一种燃料电池最佳工作点的获取方法技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池最佳工作点的获取方法，包括以下步骤：步骤S1:构建燃料电池与辅助动力源的之间的功率协调分配优化函数；步骤S2:根据燃料电池的健康状态、放电特性和辅助动力源的荷电状态实时计算功率协调分配优化函数的最小值,并以此获取满足汽车动力性要求且投入产出最佳的燃料电池与辅助动力源的最佳功率分配；步骤S3:构建电压电流双闭环直流/直流变换器；步骤S4:根据燃料电池与辅助动力源的最佳功率分配，计算燃料电池最佳输出电流与母线电压，作为电压电流双闭环控制的参考值；步骤S5:将得到的燃料电池最佳输出电流与母线电压输入电压电流双闭环直流/直流变换器，实现对燃料电池最佳工作点的控制，使燃料电池投入产出比最大化。

A Method for Obtaining the Optimum Operating Point of Fuel Cell

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池最佳工作点的获取方法
本专利技术属于混合动力汽车的能量分配控制领域，具体涉及一种燃料电池最佳工作点的获取方法。
技术介绍
伴随着化石能源的日渐枯竭以及其对环境的污染，人们开始寻找新的替代性能源，例如太阳能、核能、氢能等等开始逐步开始出现和应用。燃料电池凭借其节能环保特征，并因其拥有能量转换效率高、续航里程久、燃料加注迅速等优点，被认为是目前替代化石能源极具前景的车用发电装置。然而燃料电池作为供能装置应用在燃料电池-辅助动力源混合动力汽车上时，由于汽车运行工况的急剧变化，其如何最佳的分配燃料电池的功率，一直是困扰着各界学者和燃料电池能量管理系统的研发人员。当燃料电池的分配功率过大时，由于燃料电池功率响应慢的放电特征，面对工况的剧烈变化，会导致功率的供给相对于工况的需求功率变化产生滞后现象。当燃料电池的分配功率过小时，没有充分发挥燃料电池的高能量密度的储能性能，无法达到辅助动力源—燃料电池混合动力的最佳配合。与此同时，燃料电池在没有进行合理的工作点工作时易产生以下衰退：a)阴极出现高电位，加速了阴极区域碳载体的腐蚀速度。b)电池长期处于开路电压，造成交换膜的薄化和Pt催化剂的团聚。c)频繁的电压循环，造成Pt催化剂的溶解和迁移。d)长期处于大电流密度下，会加快交换膜的衰减和Pt催化剂的流失。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种燃料电池最佳工作点的获取方法，汽车在运行过程中能够能够最优的兼顾燃料电池行驶动力性、经济性和耐久性。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种燃料电池最佳工作点的获取方法，包括以下步骤：步骤S1:构建燃料电池与辅助动力源的之间的功率协调分配优化函数；步骤S2:根据燃料电池的健康状态、放电特性和辅助动力源的荷电状态实时计算功率协调分配优化函数的最小值,并以此获取满足汽车动力性要求且投入产出最佳的燃料电池与辅助动力源的最佳功率分配；步骤S3:构建电压电流双闭环直流/直流变换器；步骤S4:根据燃料电池与辅助动力源的最佳功率分配，计算燃料电池最佳输出电流与母线电压，作为电压电流双闭环控制的参考值；步骤S5:将得到的燃料电池最佳输出电流与母线电压作为参考值输入电压电流双闭环直流/直流变换器，获取燃料电池最佳工作点。进一步的，所述功率协调分配优化函数包括功率协调分配优化函数Ych和辅助动力源放电时的功率协调分配优化函数Ydis，具体如下：式中，PV,dis为辅助动力源放电行驶需求功率；PV,ch为辅助动力源充电行驶需求功率；PFC为燃料电池功率；IFC为燃料电池输出电流；ηm为驱动电机的机械效率；ηda为直流/交流逆变器效率；ηFC为燃料电池的能量效率；ηdd为直流/直流变换器效率；ηch为辅助动力源的充电效率；ηdis为辅助动力源的放电效率；SOC为辅助动力源的荷电状态；ΔPFC和ΔIFC为燃料电池实时功率与电流变化量分别；δ1与δ2为(ΔPFC)2与(ΔIFC)2的加权系数。进一步的，所述燃料电池与辅助动力源的之间的功率协调分配优化函数是根据燃料电池的健康状态、放电特征和辅助动力源的荷电状态实时计算功率协调分配优化函数Ych、Ydis的最小值,此时对应的燃料电池优化功率PFC和辅助动力源优化功率Paux即为确定的最佳功率分配PFC,op,Paux,op。进一步的，所述电压电流双闭环直流/直流变换器包括外环控制和内环控制，外环通过控制直流/直流变换器的输出电压确定直流母线电压，内环通过控制燃料电池输出电流，从而控制燃料电池的输出功率，以实现对燃料电池最佳工作点的控制。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术可以保证燃料电池在每个时刻的运行工况、驾驶环境下都具有足够的动力性，同时兼顾燃料电池长期运行的经济性和耐久性，保障燃料电池高效、经济、安全的工作。附图说明图1是本专利技术结构原理图；图2是本专利技术辅助动力源放电时的燃料电池最佳工作点功率分配解耦控制器原理图；图3是本专利技术辅助动力源充电时的燃料电池最佳工作点功率分配解耦控制器原理图；图中：PV,dis—辅助动力源处于放电模式时的系统需求功率、HP—燃料电池健康状态、VDC—直流-直流变换器输出电压、VDC,ref—直流-直流变换器输出电压参考值、IFC—燃料电池输出电流(即：直流-直流变换器输入电流)、IFC,ref—燃料电池输出电流参考值(即：直流-直流变换器输入电流参考值)、PFC,op—燃料电池最佳分配功率、Paux,op—辅助动力源最佳分配功率、ηdisIaux—辅助动力源及其放电效率、PV,ch—辅助动力源处于充电模式时的系统需求功率、HP—燃料电池健康状态、Vaux—辅助动力源充电电压、Vaux,ref—辅助动力源充电电压参考值、IFC—燃料电池输出电流(直流-直流变换器输入电流)、IFC,ref—燃料电池输出电流参考值(即：直流-直流变换器输入电流)、PFC,op—燃料电池最佳功率分配、Paux,op—辅助动力源最佳功率分配、ηchIaux—辅助动力源及其充电效率。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。请参照图1，本专利技术提供一种燃料电池最佳工作点的获取方法，包括以下步骤：步骤S1:构建燃料电池与辅助动力源的之间的功率协调分配优化函数；步骤S2:根据燃料电池的健康状态、放电特性和辅助动力源的荷电状态实时计算功率协调分配优化函数的最小值,并以此获取满足汽车动力性要求且投入产出比最佳的燃料电池与辅助动力源的最佳功率分配；步骤S3:构建电压电流双闭环直流/直流变换器；步骤S4:根据燃料电池与辅助动力源的最佳功率分配，计算燃料电池最佳输出电流与母线电压，作为电压电流双闭环控制的参考值；步骤S5:将得到的燃料电池最佳输出电流与母线电压作为参考值输入电压电流双闭环直流/直流变换器，获取燃料电池最佳工作点。本实施例中构建燃料电池与辅助动力源的之间的功率协调分配优化函数具体如下：(1)建立投入产出比和健康状态指标函数由于频繁启停、功率过载、大电流变化等会导致车用燃料电池性能加速下降，本实施例构建基于启停次数、电流变化率以及过载功率等因素的累积型燃料电池投入产出比指标的统计学模型，结合燃料电池的行驶工况数据，划分运行时间间隔，构造投入产出比函数，建模过程如下：当燃料电池从全新状态投入使用开始到te时刻后的一个时间间隔Δt内的单个时间间隔内的投入产出函数Eb定义为：式中：PFC为燃料电池功率；Je为车载单位电量的价格；Xh为燃料电池氢气消耗率；Jh为单位氢气量的价格；Wcon为燃料电池辅助系统的消耗功率；fw为单次燃料电池的维护成本。用燃料电池健康状态指标Hp定量描述燃料电池的健康状态，设定燃料电池全新时的Hp值等于“1”，而当投入产出函数为0时的Hp值等于0，因燃料电池启停次数越多、电流变化率越大、过载功率越大，燃料电池健康状态恶化越快，故Hp定义为：式中：ΔPo为燃料电池输出功率相对于额定功率的过载量；为燃料电池输出电流变化率；nos为燃料电池启停次数；η1、η2、η3分别为的加权因子，且都为正数。按时间间隔Δt对各个区间的投入产出函数Ebj(j≥1，Ebj为每个时间间隔内的投入产出)进行统计，并对Ebj进行归“1”化处理：通过实验获得所有时间间隔Δt内的相关数据，联立式(2)和式(3)，利用数值拟合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池最佳工作点的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1:构建燃料电池与辅助动力源的之间的功率协调分配优化函数；步骤S2:根据燃料电池的健康状态、放电特性和辅助动力源的荷电状态实时计算功率协调分配优化函数的最小值,并以此获取满足汽车动力性要求且投入产出最佳的燃料电池与辅助动力源的最佳功率分配；步骤S3:构建电压电流双闭环直流/直流变换器；步骤S4:根据燃料电池与辅助动力源的最佳功率分配，计算燃料电池最佳输出电流与母线电压，作为电压电流双闭环控制的参考值；步骤S5:将得到的燃料电池最佳输出电流与母线电压作为参考值输入到电压电流双闭环直流/直流变换器，获取燃料电池最佳工作点。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池最佳工作点的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1:构建燃料电池与辅助动力源的之间的功率协调分配优化函数；步骤S2:根据燃料电池的健康状态、放电特性和辅助动力源的荷电状态实时计算功率协调分配优化函数的最小值,并以此获取满足汽车动力性要求且投入产出最佳的燃料电池与辅助动力源的最佳功率分配；步骤S3:构建电压电流双闭环直流/直流变换器；步骤S4:根据燃料电池与辅助动力源的最佳功率分配，计算燃料电池最佳输出电流与母线电压，作为电压电流双闭环控制的参考值；步骤S5:将得到的燃料电池最佳输出电流与母线电压作为参考值输入到电压电流双闭环直流/直流变换器，获取燃料电池最佳工作点。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池最佳工作点的获取方法，其特征在于：所述功率协调分配优化函数包括功率协调分配优化函数Ych和辅助动力源放电时的功率协调分配优化函数Ydis，具体如下：式中，Pv为行驶需求功率；PFC为燃料电池功率；IFC为燃料电池输出电流；ηm为驱动电机的机械效率；ηda为直流/交流逆变器效...

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