配，复合能源使用效率高。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池复合电源控制方法，包括燃料电池与锂电池并联组成复合能源系统，通过单向DC/DC变换器使其输出电压和负载电压等级匹配；在复合能源系统启动过程中，锂电池作为复合能源系统整体供电电源；在加速过程中，燃料电池与锂电池共同供电；在巡航模式中，燃料电池为复合能源系统供电的同时为锂电池充电；在制动回收模式下，通过锂电池回收再生制动能量；
所述的一种燃料电池复合电源控制方法，包括以下步骤：
步骤一：对实时需求功率Pdem进行分解，分解后通过数据重构得到当前负载所需的低频需求功率Pdem.L和高频需求功率Pdem.H；
步骤二：通过电池端电压、电流以及内阻经过处理得出锂电池荷电状态SOCLi；
步骤三：将步骤一、步骤二中得到的实时需求功率Pdem、低频需求功率Pdem.L和锂电池荷电状态SOCLi作为输入变量输入到模糊控制器中，制定参数化模糊控制策略，使燃料电池输出功率满足低频需求功率，锂电池输出功率满足高频需求功率，根据负载实时运行情况选择不同的供能模式。
所述的参数化模糊控制策略如下：
定义：SOCLi为锂电池SOC的实际值，SOCLi.Hef为锂电池SOC参考值；PH.Ef、PH.Lef和PH.Hef分别为燃料电池功率第一、第二、第三参考值输入变量，采用trimf函数与trapmf函数结合的方法设置隶属度函数，输出变量采用trapmf函数设置隶属度函数；
实时需求功率Pdem(kw)论域定为[0,28]，其模糊子集为{-2,-1,1,2}；
锂电池SOC论域定为[0,1]，其模糊子集为{1,2}；
低频需求功率Pdem.L(kw)论域定为[0,28]，其模糊子集为{-2,-1,1,2}；
燃料电池需求功率PH(kw)论域定为[0,25]，其模糊子集为{-3,-2,-1,1,2,3}；
首先需判断实时需求功率Pdem大小：
(1)当实时需求功率Pdem>0时，为驱动模式：
然后判断实时需求功率Pdem与燃料电池功率第一、第二和第三参考值PH.Ef、PH.Lef和PH.Hef的大小：
①当Pdem<PH.Lef时，实时需求功率Pdem为-2挡，低频需求功率Pdem.L为-2挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为-2挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为-3挡；
②当PH.Lef<Pdem<PH.Ef时，实时需求功率Pdem为-1挡，再判断低频需求功率Pdem.L和燃料电池第二参考值PH.Lef的大小：
当Pdem.L<PH.Lef时，此时低频需求功率Pdem.L为-2挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为-1挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为-2挡；
当Pdem.L≥PH.Lef时，此时低频需求功率Pdem.L为-1挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为1挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为-1挡；
③当PH.Ef<Pdem<PH.Hef时，实时需求功率Pdem为1挡，再判断低频需求功率Pdem.L和燃料电池第一参考值PH.Ef的大小：
当Pdem.L<PH.Ef时，实时需求功率Pdem为-1挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为1挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为-1挡；
当Pdem.L≥PH.Ef时，实时需求功率Pdem为1挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为2挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为1挡；
④当PH.Hef<Pdem时，实时需求功率Pdem为2挡，再判断低频需求功率Pdem.L和燃料电池第三参考值PH.Hef的大小：
当Pdem.L<PH.Hef时，此时低频需求功率Pdem.L为1挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为2挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为1挡；
当Pdem.L>PH.Hef时，此时低频需求功率Pdem.L为2挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为3挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为2挡；
(2)当实时需求功率Pdem<0时，为制动模式：
判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC第三参考值SOCLi.Hef的大小：
①当SOCLi<SOCLi.Hef时，制动功率低，由锂电池吸收全部再生制动能量；
②当SOCLi≥SOCLi.Hef时，制动功率高，锂电池回收低制动功率条件下的低频部分，当再生制动能量达到最大制动能力还不能满足要求时将剩余转速与转矩输出给空气压缩机，将这部分能量转化为气体压力能储存于储气罐中。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明通过构建Haar小波双通道滤波对实时需求功率进行一级分流，再结合模糊控制进行二级分流，将实时需求功率，低频需求功率以及锂电池SOC作为模糊控制器输入量，提高模糊控制的稳定性，使燃料电池适中工作在最佳工作区间内，降低燃料消耗并减少燃料电池的频繁启停，提高燃料电池复合能源的续航能力。
本发明在不同工况下，结合小波规则的模糊控制方法能够很好的对燃料电池和锂电池之间的功率进行分配，抑制燃料电池的峰值输出，降低消耗；并且结合模糊控制策略对锂电池的SOC进行调节，防止锂电池过充过放，使锂电池SOC工作在高效率工作的区间内，同时避免了燃料电池在工作过程中的启停工况，提高复合能源使用效率。
附图说明
图1为实施例复合能源系统的结构示意图。
图2为实施例Haar小波分解与重构示意图。
图3为实施例结合小波规则的模糊控制策略流程图。
图4为实施例结合小波规则的模糊控制策略示意图。
图5为实施例输入变量Pdem的模糊分布。
图6为实施例输入变量Pdem.L的模糊分布。
图7为实施例输入变量SOCLi的模糊分布。
图8为实施例输出变量PH的模糊分布。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细阐述。
参照图1，燃料电池与锂电池并联组成复合能源系统，通过单向DC/DC变换器使其输出电压和负载电压等级匹配，锂电池和电源母线连接；在复合能源系统启动过程中，锂电池作为复合能源系统整体供电电源，保证电源系统正常启动；在加速过程中，燃料电池与锂电池共同供电，锂电池在此起到功率补充的作用；在巡航模式中，需求功率平稳，此时当锂电池SOC小于参考值时，燃料电池为复合能源系统供电的同时为锂电池充电，如果锂电池SOC大于参考值时，则尽可能使复合能源系统工作在高效区间；在制动回收模式下，当锂电池SOC小于额定值时，通过锂电池回收再生制动能量，当锂电池SOC无法完全吸收再生制动能量时，将剩余转速与转矩输出给空气压缩机，将这部分能量转化为易于储存的气体压力能储存于储气罐中。
参照图2，图2是实施例的实时需求功率解耦过程，其中H0(z)、H1(z)分别为分解高、低通离散滤波器；G0(z)、G1(z)分别为重构高、低通滤波器；x0(t)为t时刻三阶低频分量；x1(t)、x2(t)、x3(t)分别为t时刻第1、2、3阶高频分量；实时需求功率Pdem通过Haar小波功率解耦得到低频需求功率Pdem.L与高频需求功率Pdem.H。
参照图3，一种燃料电池复合电源控制方法，包括以下步骤：
步骤一：对实时需求功率Pdem进行分解，分解后通过数据重构得到当前负载所需的低频需求功率Pdem.L和高频需求功率Pdem.H；
步骤二：通过电池端电压、电流以及内阻经过处理得出锂电池荷电状态SOCLi；
步骤三：将步骤一、步骤二中得到的实时需求功率Pdem、低频需求功率Pdem.L和锂电池荷电状态SOCLi作为输入变量输入到模糊控制器中，制定参数化模糊控制策略，通常情况下使燃料电池输出功率满足低频需求功率，锂电池输出功率满足高频需求功率，根据负载实时运行情况选择不同的供能模式。
参照图4，所述的参数化模糊控制策略如下：
定义：SOCLi为锂电池SOC的实际值，SOCLi.Hef为锂电池SOC参考值；PH.Ef、PH.Lef和PH.Hef分别为燃料电池功率第一、第二、第三参考值输入变量，采用trimf函数与trapmf函数结合的方法设置隶属度函数，输出变量采用trapmf函数设置隶属度函数；
实时需求功率Pdem(kw)论域定为[0,28]，其模糊子集为{-2,-1,1,2}，模糊分布图如图5所示；
锂电池SOC论域定为[0,1]，其模糊子集为{1,2}，模糊分布图如图7所示；
低频需求功率Pdem.L(kw)论域定为[0,28]，其模糊子集为{-2,-1,1,2}，模糊分布图如图6所示；
燃料电池需求功率PH(kw)论域定为[0,25]，其模糊子集为{-3,-2,-1,1,2,3}，模糊分布图如图8所示；
首先需判断需求功率Pdem大小：
(1)当实时需求功率Pdem>0时，为驱动模式：
然后判断实时需求功率Pdem与燃料电池功率第一、第二和第三参考值PH.Ef、PH.Lef和PH.Hef的大小：
①当Pdem<PH.Lef时，实时需求功率Pdem为-2挡，低频需求功率Pdem.L为-2挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为-2挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为-3挡；
②当PH.Lef<Pdem<PH.Ef时，实时需求功率Pdem为-1挡，再判断低频需求功率Pdem.L和燃料电池第二参考值PH.Lef的大小：
当Pdem.L<PH.Lef时，此时低频需求功率Pdem.L为-2挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为-1挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为-2挡；
当Pdem.L≥PH.Lef时，此时低频需求功率Pdem.L为-1挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为1挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为-1挡；
③当PH.Ef<Pdem<PH.Hef时，实时需求功率Pdem为1挡，再判断低频需求功率Pdem.L和燃料电池第一参考值PH.Ef的大小：
当Pdem.L<PH.Ef时，实时需求功率Pdem为-1挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为1挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为-1挡；
当Pdem.L≥PH.Ef时，实时需求功率Pdem为1挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为2挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为1挡；
④当PH.Hef<Pdem时，实时需求功率Pdem为2挡，再判断低频需求功率Pdem.L和燃料电池第三参考值PH.Hef的大小：
当Pdem.L<PH.Hef时，此时低频需求功率Pdem.L为1挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为2挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为1挡；
当Pdem.L>PH.Hef时，此时低频需求功率Pdem.L为2挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为3挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为2挡；
(2)当实时需求功率Pdem<0时，为制动模式：
判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC第三参考值SOCLi.Hef的大小：
①当SOCLi<SOCLi.Hef时，制动功率低，由锂电池吸收全部再生制动能量；
②当SOCLi≥SOCLi.Hef时，制动功率高，为防止锂电池出现过充现象，锂电池回收低制动功率条件下的低频部分，当再生制动能量达到最大制动能力还不能满足要求时将剩余转速与转矩输出给空气压缩机，将这部分能量转化为易于储存的气体压力能储存于储气罐中。

Claims (2)

1.一种燃料电池复合电源控制方法，其特征在于：包括燃料电池与锂电池并联组成复合能源系统，通过单向DC/DC变换器使其输出电压和负载电压等级匹配；在复合能源系统启动过程中，锂电池作为复合能源系统整体供电电源；在加速过程中，燃料电池与锂电池共同供电；在巡航模式中，燃料电池为复合能源系统供电的同时为锂电池充电；在制动回收模式下，通过锂电池回收再生制动能量；
所述的一种燃料电池复合电源控制方法，包括以下步骤：
步骤一：对实时需求功率Pdem进行分解，分解后通过数据重构得到当前负载所需的低频需求功率Pdem.L和高频需求功率Pdem.H；
步骤二：通过电池端电压、电流以及内阻经过处理得出锂电池荷电状态SOCLi；
步骤三：将步骤一、步骤二中得到的实时需求功率Pdem、低频需求功率Pdem.L和锂电池荷电状态SOCLi作为输入变量输入到模糊控制器中，制定参数化模糊控制策略，使燃料电池输出功率满足低频需求功率，锂电池输出功率满足高频需求功率，根据负载实时运行情况选择不同的供能模式。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池复合电源控制方法，其特征在于，所述的参数化模糊控制策略如下：
定义：SOCLi为锂电池SOC的实际值，SOCLi.Hef为锂电池SOC参考值；PH.Ef、PH.Lef和PH.Hef分别为燃料电池功率第一、第二、第三参考值输入变量，采用trimf函数与trapmf函数结合的方法设置隶属度函数，输出变量采用trapmf函数设置隶属度函数；
实时需求功率Pdem(kw)论域定为[0,28]，其模糊子集为{-2,-1,1,2}；
锂电池SOC论域定为[0,1]，其模糊子集为{1,2}；
低频需求功率Pdem.L(kw)论域定为[0,28]，其模糊子集为{-2,-1,1,2}；
燃料电池需求功率PH(kw)论域定为[0,25]，其模糊子集为{-3,-2,-1,1,2,3}；
首先需判断实时需求功率Pdem大小：
(1)当实时需求功率Pdem>0时，为驱动模式：
然后判断实时需求功率Pdem与燃料电池功率第一、第二和第三参考值PH.Ef、PH.Lef和PH.Hef的大小：
①当Pdem<PH.Lef时，实时需求功率Pdem为-2挡，低频需求功率Pdem.L为-2挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为-2挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为-3挡；
②当PH.Lef<Pdem<PH.Ef时，实时需求功率Pdem为-1挡，再判断低频需求功率Pdem.L和燃料电池第二参考值PH.Lef的大小：
当Pdem.L<PH.Lef时，此时低频需求功率Pdem.L为-2挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为-1挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为-2挡；
当Pdem.L≥PH.Lef时，此时低频需求功率Pdem.L为-1挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为1挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为-1挡；
③当PH.Ef<Pdem<PH.Hef时，实时需求功率Pdem为1挡，再判断低频需求功率Pdem.L和燃料电池第一参考值PH.Ef的大小：
当Pdem.L<PH.Ef时，实时需求功率Pdem为-1挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为1挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为-1挡；
当Pdem.L≥PH.Ef时，实时需求功率Pdem为1挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为2挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为1挡；
④当PH.Hef<Pdem时，实时需求功率Pdem为2挡，再判断低频需求功率Pdem.L和燃料电池第三参考值PH.Hef的大小：
当Pdem.L<PH.Hef时，此时低频需求功率Pdem.L为1挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为2挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为1挡；
当Pdem.L>PH.Hef时，此时低频需求功率Pdem.L为2挡，再判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC参考值SOCLi.Hef的大小：
当SOCLi<SOCLi.Hef时，此时锂电池SOC为1挡，燃料电池需求功率PH为3挡；
当SOCLi≥SOCLi.Ef时，此时锂电池SOC为2挡，燃料电池需求功率PH为2挡；
(2)当实时需求功率Pdem<0时，为制动模式：
判断锂电池荷电状态SOCLi和锂电池SOC第三参考值SOCLi.Hef的大小：
①当SOCLi<SOCLi.Hef时，制动功率低，由锂电池吸收全部再生制动能量；
②当SOCLi≥SOCLi.Hef时，制动功率高，锂电池回收低制动功率条件下的低频部分，当再生制动能量达到最大制动能力还不能满足要求时将剩余转速与转矩输出给空气压缩机，将这部分能量转化为气体压力能储存于储气罐中。
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