协调经济性与耐久性的燃料电池混合动力能量管理方法技术

本发明专利技术涉及一种协调经济性与耐久性的燃料电池混合动力能量管理方法，该方法建立在以燃料电池和超级电容为动力源，并通过直流/直流变换器、直流/交流逆变器与电动机相连的混合动力系统，该控制策略通过构建燃料电池混合动力系统的投入产出及经济使用寿命函数评估混合动力系统的耐久性，构建燃料电池混合动力系统投入产出比函数评估混合动力系统的经济性，综合协调耐久性与经济性设计燃料电池混合动力系统功率协调分配函数，从而更好的克服燃料电池耐久性和经济性不足以及超级电池续航能力不足等缺点，使燃料电池混合动力系统具有更好的续航能力、经济性和耐久性。

Energy Management Method for Fuel Cell Hybrid Power System with Coordination of Economy and Durability

【技术实现步骤摘要】
协调经济性与耐久性的燃料电池混合动力能量管理方法
本专利技术涉及燃料电池工作状态评估及能量管理领域，具体涉及一种协调经济性与耐久性的燃料电池混合动力能量管理方法。
技术介绍
随着化石能源的不断枯竭及环境问题的日趋严峻，燃料电池以其高效率、零排放、无污染等优势作为替代化石能源的供能装置而备受期待。燃料电池是一种高效的发电系统，可将氢气的化学能直接转变为电能，被广泛应用在道路交通的动力源中。随着燃料电池在实际生产应用中越来越广泛，制约燃料电池的发展因素也越来越明显，其一，主要为燃料电池的材料昂贵，其二，燃料电池的使用寿命短，耐久性差。燃料电池处于功率过载状态下运行时，质子交换膜的负荷过大，导致质子交换膜的衰减速率增加，同时在过载情况下电堆内部气体浓度分布低，处于缺气的“饥饿状态”，容易发生反极现象，腐蚀碳电极和催化层，并且在阴极低电位的情况下，氢离子易被还原成氢气，在催化剂的存在下与氧气反应甚至产生燃烧现象，反应生成的水若无法及时排出，还会导致电池阴极产生“水淹”现象，造成燃料电池及其辅助系统投入产出的衰减。当燃料电池的电流密度迅速变化时，由于电池内部电流密度分布不均使得电流密度大的区域响应速度快，即水的生成速率加快。此时，在阴极堆积的水无法及时排出电池，使得催化剂颗粒粗大化并逐渐溶解流失，引起电池性能的衰退，导致燃料电池投入产出能力降低。因此准确评估燃料电池的实时投入产出状态和经济使用寿命，有利于及时确定燃料电池及其辅助系统的更换周期，对提高燃料电池使用的投入产出能力极其重要。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种协调经济性与耐久性的燃料电池混合动力能量管理方法,充分利用超级电容的放电特性，同时结合对该混合动力源的经济性和耐久性的评估进行能量的协调分配，从而充分提高燃料电池混合动力系统的耐久性和经济性。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种协调经济性与耐久性的燃料电池混合动力能量管理方法，其特征在于，提供以燃料电池和超级电容为动力源，并通过直流/直流变换器、直流/交流逆变器与电动机相连的混合动力系统，具体包括以下步骤：步骤S1:采集燃料电池燃料电池混合动力系统工况数据和基础参数；步骤S2:构建燃料电池混合动力系统耐久性评估函数；步骤S3:构建燃料电池混合动力系统经济性评估函数；步骤S4:根据燃料电池混合动力系统耐久性评估函数和燃料电池混合动力系统经济性评估函数，构建得到燃料电池混合动力系统能量协调分配函数；步骤S5:根据燃料电池混合动力系统能量协调分配函数，实现燃料电池与超级电容的最优功率分配。进一步的，所述燃料电池混合动力系统耐久性评估函数包括经济使用寿命和投入产出函数，将燃料电池混合动力源的运行时间划分为若干特定长度的小区间，每个小区间时间间隔记为Δt，当燃料电池混合动力源及其辅助系统从全新状态投入使用开始到te时刻后的一个运行间隔Δt内，时间间隔Δt内的投入产出指标函数Eb定义为：Eb＝Eb,SC+Eb,FC(3)∑fw，FC＝fStack+fbump+fcomp+fhumid+frad+ftherm+felec+foth(4)∑fw，SC＝fcontr+ffad,sc+foth,sc(5)∑fw＝∑fw，SC+∑fw，FC(6)式中：Eb，FC为燃料电池及其辅助系统的投入产出，Eb,SC为超级电容及其辅助系统的投入产出，Eb为燃料电池混合动力系统的投入产出，PFC为燃料电池的输出功，PSC为超级电容的输出功率，Je为车载用单位电量的价格，Xh为燃料电池的氢气消耗率，Jh为单位氢气量的价格，Wcon,FC为燃料电池辅助系统的功率消耗，Wcon,SC为超级电容辅助系统的功率消耗，∑fw,SC为超级电容的保养费用，∑fw,FC为燃料电池及超级电容的保养成本，fcontr为超级电容控制器保养费用，ffad,sc为超级电容散热器保养费用，foth,sc为超级电容其他保养费用，fStack为燃料电池堆栈的保养费用，fbump为燃料电池氢气循环泵的保养费用，fcomp为燃料电池空气压缩机的保养费用，fhumid为燃料电池加湿器的保养费用，frad为燃料电池散热器的保养费用，ftherm为燃料电池节温器的保养费用，felec为燃料电池电子控制系统保养费用，foth为燃料电池其他部件保养费用。进一步的，所述的燃料电池混合动力系统经济性评估函数包括燃料电池混合动力系统固有投入产出比函数和燃料电池混合动力系统再利用投入产出比函数。进一步的，所述燃料电池混合动力系统的固有投入产出比函数具体为：将混合动力源及其辅助系统从全新状态投入使用开始总的投入产出之和与混合动力源及其辅助系统的购买成本之比定义为燃料电池混合动力系统的固有投入产出比函数Eib，其函数关系定义式为：Cb＝CFC+CSC(8)式中：Cb为燃料电池混合动力源及其辅助系统的购买成本，CFC为燃料电池及其辅助系统的购买成本，CSC为超级电容的购买成本，Eib为燃料电池混合动力系统的固有投入产出比函数，Eib，FC为燃料电池的固有投入产出比函数，Eib，SC为超级电容的固有投入产出比函数，∑Eb为各个时间间隔内燃料电池混合动力源及其辅助系统投入产出之和。进一步的，所述燃料电池混合动力系统再利用投入产出比函数为燃料电池混合动力源及其辅助系统从每次更换零件之后的预设时间内的投入产出之和与等效购买成本之比，具体为：式中：Eib,u为燃料电池混合动力系统再利用投入产出比，Eib,u,FC为燃料电池再利用投入产出比，m为燃料电池及其辅助系统可能更换的零部件总数，n为燃料电池及其辅助系统需要更换的零部件的编号n＝1,2,3…m，u为更换零件的次数序号，Qu,FC为燃料电池及其辅助系统更换零件后的等效购买成本，Ai为燃料电池及其辅助系统零件i的购买成本，φi为燃料电池及其辅助系统零件i在单位时间间隔Δt内的报废率，为燃料电池及其辅助系统距离上次零件报废时间的加权因子，t为燃料电池混合动力源总工作时间，ti为燃料电池及其辅助系统零件i最近一次更换的时刻，Ti为燃料电池及其辅助系统零件i的平均统计寿命，Eib,u,SC为超级电容再利用投入产出比，m'为超级电容及其辅助系统可能更换的零部件总数，n'为超级电容需要更换的零部件的编号n'＝1,2,3…m'，Qu,SC为超级电容更换零件后的等效购买成本，Ai'为超级电容零件i的购买成本，φi'为超级电容零件i在单位时间间隔Δt内的报废率，为超级电容距离上次报废时间的加权因子，ti'为超级电容及其辅助系统零件i最近一次更换的时刻，Ti'为超级电容及其辅助系统零件i的平均统计寿命。进一步的，所述燃料电池混合动力系统能量协调分配函数具体为：PSC＝PLoad-PFC(19)式中：PFC—燃料电池的输出功率，PSC—超级电容的输出功率，PLoad—电动机的消耗功率，—燃料电池耐久性惩罚函数，—燃料电池未进行大修之前的经济性惩罚函数，—燃料电池进行大修之后的经济性惩罚函数，—超级电容荷电状态惩罚函数，—超级电容系统进行大修之前的经济性惩罚函数，—超级电容的耐久性惩罚函数，—超级电容进行大修之后的经济性惩罚函数。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术充分利用超级电容的放电特性，同时结合对该混合动力源的经济性和耐久性的评估本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种协调经济性与耐久性的燃料电池混合动力能量管理方法，其特征在于，提供以燃料电池和超级电容为动力源，并通过直流/直流变换器、直流/交流逆变器与电动机相连的混合动力系统，具体包括以下步骤：步骤S1:采集燃料电池燃料电池混合动力系统工况数据和基础参数；步骤S2:构建燃料电池混合动力系统耐久性评估函数；步骤S3:构建燃料电池混合动力系统经济性评估函数；步骤S4:根据燃料电池混合动力系统耐久性评估函数和燃料电池混合动力系统经济性评估函数，构建得到燃料电池混合动力系统能量协调分配函数；步骤S5:根据燃料电池混合动力系统能量协调分配函数，实现燃料电池与超级电容的最优功率分配。

【技术特征摘要】
1.一种协调经济性与耐久性的燃料电池混合动力能量管理方法，其特征在于，提供以燃料电池和超级电容为动力源，并通过直流/直流变换器、直流/交流逆变器与电动机相连的混合动力系统，具体包括以下步骤：步骤S1:采集燃料电池燃料电池混合动力系统工况数据和基础参数；步骤S2:构建燃料电池混合动力系统耐久性评估函数；步骤S3:构建燃料电池混合动力系统经济性评估函数；步骤S4:根据燃料电池混合动力系统耐久性评估函数和燃料电池混合动力系统经济性评估函数，构建得到燃料电池混合动力系统能量协调分配函数；步骤S5:根据燃料电池混合动力系统能量协调分配函数，实现燃料电池与超级电容的最优功率分配。2.根据权利要求1所述的协调经济性与耐久性的燃料电池混合动力能量管理方法，其特征在于：所述燃料电池混合动力系统耐久性评估函数包括经济使用寿命和投入产出函数，将燃料电池混合动力源的运行时间划分为若干特定长度的小区间，每个小区间时间间隔记为Δt，当燃料电池混合动力源及其辅助系统从全新状态投入使用开始到te时刻后的一个运行间隔Δt内，时间间隔Δt内的投入产出指标函数Eb定义为：Eb＝Eb,SC+Eb,FC(3)∑fw，FC＝fStack+fbump+fcomp+fhumid+frad+ftherm+felec+foth(4)∑fw，SC＝fcontr+ffad,sc+foth,sc(5)∑fw＝∑fw，SC+∑fw，FC(6)式中：Eb，FC为燃料电池及其辅助系统的投入产出，Eb,SC为超级电容及其辅助系统的投入产出，Eb为燃料电池混合动力系统的投入产出，PFC为燃料电池的输出功，PSC为超级电容的输出功率，Je为车载用单位电量的价格，Xh为燃料电池的氢气消耗率，Jh为单位氢气量的价格，Wcon,FC为燃料电池辅助系统的功率消耗，Wcon,SC为超级电容辅助系统的功率消耗，∑fw,SC为超级电容的保养费用，Σfw,FC为燃料电池及超级电容的保养成本，fcontr为超级电容控制器保养费用，ffad,sc为超级电容散热器保养费用，foth,sc为超级电容其他保养费用，fStack为燃料电池堆栈的保养费用，fbump为燃料电池氢气循环泵的保养费用，fcomp为燃料电池空气压缩机的保养费用，fhumid为燃料电池加湿器的保养费用，frad为燃料电池散热器的保养费用，ftherm为燃料电池节温器的保养费用，felec为燃料电池电子控制系统保养费用，foth为燃料电池其他部件保养费用。3.根据权利要求1所述的协调经济性与耐久性的燃料电池混合动力能量管理方法，其特征在于：所述的燃料电池混合动力系统经济性评估函数包括燃料电池混合动力系统固有投入产出比函数和燃料电池混合动力系统再利用投入产出比函数。4.根据权利要求3所述的协调经济性与耐久性的燃料电池混合动力能量管理方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚雄，张晨阳，丁阿鑫，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35