CN115465155B - 一种减少多堆燃料电池频繁起停的能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种减少多堆燃料电池频繁起停的能量管理方法，包括S1、VCU检查电池SOC状态，若电池SOC≥30％则由电池单独给电机供电，直至电池SOC<30％进入S2；若电池SOC<30％直接进入S2；S2、检查氢气余量，若氢气未消耗完且电池SOC<30％，燃料电池电堆1～3均启动并以最高效率点对应的功率Pstk_opt输出，直至电池SOC≥60％进入S3；S3、关闭一个电堆仅保留两个电堆工作，此时工作的燃料电池电堆均以P_{stk_opt}出并进入S4；S4、VCU每隔t分钟检查SOC在t分钟前后的变化量△SOC，根据△SOC及SOC值决定电堆的工作数量。该能量管理方法可以实现多堆的交替使用进而提升系统的使用寿命，并且保持多堆燃料电池寿命的一致性。

Description

一种减少多堆燃料电池频繁起停的能量管理方法

技术领域

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种减少多堆燃料电池频繁起停的能量管理方法。

背景技术

用清洁能源取代化石能源为汽车提供动力是一项重要决策，纯电动和混合动力汽车可以适当替代传统燃油汽车。然而，混合动力汽车仍然依赖化石燃料，纯电动行驶距离有限，充电时间长，这些缺陷为燃料电池混合动力汽车的出现铺平了道路。相比之下，燃料电池具有效率高、局部无污染、维护方便等优点，但是由于加氢站设施不完善、高昂的价格和有限的使用寿命等问题，燃料电池尚未在汽车行业广泛应用。

多堆燃料电池系统是指采用多个小功率燃料电池堆取代单一高功率电池堆，可以解决单一燃料电池堆在应用过程中的一些问题。多堆燃料电池系统可以配置为多个模块化电堆，这使得多堆系统的更换更加方便，即使系统中某一个电堆发生故障时系统依然可以保持运行。在车辆应用中，除燃料电池外，利用另一种能源，如电池、超级电容器等也至关重要，因为燃料电池的动态速度较慢，无法储存能量。额外的电源可以通过吸收功率峰值来降低堆栈的衰退率，并用于能量回收。由于多堆燃料电池系统由多个模块化电堆组成，因此能量管理算法需要有效地确定不同电堆模块的工作点，以提高系统的整体性能。例如通过电池吸收车辆的制动能量，通过合理分配电堆模块的输出功率可以有效提升多堆燃料电池系统的效率同时提高整车的能量利用效率。

专利CN112366678A公开了一种并联燃料电池动力系统功率分配方法及系统，该方法虽然可以有效分配多堆系统的输出，但是当需求功率变化较大时多堆系统的部分电堆为了满足需求功率会频繁起停进而导致电堆寿命的快速衰退。专利CN111274713A公开了动车组多堆燃料电池系统剩余使用寿命一致性控制方法该方法虽然可以保证多堆系统寿命的一致性，但是频繁起停和变载会导致燃料电池寿命衰退，并且燃料电池堆不能一直工作在高效点，能量利用率低。专利CN108987770B公开了一种多堆燃料电池发电系统的协调优化控制方法，该方法可以保证多堆系统的效率最高，但是在实际应用过程中会导致某个电堆长时间持续工作，同时不持续工作的电堆会频繁起停，导致整个多堆系统寿命不一致，严重时出现多堆系统中某个电堆退役的情况。

发明内容

本发明针对现有的多堆燃料电池在工况变化频繁时单个电堆频繁启停，影响电堆寿命的技术问题，提出一种减少多堆燃料电池频繁起停的能量管理方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种减少多堆燃料电池频繁起停的能量管理方法，包括如下步骤：

S1、VCU检查电池SOC状态，若电池SOC≥30％则由电池单独给电机供电，直至电池SOC<30％进入S2；若电池SOC<30％直接进入S2；

S2、检查氢气余量，若氢气未消耗完且电池SOC<30％，燃料电池电堆1～3均启动并以最高效率点对应的功率P_{stk_opt}输出，直至电池SOC≥60％进入S3；若氢气消耗完则进入S8；

S3、关闭一个电堆仅保留两个电堆工作，此时工作的燃料电池电堆均以P_{stk_opt}输出并进入S4；

S4、VCU每隔t分钟检查SOC在t分钟前后的变化量△SOC，若在第一个t分钟后电池SOC≥90％则进入S1；若在第一个t分钟后电池的SOC的变化量a≤△SOC<b且电池SOC<90％，则进入S5；若第一个t分钟后电池的SOC的变化量b≤△SOC且电池SOC<90％，则进入S6；若第一个t分钟后电池的SOC的变化量△SOC<a且电池SOC<90％，则进入S7；VCU实时检查氢气余量，若氢气消耗完直接进入S8；

S5、等待t分钟后再次判断△SOC，若t分钟后电池SOC≥90％则进入S1；若t分钟后电池的SOC的变化量a≤△SOC<b，且SOC<90％则保持S5；若t分钟后电池的SOC的变化量b≤△SOC且SOC<90％，则进入S6；若t分钟后电池的SOC的变化量△SOC<a，则进入S7；VCU实时检查氢气余量，若氢气消耗完直接进入S8；

S6、关闭两个电堆仅保留一个电堆工作，工作的电堆以P_{stk_opt}输出，继续等待t分钟后再次判断△SOC，若t分钟后电池SOC≥90％则进入S1；若t分钟后电池的SOC的变化量a≤△SOC<b且SOC<90％，则进入S5；若t分钟后电池的SOC的变化量△b≤SOC，则保持S6；若t分钟后电池的SOC的变化量△SOC<a且SOC<90％，则进入S7；VCU实时检查氢气余量，若氢气消耗完直接进入S8；

S7、三个电堆均以P_{stk_opt}输出，等待t分钟后再次判断△SOC，若t分钟后电池SOC≥90％则进入S1；若t分钟后电池的SOC的变化量a≤△SOC<b且SOC<90％，则进入S5；若t分钟后电池的SOC的变化量b≤△SOC，则进入S6；若t分钟后电池的SOC的变化量△SOC<a且SOC<90％，则保持S7；VCU实时检查氢气余量，若氢气消耗完直接进入S8；

S8、检查电池SOC，若电池SOC≥10％，则电池单独给电机供电；若电池SOC<10％，电机停止运行。

作为优选，S3、S5、S6中工作电堆的序号由下述步骤决定，

Sa1、检查三个电堆的寿命一致性，电堆1～3的电压衰退程度为D1、D2、D3，d1＝|D1-D2|，d2＝|D2-D3|，d3＝|D3-D1|，若d1，d2，d3均小于0.1％则进入Sa2；若d1，d2，d3中存在大于0.1％的情况，则S3和S5中电压衰退较小的两个电堆工作，S6中电压衰退最小的一个电堆工作；

Sa2、累加控制器的检查时间t，当t累加到24小时时，每隔24小时更换S3、S5、S6中工作电堆的序号，以72小时为一个循环；

作为优选，a，b，c，t的确定步骤为，

Sb1、建立整个动力系统的仿真模型，以及系统运行工况，确保仿真模型与实际系统的误差在可接受范围内；

Sb2、采用人工蜂群算法确定a，b，c，t，初始化算法参数；

Sb3、将a，b，c，t代入模型，计算适应度值：N＝n1+n2+n3，并保存记录,其中n1、n2、n3为电堆1、电堆2、电堆3的启停次数；

Sb4、根据人工蜂群算法的逻辑更新a，b，c，t；

Sb5、判断是否满足终止条件，若是进入Sb6，若否进入Sb3；

Sb6、输出最佳a，b，c，t，结束优化流程。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、该减少多堆燃料电池频繁起停的能量管理方法通过离线仿真优化确定能量管理方法中的参数降低了多堆系统中电堆的启停次数。

2、多堆系统中燃料电池一直工作在最高效率点，系统能量利用率高。

3、该能量管理方法中多堆的工作方式不依赖于需求功率，而仅依赖电池SOC在一段时间内的变化，大大减少了由于需求功率频繁变化导致多堆系统启停次数过多的问题。

4、可以实现多堆的交替使用进而提升系统的使用寿命，并且保持多堆燃料电池寿命的一致性。

附图说明

图1为本发明能量管理方法的逻辑判断图；

图2为本发明能量管理方法所基于的多堆燃料电池结构电路连接图；

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图以及实施例做具体说明。

实施例

一种减少多堆燃料电池频繁起停的能量管理方法，如图1所示，包括如下步骤：

该能量管理方法所基于的多堆燃料电池结构包括电堆1～3、DC/DC1～3、电机控制器、电机、整车控制器(VCU)，燃料电池电堆1～3分别串联DC/DC1～3后与电池并联接入高压直流母线，并给电机控制器供电，电路结构如图2所示。

S1、VCU检查电池SOC状态，若电池SOC≥30％则由电池单独给电机供电，直至电池SOC<30％进入S2；若电池SOC<30％直接进入S2。

S2、检查氢余量，若氢气未消耗完且电池SOC<30％此时燃料电池电堆1～3均启动并均以最高效率点对应的功率输出(P_{stk_opt1}，P_{stk_opt2}，P_{stk_opt3})，一方面满足电机的功率需求，多余的能量给电池充电(电堆参数匹配时保证3个电堆最高效率点对应的功率和大于电机最大需求功率)，直至电池SOC≥60％进入S3；若氢气消耗完进入S8。

S3、关闭一个电堆仅保留两个电堆工作，此时燃料电池电堆1和电堆2均以最高效率点对应的功率输出(P_{stk_opt1}，P_{stk_opt2})并进入S4。

S4、VCU每隔t分钟检查SOC在t分钟前后的变化量△SOC，若在第一个t分钟后电池SOC≥90％则进入S1；若在第一个t分钟后电池的SOC的变化量a≤△SOC<b且电池SOC<90％，则进入S5；若第一个t分钟后电池的SOC的变化量b≤△SOC且电池SOC<90％，则进入S6；若第一个t分钟后电池的SOC的变化量△SOC<a且电池SOC<90％，则进入S7；VCU实时检查氢气余量，若氢气消耗完直接进入S8。

S5、保持两个电堆工作，此时两个燃料电池电堆均以最高效率点对应的功率输出，继续等待t分钟后再次判断△SOC，若t分钟后电池SOC≥90％则进入S1；若t分钟后电池的SOC的变化量a≤△SOC<b，且SOC<90％则保持S5；若t分钟后电池的SOC的变化量b≤△SOC且SOC<90％，则进入S6；若t分钟后电池的SOC的变化量△SOC<a，则进入S7；VCU实时检查氢气余量，若氢气消耗完直接进入S8。

S6、保持一个电堆工作，此时工作的一个燃料电池电堆以最高效率点对应的功率输出继续等待t分钟后再次判断△SOC，若t分钟后电池SOC≥90％则进入S1；若t分钟后电池的SOC的变化量a≤△SOC<b且SOC<90％，则进入S5；若t分钟后电池的SOC的变化量△b≤SOC，则保持S6；若t分钟后电池的SOC的变化量△SOC<a且SOC<90％，则进入S7；VCU实时检查氢气余量，若氢气消耗完直接进入S8。

S7、三个电堆均工作，此时燃料电池电堆1、2、3均以最高效率点对应的功率输出(P_{stk_opt1}，P_{stk_opt2}，P_{stk_opt3})，继续等待t分钟后再次判断△SOC，若t分钟后电池SOC≥90％则进入S1；若t分钟后电池的SOC的变化量a≤△SOC<b且SOC<90％，则进入S5；若t分钟后电池的SOC的变化量b≤△SOC，则进入S6；若t分钟后电池的SOC的变化量△SOC<a且SOC<90％，则保持S7。VCU实时检查氢气余量，若氢气消耗完直接进入S8。

S8、检查电池SOC，若电池SOC≥10％，则电池单独给电机供电；若电池SOC<10％，电机停止运行，需要补充电能和氢气。

S3、S5、S6中工作电堆的序号通过如下步骤确定：

Sa1、检查三个电堆的寿命一致性，具体的根据台架试验获得每个电堆出厂时标定的额定功率下的电压值V_e，并在系统运行的过程中测量额定工况下电堆的实际输出电压值V’_e，获得电堆电压的衰退百分比为D＝(V_e-V’_e)/V_e。检查电堆1～3的电压衰退程度D1、D2、D3，并计算d1＝|D1-D2|，d2＝|D2-D3|，d3＝|D3-D1|。若d1，d2，d3均小于0.1％则进入S2；若d1，d2，d3中存在大于0.1％的情况，则认为三个电堆的寿命一致性较差，其中某个电堆寿命衰退较为严重，那么对D1、D2、D3的大小进行排序。以D1≤D2≤D3为例，S3和S5中工作的电堆为电压衰退较小的两个电堆，也就是电堆1和电堆2；S6中工作的电堆为电压衰退最小的电堆，也就是电堆1。

Sa2、累加控制器的检查时间t，当t累加到24小时时，每隔24小时更换S3、S5、S6中工作电堆的序号，以72小时为一个循环。那么第一个24小时内S3、S5中工作的电堆为电堆1和电堆2，S6中工作的电堆为电堆1；第二个24小时内S3、S5中工作的电堆为电堆2和电堆3，S6中工作的电堆为电堆2；第三个24小时内S3、S5中工作的电堆为电堆1和电堆3，S6中工作的电堆为电堆3。

a，b，c，t的值通过如下步骤确定：

由于a，b，c，t的选择大大影响电堆的起停次数，进而影响电堆的耐久性，本实施例采用离线仿真的方法确定a，b，c，t的值。

Sb1、建立整个动力系统的仿真模型，以及系统运行工况，确保仿真模型与实际系统的误差在可接受范围内；

Sb2、采用人工蜂群算法确定a，b，c，t，初始化算法参数,如：优化对象a，b，c，t，终止条件，种群数量等。

Sb3、将a，b，c，t代入模型，计算适应度值：N＝n1+n2+n3，并保存记录,其中n1、n2、n3为电堆1、电堆2、电堆3的启停次数。

Sb4、根据人工蜂群算法的逻辑更新a，b，c，t。

Sb5、判断是否满足终止条件，若是进入Sb6，若否进入Sb3。

Sb6、输出最佳a，b，c，t，结束优化流程。

本实施例所述的减少多堆燃料电池频繁起停的能量管理方法通过离线仿真优化确定能量管理方法中的参数降低了多堆系统中电堆的启停次数。多堆系统中燃料电池一直工作在最高效率点，系统能量利用率高。该能量管理方法中多堆的工作方式不依赖于需求功率，而仅依赖电池SOC在一段时间内的变化，大大减少了由于需求功率频繁变化导致多堆系统启停次数过多的问题。本实施例所述的减少多堆燃料电池频繁起停的能量管理方法可以实现多堆的交替使用进而提升系统的使用寿命，并且保持多堆燃料电池寿命的一致性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种减少多堆燃料电池频繁起停的能量管理方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、VCU检查电池SOC状态，若电池SOC≥30％则由电池单独给电机供电，直至电池SOC<30％进入S2；若电池SOC<30％直接进入S2；

S2、检查氢气余量，若氢气未消耗完且电池SOC<30％，燃料电池电堆1～3均启动并以最高效率点对应的功率P_{stk_opt}输出，直至电池SOC≥60％进入S3；若氢气消耗完则进入S8；

S3、关闭一个电堆仅保留两个电堆工作，此时工作的燃料电池电堆均以P_{stk_opt}输出并进入S4；

S4、VCU每隔t分钟检查SOC在t分钟前后的变化量△SOC，若在第一个t分钟后电池SOC≥90％则进入S1；若在第一个t分钟后电池的SOC的变化量a≤△SOC<b且电池SOC<90％，则进入S5；若第一个t分钟后电池的SOC的变化量b≤△SOC且电池SOC<90％，则进入S6；若第一个t分钟后电池的SOC的变化量△SOC<a且电池SOC<90％，则进入S7；VCU实时检查氢气余量，若氢气消耗完直接进入S8；

S5、等待t分钟后再次判断△SOC，若t分钟后电池SOC≥90％则进入S1；若t分钟后电池的SOC的变化量a≤△SOC<b，且SOC<90％则保持S5；若t分钟后电池的SOC的变化量b≤△SOC且SOC<90％，则进入S6；若t分钟后电池的SOC的变化量△SOC<a，则进入S7；VCU实时检查氢气余量，若氢气消耗完直接进入S8；

S6、关闭两个电堆仅保留一个电堆工作，工作的电堆以P_{stk_opt}输出，继续等待t分钟后再次判断△SOC，若t分钟后电池SOC≥90％则进入S1；若t分钟后电池的SOC的变化量a≤△SOC<b且SOC<90％，则进入S5；若t分钟后电池的SOC的变化量△b≤SOC，则保持S6；若t分钟后电池的SOC的变化量△SOC<a且SOC<90％，则进入S7；VCU实时检查氢气余量，若氢气消耗完直接进入S8；

S7、三个电堆均以P_{stk_opt}输出，等待t分钟后再次判断△SOC，若t分钟后电池SOC≥90％则进入S1；若t分钟后电池的SOC的变化量a≤△SOC<b且SOC<90％，则进入S5；若t分钟后电池的SOC的变化量b≤△SOC，则进入S6；若t分钟后电池的SOC的变化量△SOC<a且SOC<90％，则保持S7；VCU实时检查氢气余量，若氢气消耗完直接进入S8；

S8、检查电池SOC，若电池SOC≥10％，则电池单独给电机供电；若电池SOC<10％，电机停止运行；

其中，a，b，c，t的确定步骤为，

Sb1、建立整个动力系统的仿真模型，以及系统运行工况，确保仿真模型与实际系统的误差在可接受范围内；

Sb2、采用人工蜂群算法确定a，b，c，t，初始化算法参数；

Sb3、将a，b，c，t代入模型，计算适应度值：N＝n1+n2+n3，并保存记录,其中n1、n2、n3为电堆1、电堆2、电堆3的启停次数；

Sb4、根据人工蜂群算法的逻辑更新a，b，c，t；

Sb5、判断是否满足终止条件，若是进入Sb6，若否进入Sb3；

Sb6、输出最佳a，b，c，t，结束优化流程。

2.根据权利要求1所述的减少多堆燃料电池频繁起停的能量管理方法，其特征在于：S3、S5、S6中工作电堆的序号由下述步骤决定，

Sa1、检查三个电堆的寿命一致性，电堆1～3的电压衰退程度为D1、D2、D3，d1＝|D1-D2|，d2＝|D2-D3|，d3＝|D3-D1|，若d1，d2，d3均小于0.1％则进入Sa2；若d1，d2，d3中存在大于0.1％的情况，则S3和S5中电压衰退较小的两个电堆工作，S6中电压衰退最小的一个电堆工作；

Sa2、累加控制器的检查时间t，当t累加到24小时时，每隔24小时更换S3、S5、S6中工作电堆的序号，以72小时为一个循环。

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