一种车载燃料电池混合动力系统设计方法和装置制造方法及图纸

本申请实施例公开了一种车载燃料电池混合动力系统设计方法，通过获取有轨电车线路设计参数、车辆设计参数和运行指标参数、燃料电池参数、单体动力电池参数和超级电容模组参数；根据上述参数计算混合动力系统动态循环运行工况下的需求功率和需求能量；向燃料电池混合动力系统设计优化模型中输入上述参数以及需求功率和需求能量；求解燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量的Pareto非支配解集；根据Pareto非支配解集与其对应的目标函数值构成Pareto前沿；从而为设计人员提供满足用户需求的车载燃料电池混合动力系统设计的参考设计方案。本申请实施例还公开了一种车载燃料电池混合动力系统设计装置。

A design method and device for a vehicle fuel cell hybrid power system

The embodiment of the invention discloses a vehicle fuel cell hybrid power system design method, by acquiring the tram line design parameters and dynamic parameters of the vehicle battery design parameters and operation parameters, parameters, fuel cell monomer and super capacitor module parameters; calculation of hybrid power system dynamic operating conditions of the power demand and energy demand according to the above parameters; to a hybrid fuel cell system design optimization of the input parameters and the demand of power and energy demand model; control variables for a hybrid fuel cell system design optimization model of Pareto non dominated solution set; according to the Pareto non dominated solution set of objective function and its corresponding value constitute the Pareto frontier; to provide users the car needs a hybrid fuel cell system design reference design for designers. The application embodiment also discloses a design device for a vehicle fuel cell hybrid power system.

【技术实现步骤摘要】
一种车载燃料电池混合动力系统设计方法和装置
本申请涉及燃料电池混合动力应用
，尤其涉及一种车载燃料电池混合动力系统设计方法和装置。
技术介绍
城市交通拥堵和汽车尾气排放引起的环境污染问题已经成为困扰每个大中城市的难题。发展城市公共交通，尤其是城市轨道交通，以及新能源应用，是解决城市拥堵和空气污染的一种有效途径。国家“十二五”规划明确指出，国家将重点发展大运量高速载运、新能源载运等技术与装备，有序推进地铁、轻轨、有轨电车等城市轨道交通建设。因此，基于新能源的城市轨道交通已成为国家重点发展方向。燃料电池是一般以氢氧作为反应物质、通过电化学反应把化学能转换成电能的发电装置，由于其发电过程不涉及燃料的燃烧，因而不受卡诺循环限制，发电效率高达40～50％，而且产物只有水，不会产生氮、硫、碳等氧化物，极其清洁高效，具有功率密度和能量密度高、功率范围广的优点。燃料电池有轨电车自身携带主动力源，与内燃机车辆一样灵活，完全摆脱了线路牵引供电系统，能够大幅降低有轨电车线路初期建设投资，又没有内燃机车辆的污染问题，属于有轨电车供电技术发展的先进代表，发展潜力巨大。城轨车辆燃料电池供电技术目前国内外均尚处于发展初期。在现有车载燃料电池混合动力系统，特别是轨道交通燃料电池混合动力系统研究中，主要涉及混合动力系统的能量管理，针对混合动力系统优化设计的研究极少。
技术实现思路
有鉴于此，本申请实施例提供了一种车载燃料电池混合动力系统设计方法和装置，以实现车载燃料电池混合动力系统的优化设计。为了达到上述专利技术目的，本申请采用了如下技术方案：一种车载燃料电池混合动力系统设计方法，包括：获取有轨电车线路设计参数、车辆设计参数和运行指标参数、燃料电池参数、单体动力电池参数和超级电容模组参数；根据所述有轨轨电车线路设计参数、车辆设计参数和运行指标参数计算混合动力系统动态循环运行工况下的需求功率和需求能量；向燃料电池混合动力系统设计优化模型中输入所述燃料电池参数、单体动力电池参数和超级电容模组参数以及所述混合动力系统动态循运行工况下的需求功率和需求能量；求解燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量的Pareto非支配解集；所述Pareto非支配解集包括至少一个满足所有约束条件的非支配解；根据所述Pareto非支配解集与其对应的目标函数值构成Pareto前沿；所述ParetoPareto前沿为设计人员提供车载燃料电池混合动力系统的参考设计方案；其中，所述燃料电池混合动力系统设计优化模型是以混合动力系统的全寿命周期经济性、体积和重量中的至少一个为优化目标，以电压约束、最大电流约束、燃料电池出力爬坡约束、动力电池/超级电容最大充放电电流约束、动力电池/超级电容荷电状态SOC约束、故障续驶能力约束、混合动力系统最大体积约束、混合动力系统最大重量约束和混合动力系统动态响应与电力电量平衡约束中的至少一个为约束条件构建得到。可选地，所述求解燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量的Pareto非支配解集，具体包括：确定燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量的优化搜索区间；利用优化算法计算满足所有约束条件的控制变量的非支配可行解，得到控制变量的Pareto非支配解集。可选地，所述燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量为燃料电池额定功率、单体动力电池的数量和超级电容模组的数量。可选地，所述确定燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量的优化搜索区间，具体包括：根据混合动力系统的平均功率确定燃料电池额定功率；分别确定单体动力电池的数量和超级电容模组的数量的优化搜索区间；所述利用优化算法计算满足所有约束条件的控制变量的非支配可行解，得到控制变量的Pareto非支配解集，具体包括：利用优化算法计算满足所有约束条件的单体动力电池的数量和超级电容模组的数量的非支配可行解，得到单体动力电池的数量和超级电容模组的数量的Pareto非支配解集。可选地，所述燃料电池混合动力系统设计优化模型为：目标函数f＝{f1,f2,f3}：约束条件：式中，Cf1、Cf2为车辆设计寿命周期N年内燃料电池系统的采购总成本和维护成本，Cb1、Cb2为车辆设计寿命周期N年内动力电池系统的采购总成本和维护成本，Csc1、Csc2为车辆设计寿命周期N年内超级电容系统的采购总成本和维护成本；Cfuel为车辆设计寿命周期N年内燃料成本；Pf为燃料电池额定功率；nb、nsc分别为单体动力电池和超级电容模组的个数；vH、vb、vsc分别为提供单位电能所需储氢罐、单体动力电池和超级电容模组的体积；wH、wb、wsc分别为提供单位电能所需储氢罐、单体动力电池和超级电容模组的重量；αf(·)、αH(·)、αb(·)、αsc(·)、λf(·)、λH(·)、λb(·)、λsc(·)为比例常数或函数；Vf(Pf)、Wf(Pf)分别为额定功率Pf的燃料电池电堆的体积和重量；Em′为考虑工程裕量后一个大于线路全程能量Em的能量值；ηd为DC/DC变换器效率；ηf、ηb、ηsc分别为燃料电池、动力电池和超级电容效率；ηfl为燃料电池自身寿命周期内最小额定功率与最大额定功率之比；pb、psc分别为单体动力蓄电池和超级电容模组的最大工作输出功率；Pmax＝max(Ps,Pv,Pa,Pb,Pc)；Ts、Tx分别为上行线路和下行线路所需运行时间；Ems、Emx分别为车辆上行和下行需要混合动力系统提供电量；pf为燃料电池瞬时功率；eb、esc分别为单体动力电池和超级电容模组的电能容量；Emax＝max(Es,Ev,Ea,Ec)；SOCb、SOCbl、SOCbu分别为蓄电池荷电状态(SOC)及其上下限；SOCsc、SOCscl、SOCscu分别为超级电容荷电状态(SOC)及其上下限；Vmax、Mmax分别为混合动力系统的最大体积和重量。可选地，所述线路设计参数包括车站数据、坡道数据、曲线数据；车辆设计参数包括整车质量、载客量、车轮滚动半径、机械传动系统效率、变速器传动比和惯性质量系数、阻力参数、辅助功率参数；运行指标参数包括巡航速度、最高速度、最大加速度。可选地，所述燃料电池参数包括燃料电池功率与燃料电池体积、重量的关系，燃料电池输出能量与储氢罐容量、重量的关系，燃料电池寿命、单位功率采购成本；所述单体动力电池参数包括容量、电压、最大充放电倍率、体积、重量、寿命；所述超级电容模块参数包括：容量、电压、最大充放电倍率、体积、重量、寿命。可选地，所述需求功率和需求能量包括：车辆启动到一定车速需求功率Ps和能量Es、最大加速度到一定速度需求功率Pa和能量Ea、最高车速需求功率Pv、线路最大爬坡度需求功率Pc和能量Ec、再生制动能量回收功率Pb和能量Eb、线路上行混合动力牵引功率平均值Pms和能量Ems、线路下行混合动力牵引功率平均值Pmx和能量Emx。一种车载燃料电池混合动力系统设计装置，包括：获取单元，用于获取有轨电车线路设计参数、车辆设计参数和运行指标参数、燃料电池参数、单体动力电池参数和超级电容模组参数；计算单元，用于根据所述有轨轨电车线路设计参数、车辆设计参数和运行指标参数计算混合动力系统动态循运行工况下的需求功率和需求能量；输入单元，用于向燃料电池混合动力系统设计优化模型中输入所述燃料电池参数、单体动力电池参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车载燃料电池混合动力系统设计方法，其特征在于，包括：获取有轨电车线路设计参数、车辆设计参数和运行指标参数、燃料电池参数、单体动力电池参数和超级电容模组参数；根据所述有轨轨电车线路设计参数、车辆设计参数和运行指标参数计算混合动力系统动态循环运行工况下的需求功率和需求能量；向燃料电池混合动力系统设计优化模型中输入所述燃料电池参数、单体动力电池参数和超级电容模组参数以及所述混合动力系统动态循运行工况下的需求功率和需求能量；求解燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量的Pareto非支配解集；所述Pareto非支配解集包括至少一个满足所有约束条件的非支配解；根据所述Pareto非支配解集与其对应的目标函数值构成Pareto前沿；所述ParetoPareto前沿为设计人员提供车载燃料电池混合动力系统的参考设计方案；其中，所述燃料电池混合动力系统设计优化模型是以混合动力系统的全寿命周期经济性、体积和重量中的至少一个为优化目标，以电压约束、最大电流约束、燃料电池出力爬坡约束、动力电池/超级电容最大充放电电流约束、动力电池/超级电容荷电状态SOC约束、故障续驶能力约束、混合动力系统最大体积约束、混合动力系统最大重量约束和混合动力系统动态响应与电力电量平衡约束中的至少一个为约束条件构建得到。...

【技术特征摘要】
1.一种车载燃料电池混合动力系统设计方法，其特征在于，包括：获取有轨电车线路设计参数、车辆设计参数和运行指标参数、燃料电池参数、单体动力电池参数和超级电容模组参数；根据所述有轨轨电车线路设计参数、车辆设计参数和运行指标参数计算混合动力系统动态循环运行工况下的需求功率和需求能量；向燃料电池混合动力系统设计优化模型中输入所述燃料电池参数、单体动力电池参数和超级电容模组参数以及所述混合动力系统动态循运行工况下的需求功率和需求能量；求解燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量的Pareto非支配解集；所述Pareto非支配解集包括至少一个满足所有约束条件的非支配解；根据所述Pareto非支配解集与其对应的目标函数值构成Pareto前沿；所述ParetoPareto前沿为设计人员提供车载燃料电池混合动力系统的参考设计方案；其中，所述燃料电池混合动力系统设计优化模型是以混合动力系统的全寿命周期经济性、体积和重量中的至少一个为优化目标，以电压约束、最大电流约束、燃料电池出力爬坡约束、动力电池/超级电容最大充放电电流约束、动力电池/超级电容荷电状态SOC约束、故障续驶能力约束、混合动力系统最大体积约束、混合动力系统最大重量约束和混合动力系统动态响应与电力电量平衡约束中的至少一个为约束条件构建得到。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述求解燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量的Pareto非支配解集，具体包括：确定燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量的优化搜索区间；利用优化算法计算满足所有约束条件的控制变量的非支配可行解，得到控制变量的Pareto非支配解集。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量为燃料电池额定功率、单体动力电池的数量和超级电容模组的数量。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述确定燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量的优化搜索区间，具体包括：根据混合动力系统的平均功率确定燃料电池额定功率；分别确定单体动力电池的数量和超级电容模组的数量的优化搜索区间；所述利用优化算法计算满足所有约束条件的控制变量的非支配可行解，得到控制变量的Pareto非支配解集，具体包括：利用优化算法计算满足所有约束条件的单体动力电池的数量和超级电容模组的数量的非支配可行解，得到单体动力电池的数量和超级电容模组的数量的Pareto非支配解集。5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料电池混合动力系统设计优化模型为：目标函数f＝{f1,f2,f3}：约束条件：

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭，梁建英，李克雷，张文超，万年坊，
申请(专利权)人：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37