CN114523858A - 一种氢电混合动力系统的功率分配方法 - Google Patents

一种氢电混合动力系统的功率分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种氢电混合动力系统的功率分配方法，属于燃料电池汽车及船舶技术领域，采用小波分解和重构算法提取电动机需求功率的低频成分，并运用傅里叶级数分解的方法将小波分解层数和低通滤波的截止频率与燃料电池的极限变载速率相关联，实现燃料电池的功率匹配，使燃料电池承担低频功率部分，辅助电源承担高频功率部分；采用SOC闭环控制策略给燃料电池输出功率叠加一个微调量，使辅助电源控制在正常范围内，进而保证动力系统的可靠运行，并减小控制难度。

Description

一种氢电混合动力系统的功率分配方法
技术领域
本发明属于燃料电池汽车及船舶技术领域，具体涉及一种氢电混合动力系统的功率分配方法。
背景技术
化石能源的日渐匮乏以及尾气排放问题使得新型清洁能源逐步进入人们的视野。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有零排放、功率密度高、启动速度快、工作温度低以及能量转化效率高等诸多优势，在交通领域得到广泛关注和应用。
质子交换膜燃料电池是一种以氢气为燃料、氧气为氧化剂的电化学发电装置。氢气在电堆阳极发生氧化反应失去电子转化为质子，通过质子交换膜到达阴极并与阴极产生的氧离子生成产物水。质子交换膜燃料电池具有诸多优势，但由于质子交换燃料电池动态响应慢，而实际交通工况的需求功率变化快，单一的燃料电池难以匹配动力系统所需功率，因此常采用燃料电池+辅助能源的方式为动力系统提供动力。这种氢电混合动力系统既克服了燃料电池动态响应慢，纹波耐受能力弱的缺点，又克服了纯电动汽车续航里程短的问题。但多级能量源的设计模式也引入了新的问题，即系统的功率分配问题，不合理的功率分配策略不仅会导致系统氢耗的增加，还会大幅加快燃料电池的性能衰减和辅助电源的寿命衰减，因此寻求一种优化的功率分配策略对提高系统整体性能、降低系统成本具有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种氢电混合动力系统的功率分配方法，根据电动机需求功率分配燃料电池承担低频功率部分，同时采用SOC闭环控制策略给燃料电池输出功率叠加一个微调量，使辅助电源控制在正常范围内，进而保证动力系统的可靠运行。
本发明具体技术方案如下：
一种氢电混合动力系统的功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设置一个容量为2N的实时双向队列空间，电动机实时需求功率Preq依次填充实时双向队列空间，并采用滑动窗口的形式不断更新被完全填充的实时双向队列空间，获得更新后实时双向队列空间中填充的数据；其中，N≥4；
步骤2：对更新后实时双向队列空间中填充的数据进行n层小波分解和小波重构，得到电动机实时需求功率Preq的低频分量Pn，作为燃料电池的基量；其中，小波分解的层数n的获取步骤为：
步骤2.1：选取一个被电动机历史需求功率Preq′完全填充的容量为2M的历史双向队列空间，初始化小波分解的层数m＝1；其中，M≥10；
步骤2.2：对历史双向队列空间填充的数据进行m层小波分解和小波重构，得到重构信号ym；
步骤2.3：对重构信号ym进行快速傅里叶变换，得到[0,fs/2]频率区间内各频点的幅值Ak,m和频率fk,m，计算各频点的幅值Ak,m与频率fk,m的乘积Ak,m×fk,m；其中，fs为电动机历史需求功率Preq′的数据采样频率；
步骤2.4：若在[0,fs/2]频率区间内均满足Ak,m×fk,m≤Ac×fc，则选择当前层数m的值为小波分解的层数n；否则，令m＝m+1，转回步骤2.2；其中，fc和Ac分别为截止频率和截止频率所对应的幅值，获取步骤为：
步骤2.4.1：获取燃料电池的极限变载速率a；
步骤2.4.2：对历史双向队列空间填充的数据进行傅里叶级数展开并按谐波频率升序排列，得到：
x(t)＝b0+b1 sin(2πf1t+ψ1)+b2 sin(2πf2t+ψ2)+...+bk sin(2πfkt+ψk)+...
其中，x(t)为历史双向队列空间填充的数据；b0为常数项；b1为一次谐波系数，f1为一次谐波频率，ψ1为一次谐波的相位偏移量；b2为二次谐波系数，f2为二次谐波频率，ψ2为二次谐波的相位偏移量；bk为k次谐波系数，fk为k次谐波频率，ψk为k次谐波的相位偏移量；
步骤2.4.3：初始化k＝1；
步骤2.4.4：根据sin函数特性求取k次谐波分量的斜率最大值r＝2πbkfkcos0＝2πbkfk；
步骤2.4.5：若r<a，则令k＝k+1，转回步骤2.4.4；否则，令Ac＝bk，fc＝fk；
步骤3：实时采集辅助电源的SOC(电量)值SOCbattery，设定SOC期望值SOCref，根据SOCbattery和SOCref计算PI(比例积分)控制器的输出量u：
Figure BDA0003514630600000021
其中，Kp为比例增益；Ti为积分常数；τ为当前时间；
步骤4：对输出量u进行截止频率为fc的低通滤波，低通滤波后输出Plowpass，作为燃料电池的微调量，使辅助电源的SOC值控制在正常范围内；
步骤5：对燃料电池的基量Pn和微调量Plowpass进行求和，并将求和结果限幅在[Pmin,Pmax]区间范围内，得到燃料电池的输出功率PFC；其中，Pmin为燃料电池的最低输出功率；Pmax为燃料电池的最高输出功率；
步骤6：计算辅助电源的输出功率Pbat＝Preq-PFC。
进一步地，步骤2中小波分解采用Haar(哈尔小波)小波为母小波，Haar小波的函数ψ(x)为：
Figure BDA0003514630600000031
进一步地，步骤2.4.1中获取燃料电池的极限变载速率a的方法为：固定燃料电池的变载时间为1s，以0.1kW为间隔逐步增大变载步长，当燃料电池的实际输出功率无法实现变载步长的要求时，记录此时的变载步长a′kW，则燃料电池的极限变载速率a＝a′kW/s。
进一步地，步骤3中Kp的取值方法为：
若SOCbattery≤SOC0，则Kp＝KpMAX；
若SOC0＜SOCbattery＜SOC1，则
Figure BDA0003514630600000032
若SOC1≤SOCbattery≤SOC2，则Kp＝0；
若SOC2＜SOCbattery＜SOC3，则
Figure BDA0003514630600000033
若SOCbattery≥SOC3，则Kp＝KpMAX；
其中，SOC0为辅助电源出现过放现象时的SOC临界值；SOC3为辅助电源出现过充现象时的SOC临界值；SOC1为辅助电源正常工作时的SOC下限；SOC2为辅助电源正常工作时的SOC上限；Kpmax为比例增益极限值。
进一步地，Kpmax的获取方式为：以SOC期望值SOCref为目标，在SOCbattery≤SOC0和SOCbattery≥SOC3两种情况下调节PI控制器参数，当两种情况下超调量和响应时间均满足氢电混合动力系统要求时，此时PI控制器调控的比例增益的值为Kpmax，积分常数的值为Ti。
进一步地，步骤5中燃料电池的输出功率PFC的公式为：
Figure BDA0003514630600000041
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种氢电混合动力系统的功率分配方法，根据电动机需求功率分配燃料电池承担低频功率部分，辅助电源承担高频功率部分，采用SOC闭环控制策略给燃料电池输出功率叠加一个微调量，使辅助电源控制在正常范围内，进而保证动力系统的可靠运行；
2、本发明采用小波分解和重构算法提取电动机需求功率的低频成分，并运用傅里叶级数分解的方法将小波分解层数和低通滤波的截止频率与燃料电池的极限变载速率相关联，实现燃料电池的功率匹配；
3、优选地，本发明通过设计比例增益跟随辅助电源SOC值变化的PI控制器，在燃料电池输出基量上叠加一个相对微弱的调控量，实现了辅助电源的电量平衡；相比传统PI控制器，本发明中设计的PI控制器在SOC值偏离正常区间时可更快地进行调控，而在正常区间内时不调控，减小了控制难度。
附图说明
图1为本发明实施例1中氢电混合动力系统的拓扑图；
图2为本发明实施例1提出的氢电混合动力系统的功率分配方法的流程图；
图3为本发明实施例1中电动机实时需求功率Preq的曲线图；
图4为本发明实施例1中燃料电池的基量Pn的曲线图；
图5为本发明实施例1中燃料电池的输出功率PFC的曲线图；
图6为本发明实施例1中燃料电池的输出功率PFC变化率的曲线图；
图7为本发明实施例1中辅助电源的SOC曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例基于如图1所示的氢电混合动力系统，提出了一种氢电混合动力系统的功率分配方法。
所述氢电混合动力系统包括能量管理系统、燃料电池、辅助电源、DC/DC模块、DC/AC模块和电动机；其中，能量管理系统根据功率分配方法控制燃料电池和辅助电源进行功率输出；燃料电池的最大功率为50kW，最大变载能力为3kW/s；辅助电源的容量为138Ah，电压范围为570～760V；DC/DC模块为单向DC/DC转换器，用于燃料电池至直流母线的电压变换；DC/AC模块为双向DC/AC转换器，用于连接直流母线与电动机；电动机包括三相交流电机和电机控制器。
所述功率分配方法如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤1：设置一个容量为29＝512的实时双向队列空间，电动机实时需求功率Preq依次填充实时双向队列空间，电动机实时需求功率Preq的曲线如图3所示，并采用滑动窗口的形式不断更新被完全填充的实时双向队列空间，即实时双向队列空间被完全填充时，删除实时双向队列空间的第1个位置填充的数据，之后各位置填充的数据往前滑动一个位置，最新的电动机实时需求功率Preq填充至最后一个位置，获得更新后实时双向队列空间，填充的数据为[a1,a2,...,a512]；其中，a1、a2、…、a512分别为双向队列空间中第1个、第2个、…、第512个位置处填充的数据。
步骤2：对
Figure BDA0003514630600000051
进行n层小波分解，得到第n层分解的近似信号Xn，小波重构后得到电动机实时需求功率Preq的低频分量Pn，作为燃料电池的基量，如图4所示；其中，小波分解采用Haar小波为母小波，Haar小波的函数ψ(x)为：
Figure BDA0003514630600000052
小波分解的层数n的获取步骤具体为：
步骤2.1：选取一个被电动机历史需求功率Preq′完全填充的容量为210＝1024的历史双向队列空间，初始化小波分解的层数m＝1；
步骤2.2：利用Haar滤波器对历史双向队列空间填充的数据进行m层小波分解，并对第m层分解的近似信号进行小波重构，得到重构信号ym；
步骤2.3：对重构信号ym进行快速傅里叶变换，得到[0,fs/2]频率区间内各频点的幅值Ak,m和频率fk,m，计算各频点的幅值Ak,m与频率fk,m的乘积Ak,m×fk,m；其中，fs＝1Hz为电动机历史需求功率Preq′的数据采样频率；
步骤2.4：若在[0,fs/2]频率区间内均满足Ak,m×fk,m≤Ac×fc，则选择当前层数m的值为小波分解的层数n，在本实施例中n＝6；否则，令m＝m+1，转回步骤2.2；其中，fc和Ac分别为截止频率和截止频率所对应的幅值，获取步骤为：
步骤2.4.1：获取燃料电池的极限变载速率a＝3kW/s；
步骤2.4.2：对历史双向队列空间填充的数据进行傅里叶级数展开并按谐波频率升序排列，得到：
x(t)＝b0+b1 sin(2πf1t+ψ1)+b2 sin(2πf2t+ψ2)+...+bk sin(2πfkt+ψk)+...
其中，x(t)为历史双向队列空间填充的数据；b0为常数项；b1为一次谐波系数，f1为一次谐波频率，ψ1为一次谐波的相位偏移量；b2为二次谐波系数，f2为二次谐波频率，ψ2为二次谐波的相位偏移量；bk为k次谐波系数，fk为k次谐波频率，ψk为k次谐波的相位偏移量；
步骤2.4.3：初始化k＝1；
步骤2.4.4：根据sin函数特性求取k次谐波分量的斜率最大值r＝2πbkfkcos0＝2πbkfk；
步骤2.4.5：若r<3，则令k＝k+1，转回步骤2.4.4；否则，令Ac＝bk，fc＝fk；在本实施例中Ac＝28kW，fc＝0.016Hz；
步骤3：实时采集辅助电源的SOC值SOCbattery，设定SOC期望值SOCref＝75％，根据SOCbattery和SOCref计算PI控制器的输出量u：
Figure BDA0003514630600000061
其中，Kp为比例增益；Ti为积分常数；τ为氢电混合动力系统的当前时间；
Kp的取值方法为：
若SOCbattery≤SOC0，则Kp＝KpMAX；
若SOC0＜SOCbattery＜SOC1，则
Figure BDA0003514630600000071
若SOC1≤SOCbattery≤SOC2，则Kp＝0；
若SOC2＜SOCbattery＜SOC3，则
Figure BDA0003514630600000072
若SOCbattery≥SOC3，则Kp＝KpMAX；
其中，SOC0＝30％为辅助电源出现过放现象时的SOC临界值；SOC3＝90％为辅助电源出现过充现象时的SOC临界值；SOC1＝50％为辅助电源正常工作时的SOC下限；SOC2＝70％为辅助电源正常工作时的SOC上限；Kpmax为比例增益极限值，获取方式为：以SOC期望值SOCref＝75％为目标，在SOCbattery＝30％和SOCbattery＝90％两种情况下调节PI控制器参数，当两种情况下超调量低于20％，响应时间低于2h时，此时PI控制器调控的比例增益的值为Kpmax＝0.6，积分常数的值为Ti＝0.003。
步骤4：利用低通滤波器对输出量u进行截止频率为fc＝0.016Hz的低通滤波，低通滤波后输出Plowpass，作为燃料电池的微调量，使辅助电源的SOC值控制在正常范围内；
步骤5：对燃料电池的基量Pn和微调量Plowpass进行求和，并利用限幅器将求和结果限幅在[Pmin,Pmax]区间范围内，得到燃料电池的输出功率PFC，具体为：
Figure BDA0003514630600000073
其中，Pmin＝0为燃料电池的最低输出功率；Pmax＝40kW为燃料电池的最高输出功率；
燃料电池的输出功率PFC的曲线如图5所示，任意时刻输出功率PFC的变化率如图6所示，燃料电池输出功率PFC的变化率均小于燃料电池极限变载能力。
步骤6：计算辅助电源的输出功率Pbat＝Preq-PFC，整个循环工况下的辅助电源SOC曲线如图7所示。
在本实施例中，电动机实时需求功率Preq、辅助电源的SOC值SOCbattery、燃料电池的基量Pn、输出量u、微调量Plowpass、燃料电池输出功率PFC、辅助电源的输出功率Pbat均为与时间t相关的参数。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种氢电混合动力系统的功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设置一个容量为2N的实时双向队列空间，电动机实时需求功率Preq依次填充实时双向队列空间，并采用滑动窗口的形式更新被完全填充的实时双向队列空间，获得更新后实时双向队列空间中填充的数据；其中，N≥4；
步骤2：对更新后实时双向队列空间中填充的数据进行n层小波分解和小波重构，得到电动机实时需求功率Preq的低频分量Pn，作为燃料电池的基量；其中，小波分解的层数n的获取步骤为：
步骤2.1：选取一个被电动机历史需求功率Preq′完全填充的容量为2M的历史双向队列空间，初始化小波分解的层数m＝1；其中，M≥10；
步骤2.2：对历史双向队列空间填充的数据进行m层小波分解和小波重构，得到重构信号ym；
步骤2.3：对重构信号ym进行快速傅里叶变换，得到[0,fs/2]频率区间内各频点的幅值Ak,m和频率fk,m，计算Ak,m×fk,m；其中，fs为电动机历史需求功率Preq′的数据采样频率；
步骤2.4：若在[0,fs/2]频率区间内均满足Ak,m×fk,m≤Ac×fc，则选择当前层数m的值为小波分解的层数n；否则，令m＝m+1，转回步骤2.2；其中，fc和Ac分别为截止频率和截止频率所对应的幅值，获取步骤为：
步骤2.4.1：获取燃料电池的极限变载速率a；
步骤2.4.2：对历史双向队列空间填充的数据进行傅里叶级数展开并按谐波频率升序排列，得到：
x(t)＝b0+b1 sin(2πf1t+Ψ1)+b2 sin(2πf2t+ψ2)+...+bk sin(2πfkt+ψk)+...
其中，x(t)为历史双向队列空间填充的数据；b0为常数项；b1为一次谐波系数，f1为一次谐波频率，ψ1为一次谐波的相位偏移量；b2为二次谐波系数，f2为二次谐波频率，ψ2为二次谐波的相位偏移量；bk为k次谐波系数，fk为k次谐波频率，ψk为k次谐波的相位偏移量；
步骤2.4.3：初始化k＝1；
步骤2.4.4：求取k次谐波分量的斜率最大值r＝2πbkfk；
步骤2.4.5：若r<a，则令k＝k+1，转回步骤2.4.4；否则，令Ac＝bk，fc＝fk；
步骤3：实时采集辅助电源的SOC值SOCbattery，设定SOC期望值SOCref，计算PI控制器的输出量u：
Figure FDA0003514630590000021
其中，Kp为比例增益；Ti为积分常数；τ为当前时间；
步骤4：对输出量u进行截止频率为fc的低通滤波，低通滤波后输出Plowpass，作为燃料电池的微调量；
步骤5：对燃料电池的基量Pn和微调量Plowpass进行求和，并将求和结果限幅在[Pmin,Pmax]区间范围内，得到燃料电池的输出功率PFC；其中，Pmin为燃料电池的最低输出功率；Pmax为燃料电池的最高输出功率；
步骤6：计算辅助电源的输出功率Pbat＝Preq-PFC。
2.根据权利要求1所述氢电混合动力系统的功率分配方法，其特征在于，步骤2中小波分解采用Haar小波为母小波，Haar小波的函数ψ(x)为：
Figure FDA0003514630590000022
3.根据权利要求1所述氢电混合动力系统的功率分配方法，其特征在于，步骤2.4.1中获取燃料电池的极限变载速率a的方法为：固定燃料电池的变载时间为1s，以0.1kW为间隔逐步增大变载步长，当燃料电池的实际输出功率无法实现变载步长的要求时，记录此时的变载步长a′kW，则燃料电池的极限变载速率a＝a′kW/s。
4.根据权利要求1所述氢电混合动力系统的功率分配方法，其特征在于，步骤3中Kp的取值方法为：
若SOCbattery≤SOC0，则Kp＝KpMAX；
若SOC0＜SOCbattery＜SOC1，则
Figure FDA0003514630590000031
若SOC1≤SOCbattery≤SOC2，则Kp＝0；
若SOC2＜SOCbattery＜SOC3，则
Figure FDA0003514630590000032
若SOCbattery≥SOC3，则Kp＝KpMAX；
其中，SOC0为辅助电源出现过放现象时的SOC临界值；SOC3为辅助电源出现过充现象时的SOC临界值；SOC1为辅助电源正常工作时的SOC下限；SOC2为辅助电源正常工作时的SOC上限；Kpmax为比例增益极限值。
5.根据权利要求4所述氢电混合动力系统的功率分配方法，其特征在于，Kpmax的获取方式为：以SOC期望值SOCref为目标，在SOCbattery≤SOC0和SOCbattery≥SOC3两种情况下调节PI控制器参数，当两种情况下超调量和响应时间均满足氢电混合动力系统要求时，此时PI控制器调控的比例增益的值为Kpmax，积分常数的值为Ti。
6.根据权利要求1所述氢电混合动力系统的功率分配方法，其特征在于，步骤5中燃料电池的输出功率PFC的公式为：
Figure FDA0003514630590000033
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