CN114030392B - 燃料电池-锂电池混源供电系统效率优化能量管理策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池‑锂电池混源供电系统效率优化能量管理策略，通过对系统内功率损耗的分析，提出了系统整体效率模型，设计了优化系统整体效率的负载需求功率分配策略；该策略能够在精确在线匹配负载需求功率的基础上，降低系统能量损耗，并保证辅助能源储能水平保持在理想区间。本发明的算法对系统不造成额外计算负担，易于在实际应用中实现，对能量利用率的提高有益于氢能及燃料电池应用的推广普及。有益效果是：在线实现的优化混源供电系统整体效率的能量管理策略。系统负载需求功率通过该策略分配至燃料电池供电系统及锂电池供电系统可以实现系统对能源利用率的有效提高。相较于传统的状态机能量管理策略，系统整体效率平均高10％左右。

Description

燃料电池-锂电池混源供电系统效率优化能量管理策略

技术领域

本发明属于一种混源供电系统能量管理策略，涉及一种燃料电池-锂电池混源供电系统效率优化能量管理策略，具体涉及一种质子交换膜氢燃料电池-锂电池混源供电系统效率优化能量管理策略。

背景技术

氢能由于具备高能量密度高、低能量损耗、零排放、无噪声等特点，得到了工业界和学术界的共同关注。其中质子交换膜氢燃料电池因在效率、热损耗和环境制约等方面具备较强的优势，故其具备驱动飞机、轮船和车辆等交通、运输设备的发展潜力。由于质子交换膜氢燃料电池是通过电化学的方式，将氢气中的能量以电功率的方式输出至负载，所以其功率密度特性一般。因此需要释放瞬时功率见长的功率源作为辅助能源与之构成混源供电系统。对于该系统，合理设计的能量管理策略，可以有效的将负载需求功率分配至主功率源及辅助能源，使系统兼具高能量密度、高功率密度、高效率等特性。

传统的能量管理策略一般基于功率分配规则设计，如基于状态规则的能量管理策略和基于模糊规则的管理策略。这类基于规则的能量管理策略，易于在实际应用中实现，不会造成严重的计算负担占用系统资源。但基于规则的能量管理策略依赖于设计人员的经验，在优化效率、燃料用量等系统性能指标上，弱于基于优化的能量管理策略。因此，基于动态规划、庞特里亚金极小值原理等方法设计的优化类能量管理策略成为领域内的热点研究内容。但当前基于优化的能量管理策略，均会给系统造成难以忽视的计算负担，严重影响能量管理策略的实时性，无法在实际中有效应用。

综上所述，现有的文献和专利在设基于优化的计能量管理策略时，往往忽视了策略在实际应用中的计算负担，影响了策略的实时性。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种燃料电池-锂电池混源供电系统效率优化能量管理策略，是一种在线优化系统效率的质子交换膜氢燃料电池-锂电池混源供电系统能量管理策略，该策略能够提高系统整体能源利用率并具有良好的实时性。

技术方案

一种燃料电池-锂电池混源供电系统效率优化能量管理策略，其特征在于步骤如下：

步骤1：将混源系统中燃料电池供电系统和锂电池供电系统能够实现的输出功率范围，均按照步长m，定义燃料电池供电系统输出功率为向量Pfc_sys，锂电池供电系统吸收功率为向量Pbat_{sys_chg}，锂电池供电系统输出功率为向量Pbat_{sys_dis}；

步骤2：采集系统负载需求功率P_load，并输入能量管理控制器；

步骤3、判断锂电池荷电水平SOC状态：当SOC处于低状态，即0≤SOC＜20时，执行步骤4；当SOC处于高状态，即80≤SOC＜100时，执行步骤5；当SOC处于理想状态，即20≤SOC＜80时，执行步骤6；

步骤4：首先，在燃料电池供电系统输出功率向量Pfc_sys及锂电池供电系统吸收功率向量Pbat_{sys_chg}中，遍历寻找能够相加等于P_load的所有可能的功率组合方式，将上述功率组合方式定义为矩阵P_chg；其次，通过系统锂电池充电模式下的整体效率模型η_chg计算所有功率组合方式的效率，得到效率向量eff_chg，选择eff_chg中效率最大的功率组合方式，为燃料电池匹配功率及锂电池匹配功率，执行步骤7；

步骤5：首先，在燃料电池供电系统输出功率向量Pfc_sys及锂电池供电系统输出功率向量Pbat_{sys_dis}中，遍历寻找能够相加等于P_load的所有可能的功率组合方式，将上述功率组合方式定义为矩阵P_dis；其次，通过系统锂电池放电模式下的整体效率模型η_dis计算所有功率组合方式的效率，得到效率向量eff_dis，选择eff_dis中效率最大的功率组合方式，为燃料电池匹配功率及锂电池匹配功率，执行步骤7；

步骤6：首先，在燃料电池供电系统输出功率向量Pfc_sys、锂电池供电系统吸收功率向量Pbat_{sys_chg}及锂电池供电系统输出功率向量Pbat_{sys_dis}中，遍历寻找能够相加等于 P_load的所有可能的功率组合方式，将上述功率组合方式定义为矩阵P_{chg_dis}；其次，通过系统锂电池充电模式下及放电模式下的整体效率模型η_chg和η_dis计算矩阵P_{chg_dis}计算所有功率组合方式的效率，得到效率向量eff_{chg_dis}，选择eff_{chg_dis}中效率最大的功率组合方式，为燃料电池匹配功率及锂电池匹配功率，执行步骤7；

步骤7：对所得到的燃料电池匹配功率及锂电池匹配功率除以系统母线电压U_bus，即为能量管理控制器输出至燃料电池变换器及锂电池变换器的参考电流i_fc及i_bat。

所述的系统锂电池充电模式下系统整体效率计算方式：

系统锂电池放电模式下系统整体效率计算方式：

其中：η_fc为燃料电池电堆效率，η_{Cov_fc}为燃料电池Boost变换器效率，η_{Bat_chg}为锂电池充电效率，η_{Bat_dis}为锂电池放电效率，η_{Cov_bat_chg}为锂电池充电变换器效率，η_{Cov_bat_dis}为锂电池放电变换器效率。

有益效果

本发明提出的一种燃料电池-锂电池混源供电系统效率优化能量管理策略，通过对系统内功率损耗的分析，提出了系统整体效率模型，设计了优化系统整体效率的负载需求功率分配策略；该策略能够在精确在线匹配负载需求功率的基础上，降低系统能量损耗，并保证辅助能源储能水平保持在理想区间。本发明的算法对系统不造成额外计算负担，具有良好的实时性且易于在实际应用中实现，对能量利用率的提高有益于氢能及燃料电池应用的推广普及。

本发明的有益效果是：可以在线实现的优化混源供电系统整体效率的能量管理策略。系统负载需求功率通过该策略分配至燃料电池供电系统及锂电池供电系统可以实现系统对能源利用率的有效提高。相较于传统的状态机能量管理策略，系统整体效率平均高10％左右。

附图说明

图1是质子交换膜燃料电池-锂电池混源供电系统拓扑结构图；

图2是混源供电系统内部能量损耗分析图；

图3是锂电池充-放电效率曲面图；

图4是锂电池储能荷电水平滞环控制策略图；

图5是车辆频繁启停时功率匹配及系统效率的仿真结果图；

图6是车辆频繁转向时功率匹配及系统效率的仿真结果图；

图7是车辆加速时功率匹配及系统效率的仿真结果图；

图8是车辆上坡时功率匹配及系统效率的仿真结果图；

图9是车辆倒车时功率匹配及系统效率的仿真结果图；

图10是车辆正常行驶测试时功率匹配的实验结果图；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提供一种燃料电池-锂电池混源供电系统效率优化的能量管理策略，包括如下步骤：

步骤一，将混源系统中燃料电池供电系统和锂电池供电系统可实现的输出功率范围，定义燃料电池供电系统输出功率为向量Pfc_sys，锂电池供电系统吸收功率为向量Pbat_{sys_chg}，锂电池供电系统输出功率为向量Pbat_{sys_dis}；

步骤二，采集系统负载需求功率P_load，并输入能量管理控制器；

步骤三，通过图4和表1，判断锂电池荷电水平SOC状态。当SOC处于低状态时，即0≤SOC＜20时，执行步骤四。当SOC处于高状态时，即80≤SOC＜100时，执行步骤五。当SOC处于理想状态时，执即20≤SOC＜80时，行步骤六。

步骤四，首先，在燃料电池供电系统输出功率向量Pfc_sys及锂电池供电系统吸收功率向量Pbat_{sys_chg}中，遍历寻找能够相加等于P_load的所有可能的功率组合方式，将上述功率组合方式定义为矩阵P_chg。其次，通过系统锂电池充电模式下的整体效率模型η_chg计算所有功率组合方式的效率，得到效率向量eff_chg，通过表1锂电池荷电低状态，选择eff_chg中效率最大的功率组合方式，为燃料电池匹配功率及锂电池匹配功率，执行步骤七。

步骤五，首先，在燃料电池供电系统输出功率向量Pfc_sys及锂电池供电系统输出功率向量Pbat_{sys_dis}中，遍历寻找能够相加等于P_load的所有可能的功率组合方式，将上述功率组合方式定义为矩阵P_dis。其次，通过系统锂电池放电模式下的整体效率模型η_dis计算所有功率组合方式的效率，得到效率向量eff_dis，通过表1锂电池荷电高状态，选择eff_dis中效率最大的功率组合方式，为燃料电池匹配功率及锂电池匹配功率，执行步骤七。

步骤六，首先，在燃料电池供电系统输出功率向量Pfc_sys、锂电池供电系统吸收功率向量Pbat_{sys_chg}及锂电池供电系统输出功率向量Pbat_{sys_dis}中，遍历寻找能够相加等于P_load的所有可能的功率组合方式，将上述功率组合方式定义为矩阵P_{chg_dis}。其次，通过系统锂电池充电模式下及放电模式下的整体效率模型η_chg和η_dis计算矩阵P_{chg_dis}计算所有功率组合方式的效率，得到效率向量eff_{chg_dis}，通过表1锂电池荷电理想状态，选择eff_{chg_dis}中效率最大的功率组合方式，为燃料电池匹配功率及锂电池匹配功率，执行步骤七。

步骤七，对所得到的燃料电池匹配功率P_fc及锂电池匹配功率P_bat除以系统母线电压U_bus，即为能量管理控制器输出至燃料电池变换器及锂电池变换器的参考电流i_fc及 i_bat。

表1

备注：max为取最大值运算。

图1为本发明所述质子交换膜燃料电池-锂电池混源供电系统拓扑结构图。

图2为混源供电系统内部能量损耗分析图，系统功率损耗由燃料电池供电系统功率损耗及锂电池供电系统功率损耗够成。燃料电池供电系统功率损耗由燃料电池电堆效率η_fc及其变换器效率η_{Cov_fc}构成。锂电池供电系统功率损耗由锂电池充-放电效率η_{Bat_chg}、η_{Bat_dis}及其变换器效率η_{Cov_bat_chg}、η_{Cov_bat_dis}构成。因此，系统整体效率为：

燃料电池电堆效率为：

变换器效率为：

其中，U_fc为燃料电池电压，I_in为变换器输入电流，U_out为变换器输出电压，C₁、 C₂、C₃为拟合参量。

图3为锂电池充-放电效率曲面图，当锂电池处于充电状态下时效率为:

当锂电池处于放电状态下时效率为:

其中，U_ocv为锂电池开路电压，R_chg为锂电池充电内阻，R_dis为锂电池放电内阻。

综上，系统在锂电池充电状态的整体效率为：

系统在锂电池放电状态的整体效率为：

结合图4的锂电池储能荷电水平滞环控制策略，该优化系统效率的能量管理策略具体实施方法可分为已下三种状态：

[1]锂电池荷电低状态：能量管理策略按照锂电池充电状态下系统整体效率最优的模式分配负载功率，在实现优化系统能源利用率的基础上，同时保证锂电池储能水平快速回升到理想区间。即，

[2]锂电池荷理想状态：能量管理策略按照锂电池放电及放电状态下系统整体效率，选择两种系统状态下最优的模式分配负载功率，在实现优化系统能源利用率的基础上，同时保证锂电池供电系统运行在理想状态。即，

[3]锂电池荷电高状态：能量管理策略按照锂电池放电状态下系统整体效率最优的模式分配负载功率，在实现优化系统能源利用率的基础上，同时保证锂电池储能水平快速下降到理想区间。即，

其中，Ifc_{sys_ref}及Ibat_{sys_ref}为能量管理控制器输出至变换器的参考电流。

本发明可以在线实现的优化混源供电系统整体效率的能量管理策略。系统负载需求功率通过该策略分配至燃料电池供电系统及锂电池供电系统可以实现系统对能源利用率的有效提高。相较于传统的状态机能量管理策略，系统整体效率平均高10％左右。

Claims (1)

1.一种燃料电池-锂电池混源供电系统效率优化能量管理策略，其特征在于步骤如下：

步骤1：将混源系统中燃料电池供电系统和锂电池供电系统能够实现的输出功率范围，均按照步长m，定义燃料电池供电系统输出功率为向量Pfc_sys，锂电池供电系统吸收功率为向量Pbat_{sys_chg}，锂电池供电系统输出功率为向量Pbat_{sys_dis}；

步骤2：采集系统负载需求功率P_load，并输入能量管理控制器；

步骤3、判断锂电池荷电水平SOC状态：当SOC处于低状态，即0≤SOC＜20时，执行步骤4；当SOC处于高状态，即80≤SOC＜100时，执行步骤5；当SOC处于理想状态，即20≤SOC＜80时，执行步骤6；

步骤4：首先，在燃料电池供电系统输出功率向量Pfc_sys及锂电池供电系统吸收功率向量Pbat_{sys_chg}中，遍历寻找能够相加等于P_load的所有可能的功率组合方式，将上述功率组合方式定义为矩阵P_chg；其次，通过系统锂电池充电模式下的整体效率模型η_chg计算所有功率组合方式的效率，得到效率向量eff_chg，选择eff_chg中效率最大的功率组合方式，为燃料电池匹配功率及锂电池匹配功率，执行步骤7；

步骤5：首先，在燃料电池供电系统输出功率向量Pfc_sys及锂电池供电系统输出功率向量Pbat_{sys_dis}中，遍历寻找能够相加等于P_load的所有可能的功率组合方式，将上述功率组合方式定义为矩阵P_dis；其次，通过系统锂电池放电模式下的整体效率模型η_dis计算所有功率组合方式的效率，得到效率向量eff_dis，选择eff_dis中效率最大的功率组合方式，为燃料电池匹配功率及锂电池匹配功率，执行步骤7；

步骤6：首先，在燃料电池供电系统输出功率向量Pfc_sys、锂电池供电系统吸收功率向量Pbat_{sys_chg}及锂电池供电系统输出功率向量Pbat_{sys_dis}中，遍历寻找能够相加等于P_load的所有可能的功率组合方式，将上述功率组合方式定义为矩阵P_{chg_dis}；其次，通过系统锂电池充电模式下及放电模式下的整体效率模型η_chg和η_dis计算矩阵P_{chg_dis}计算所有功率组合方式的效率，得到效率向量eff_{chg_dis}，选择eff_{chg_dis}中效率最大的功率组合方式，为燃料电池匹配功率及锂电池匹配功率，执行步骤7；

步骤7：对所得到的燃料电池匹配功率及锂电池匹配功率除以系统母线电压U_bus，即为能量管理控制器输出至燃料电池变换器及锂电池变换器的参考电流i_fc及i_bat，

所述的系统锂电池充电模式下系统整体效率计算方式：

系统锂电池放电模式下系统整体效率计算方式：

其中：η_fc为燃料电池电堆效率，η_{Cov_fc}为燃料电池Boost变换器效率，η_{Bat_chg}为锂电池充电效率，η_{Bat_dis}为锂电池放电效率，η_{Cov_bat_chg}为锂电池充电变换器效率，η_{Cov_bat_dis}为锂电池放电变换器效率。

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