一种燃料电池车最优工作状态控制策略的计算方法技术

本发明专利技术提供的一种燃料电池车最优工作状态控制策略的计算方法，针对增程式燃料电池汽车的整车经济性与燃料电池耐久性，建立一种燃料电池车的最优策略计算方法。该方法将燃料电池的启停状态增设为状态变量，并在燃料电池的启动和关闭状态之间增加了低功率过渡阶段，实现了燃料电池的自适应启停间隔控制，避免了燃料电池的频繁启停。并使用燃料电池性能衰退指数为耐久性代价，整车能耗为经济性代价，构建经济性与耐久性多目标联合代价函数，实现了两者的联合优化控制。通过离线计算得到一个经济性与耐久性全局最优的能量管理策略，作为实车能量管理策略开发的对标与参考基准。能量管理策略开发的对标与参考基准。能量管理策略开发的对标与参考基准。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池车最优工作状态控制策略的计算方法


[0001]本专利技术涉及汽车动力系统控制
，尤其涉及一种燃料电池车最优工作状态控制策略的计算方法。

技术介绍

[0002]作为最有发展前景的新能源汽车之一，燃料电池车的相关研究是目前的一大热点。由于燃料电池本身的特性和当前技术水平的限制，车用燃料电池大多要与另一种动力源搭配构成车辆的混合动力系统。所以，为了合理分配两个动力源的能量，提高系统效率和寿命，燃料电池车能量管理策略的研究具有非常现实的价值和迫切的需求。
[0003]在汽车行驶过程中，当车用燃料电池处于功率波动状态、启停变化状态、低功率运行状态(输出功率低于怠速功率的状态)和大功率运行状态(输出功率高于额定功率的状态)时，其性能会发生显著的衰退。其中，剧烈的功率波动和频繁的启停变化是燃料电池性能衰退的关键影响因素。因此，在燃料电池车的能量管理策略的开发过程中，需要在保证整车经济性的基础上，兼顾车用燃料电池的耐久性，对燃料电池的工作状态进行管控，避免其性能衰退，延长其使用寿命。
[0004]目前的研究中，针对燃料电池的功率波动，采取的手段包括设置燃料电池输出功率变化率的约束条件；设置低通滤波器对需求功率进行过滤等。针对燃料电池的启停变化，采取的手段包括设置燃料电池最低输出功率约束条件从而禁止燃料电池关闭；建立燃料电池启停变化衰退量目标函数，间接减少启停次数；设定固定的燃料电池启停间隔约束防止燃料电池频繁启停等。
[0005]上述研究中，对于燃料电池的启停问题，多采用基于工程经验的直接控制方式，或基于优化计算的间接控制方式，均难以实现对不同行驶情况和系统状态的灵活适应，缺乏综合考虑经济性和耐久性多目标的燃料电池启停控制方法研究。

技术实现思路

[0006]本专利技术的实施例提供了一种燃料电池车最优工作状态控制策略的计算方法，目的是得到一种能够兼顾经济性与耐久性的离线全局最优策略。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。
[0008]一种燃料电池车最优工作状态控制策略的计算方法，包括：
[0009]S1获取基础参数，基于该基础参数建立燃料电池、动力电池和整车的简化模型，获得每时刻的燃料电池输出功率和动力电池SOC；
[0010]S2将每时刻的燃料电池输出功率作为控制变量，将动力电池SOC作为第一状态变量，获得第一状态转移方程；
[0011]S3将每时刻的燃料电池输出功率作为第二状态变量，获得第二状态转移方程，并获得燃料电池输出功率变化幅度的可达状态；
[0012]S4将燃料电池启停状态作为第三状态变量，确定燃料电池不同启停状态件的切换
逻辑，获得第三状态转移方程；
[0013]S5根据车型动力系统参数，设置第一状态变量、第二状态变量、动力电池输出功率和燃料电池氢耗的约束条件；
[0014]S6根据动力电池输出功率和燃料电池输出功率，获得动力电池电耗、燃料电池氢耗和燃料电池性能衰减指数，构造综合代价函数；
[0015]S7根据第一状态转移方程、第二状态转移方程、第三状态转移方程和综合代价函数，对整个可达状态空间进行正向寻优，获得包含不同末状态所有控制序列的最优解集，对该最优解集进行逆向求解，获得最优决策序列。
[0016]优选地，步骤S1包括：
[0017]S11通过燃料电池系统效率—燃料电池系统功率输出特性曲线，获得每一时刻的燃料电池输出功率和对应效率；
[0018]S12将动力电池系统等效为电源与内阻的串联电路，获得用于模拟动力电池系统在充放电过程中端电压和荷电状态SOC的动态过程的式V
B
＝V
OC
‑
i
B
·
R
B
,
ꢀꢀꢀ
(1)和荷电状态SOC用于表征动力电池的剩余电量，通过表示，并通过安时法求解；式中，V
OC
为电池的开路电压，i
B
为电池的电流，R
B
为电池内阻，V
B
为电池两端电压，P
B
为电池的功率，Q代表电池剩余容量，Q
C
表示电池充满电时容量，SOC
initial
表示动力电池的初始荷电状态；
[0019]S13基于汽车行驶的动力学方程建立车辆纵向动力学模型，获得车辆在行驶过程中的受力，表达式为F
t
＝F
r
+F
a
+F
g
+F
j
,(5)和式中，F
t
为车辆的驱动力，F
r
为车辆所受的滚动阻力，F
a
为空气阻力，F
g
为坡度阻力，F
j
为加速阻力，m为车辆质量，f为车轮滚阻系数，θ为行使路面的坡度角，A为迎风面积，C
d
为空气阻力系数，v为行驶车速，δ为旋转质量转换系数，g为重力加速度；
[0020]S14根据式(1)至(6)获得车辆行驶过程中的功率平衡方程和式中，P
t
是驱动车辆行驶所需的功率，η
t
为传动系的机械效率，i
s
为道路坡度。
[0021]优选地，步骤S2包括：
[0022]S21将每时刻的燃料电池输出功率作为控制变量u，将动力电池SOC作为第一状态变量x，构建第一状态转移方程SOC
k+1
＝SOC
k
+
△
SOC(9)；式中，SOC
k
表示k时刻的SOC值，ΔSOC表示从k时刻到k+1时刻的SOC变化量，ΔSOC表示从k时刻到k+1时刻的SOC变化量，控制变量
u的取值通过式获得；式中，表示燃料电池输出功率；S22将第一状态转移方程进行转换，获得SOC
k+1
＝f(SOC
k
,P
fc,k
)
ꢀꢀꢀ
(11)。
[0023]优选地，步骤S3包括：
[0024]S31将每时刻的燃料电池输出功率作为第二状态变量，构建第二状态转移方程式中，表示k时刻作为状态变量的FC输出功率；
△
P
fc
表示单位时间内燃料电池输出功率的变化量，该变化量的范围通过式
△
P
fc,min
≤
△
P
fc
＜
△
P
fc,max
(14)获得，其中，
△
P
fc,min
代表燃料电池输出功率最大降载率，
△
P
fc,max
代表燃料电池输出功率最大升载率，单位kW/s；
[0025]S32根据式(13)和(14)获得的状态转移范围
[0026][0027]S33根据每时刻的燃料电池输出功率的双状本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池车最优工作状态控制策略的计算方法，其特征在于，包括：S1获取基础参数，基于该基础参数建立燃料电池、动力电池和整车的简化模型，获得每时刻的燃料电池输出功率和动力电池SOC；S2将所述每时刻的燃料电池输出功率作为控制变量，将所述动力电池SOC作为第一状态变量，获得第一状态转移方程；S3将所述每时刻的燃料电池输出功率作为第二状态变量，获得第二状态转移方程，并获得燃料电池输出功率变化幅度的可达状态；S4将燃料电池启停状态作为第三状态变量，确定燃料电池不同启停状态件的切换逻辑，获得第三状态转移方程；S5根据车型动力系统参数，设置所述第一状态变量、所述第二状态变量、动力电池输出功率和燃料电池氢耗的约束条件；S6根据所述动力电池输出功率和所述燃料电池输出功率，获得动力电池电耗、燃料电池氢耗和燃料电池性能衰减指数，构造综合代价函数；S7根据所述第一状态转移方程、第二状态转移方程、第三状态转移方程和综合代价函数，对整个可达状态空间进行正向寻优，获得包含不同末状态所有控制序列的最优解集，对该最优解集进行逆向求解，获得最优决策序列。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1包括：S11通过燃料电池系统效率—燃料电池系统功率输出特性曲线，获得每一时刻的燃料电池输出功率和对应效率；S12将动力电池系统等效为电源与内阻的串联电路，获得用于模拟动力电池系统在充放电过程中端电压和荷电状态SOC的动态过程的式V
B
＝V
OC
‑
i
B
·
R
B
, (1)和荷电状态SOC用于表征动力电池的剩余电量，通过表示，并通过安时法求解；式中，V
OC
为电池的开路电压，i
B
为电池的电流，R
B
为电池内阻，V
B
为电池两端电压，P
B
为电池的功率，Q代表电池剩余容量，Q
C
表示电池充满电时容量，SOC
initial
表示动力电池的初始荷电状态；S13基于汽车行驶的动力学方程建立车辆纵向动力学模型，获得车辆在行驶过程中的受力，表达式为F
t
＝F
r
+F
a
+F
g
+F
j
, (5)和式中，F
t
为车辆的驱动力，F
r
为车辆所受的滚动阻力，F
a
为空气阻力，F
g
为坡度阻力，F
j
为加速阻力，m为车辆质量，f为车轮滚阻系数，θ为行使路面的坡度角，A为迎风面积，C
d
为空气阻力系数，v为行驶车速，δ为旋转质量转换系数，g为重力加速度；
S14根据式(1)至(6)获得车辆行驶过程中的功率平衡方程和式中，P
t
是驱动车辆行驶所需的功率，η
t
为传动系的机械效率，i
s
为道路坡度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：S21将所述每时刻的燃料电池输出功率作为控制变量u，将所述动力电池SOC作为第一状态变量x，构建所述第一状态转移方程SOC
k+1
＝SOC
k
+
△
SOC (9)；式中，SOC
k
表示k时刻的SOC值，ΔSOC表示从k时刻到k+1时刻的SOC变化量，ΔSOC表示从k时刻到k+1时刻的SOC变化量，控制变量u的取值通过式获得；式中，表示燃料电池输出功率；S22将所述第一状态转移方程进行转换，获得SOC
k+1
＝f(SOC
k
,P
fc,k
) (11)。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3包括：S31将所述每时刻的燃料电池输出功率作为第二状态变量，构建所述第二状态转移方程式中，表示k时刻作为状态变量的FC输出功率；
△
P
fc
表示单位时间内燃料电池输出功率的变化量，该变化量的范围通过式
△
P
fc,min
≤
△
P
fc
＜
△
P
fc,max

【专利技术属性】
技术研发人员：张欣，吕沁阳，张昕，田颖，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：