一种燃料电池汽车车速规划与能量管理的联合优化方法技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池汽车车速规划与能量管理的联合优化方法，包括以下步骤：S1：结合车辆关键技术参数和车辆动力系统功率拓扑结构，建立车辆动力学模型；S2：分别对车辆动力学模型中燃料电池系统模型、电机系统模型和动力电池系统模型进行凸化处理；S3：结合交通信号灯信息，建立交通信号配时模型；S4：基于车辆动力学模型和交通信号配时模型，利用双层动态规划算法求解燃料电池汽车通过多信号灯的车速规划问题，生成一条最优车速轨迹；S5：利用凸优化算法求解S4生成的最优车速轨迹下车辆的能量管理问题；解决了燃料电池汽车在多连续信号灯场景下的车速规划和能量管理联合优化的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池汽车车速规划与能量管理的联合优化方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池汽车的车速规划
和能量管理
，特别是一种燃料电池汽车车速规划与能量管理的联合优化方法。

技术介绍

[0002]目前，环境污染和能源短缺已成为汽车产业发展面临的两大难题。燃料电池汽车作为新能源汽车的重要分支，具有高效、清洁、零污染的优势，逐渐成为行业的研究热点。
[0003]能量管理策略是燃料电池汽车领域研究的热点和难点，是燃料电池汽车的核心技术，其直接决定了整车的经济性、动力性及驾驶性等，具有十分重要的意义。能量管理的主要任务是在满足驾驶员需求功率前提下，实现对动力源功率或转矩的优化分配，使整车性能最佳。对于燃料电池汽车而言，受限于燃料电池电堆功率性能的影响，通常会匹配一块动力电池与燃料电池发动机协同工作，这样的动力系统是一个非线性、多变量、时变的复杂系统。通过能量管理实现各动力源功率的合理分配，可以提高整车系统性能。
[0004]此外，随着电子信息领域新技术的发展，物联网、云计算、大数据等新技术正在向传统行业渗透，为从交通行为和路网系统的角度进行车辆能量优化提供了新的契机。在汽车行业，网联化和自动化汽车逐渐成为研究热点，并且正在引起行业的巨大变革。汽车的网联化可以让车辆更好的感知路况信息，如道路限速、交通信号灯信息等，提高行车的安全性和便捷性。车辆的自动化不断推进车载计算机的计算能力，让车辆能够更好的融合交通信息实现车速规划和整车能量管理。基于交通信息，合理的规划车辆的行车速度以降低燃料消耗逐渐成为整车能量管理的一个重要研究方向。
[0005]纵观国内外研究，在不同的路况信息下针对传统燃油车、电动车、混合动力汽车的车速规划和能量管理解决方案均被提出，但是关于燃料电池汽车在多连续信号灯场景下的车速规划和能量管理联合优化的研究仍处于空白阶段，是一个亟待解决的科学问题。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种燃料电池汽车车速规划与能量管理的联合优化方法，解决了现有技术中存在的缺陷。
[0007]一种燃料电池汽车车速规划与能量管理的联合优化方法，包括以下步骤：S1：结合车辆关键技术参数和车辆动力系统功率拓扑结构，建立车辆动力学模型；S2：分别对车辆动力学模型中燃料电池系统模型、电机系统模型和动力电池系统模型进行凸化处理；S3：结合交通信号灯信息，建立交通信号配时模型；S4：基于车辆动力学模型和交通信号配时模型，利用双层动态规划算法求解燃料电池汽车通过多信号灯的车速规划问题，生成一条最优车速轨迹；S5：利用凸优化算法求解S4生成的最优车速轨迹下车辆的能量管理问题。
[0008]优选地，S1的车辆动力学模型包括：车辆运行状态分析、车辆纵向动力学模型、燃
料电池系统模型、电机系统模型和动力电池系统模型。
[0009]优选地，S1中建立车辆动力学模型包括以下子步骤：S11：对车辆运行状态进行分析；S12：车辆运动过程中，电机的机械功率始终能满足车辆的需求功率，；S13:车辆的状态可分为两种类型：驱动模式和制动模式；S14：在驱动模式中，燃料电池发动机和动力电池共同向电机供能，由电机驱动车辆向前行驶，能量传递关系如下：其中，是电机的电功率，是电机的效率，是动力电池的电能，是燃料电池系统的输出功率，是和的耦合功率，是DC/AC转换器的效率， 是DC/DC转换器的效率；S15：在制动模式下，燃料电池发动机关闭，电机将制动产生的能量转换为电能并存储在动力电池中，能量传递关系如下：S16：建立车辆纵向动力学模型，根据纵向动力学，车辆行驶过程中需求功率表示如下：其中，为滚动阻力系数，和为滚动阻力常数，为整车重量，为车速，为空气密度，为正面面积，为空气阻力，为重力加速度；S17：建立燃料电池系统模型及其凸模型；燃料电池系统将氢氧电化学反应产生的化学能转化为电能，并输出功率，所以燃料电池系统瞬时耗氢量可以计算如下：
其中，是燃料电池系统效率，是氢气的低热值，结合燃料电池系统的工作效率，将燃料电池系统的化学能拟合成关于输出功率的二次函数：其中为拟合系数，均为常数；此外，由于燃料电池系统的瞬态响应速度较慢，在运行过程中受到以下限制；其中，为的功率变化率，为最大升速功率，为最大降速功率；S18：建立电机系统模型及其凸模型；将电机的电功率拟合为与电机扭矩相关的二次函数；其中，为拟合系数，均大于0且随电机转速不断变化；S19：建立动力电池系统模型及其凸模型，将动力电池系统简化为简单的电路模型，通过动力电池开路电压和内阻，将动力电池的化学能表示成与电能有关的函数：求出上式的反函数动力电池总能量和电池荷电状态可表示为其中，是动力电池总能量的初始值，是动力电池的额定容量。
[0010]优选地，S3中建立交通信号配时模型，包括以下步骤：S31：假设在一条长度为的路线上有个信号灯；S32：从起点到第个信号灯的距离定义为，有，交通灯的周期时间为，每个周期包括
红灯时间和绿灯时间和绿灯时间S33：如果车辆通过第个信号灯时的行驶时间为，则车辆通过该信号灯时该信号灯的周期时刻为其中，表示车辆出发时交通信号灯在自身周期中运行的时刻。
[0011]优选地，S4中利用双层动态规划算法求解车速规划问题，包括以下步骤：S41.通过离线动态规划算法进行电量维持型仿真，计算车辆以不同速度匀速行驶一段足够长距离时的总耗氢量，除以行驶距离，得到每米平均耗氢量，然后绘制出不同速度下的耗氢图，S42.参考改进的智能驾驶员模型到达时间，找到车辆到达终点的平均速度，并建立车辆到达的时间距离轨迹，找到最接该轨迹的所有信号灯的绿灯区域及其邻近域作为可通行的时域，将每个可通行区域分成段，画出通行时域内的所有路线，并根据道路限速度从中选出可通行路线，基于匀速氢耗图，计算车辆以平均速度从个信号灯到第个信号灯的耗氢量，最后绘制行车路线氢耗加权图，S43.在得到行车路线氢耗加权图后，以氢的消耗作为优化目标，使用动态规划算法计算车辆通过每个信号灯的具体时间，并得到最佳匀速行驶路线,是用来表示从个信号灯到第个信号灯的耗氢量,其中，表示目标函数从第个信号灯到达终点的最小耗氢量；S44.在S43中，已经计算车辆通过每个信号灯的具体时间，并知道每个信号灯距离出发点的距离,利用全局动态规划求解车辆在每两个信号灯之间的最佳速度轨迹,为了简
化问题和提高计算效率，我们认为耦合功率的累积值越小，车辆的氢耗就越低,目标函数可以表示为：其中,状态变量和控制变量的设置如下：状态转移方程为：。
[0012]优选地，S5中利用凸优化算法求解S4生成的最优车速轨迹下车辆的能量管理问题，包括以下步骤：S51.利用凸优化中的交替方向乘子法求解能量管理问题，由于燃料电池发动机在制动模式下关闭，所以我们只需要考虑驱动模式下的氢气消耗,由于是一个常数，并且不影响优化结果，因此在优化过程中可忽略。然后得到累积氢消耗量的目标函数,其中,和为动力电池的最大和最小化学能，和分别为燃料电池系统的最大和最小输出功率，和分别为动力电池SoC的最大值和最小值,本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池汽车车速规划与能量管理的联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：结合车辆关键技术参数和车辆动力系统功率拓扑结构，建立车辆动力学模型；S2：分别对车辆动力学模型中燃料电池系统模型、电机系统模型和动力电池系统模型进行凸化处理；S3：结合交通信号灯信息，建立交通信号配时模型；S4：基于车辆动力学模型和交通信号配时模型，利用双层动态规划算法求解燃料电池汽车通过多信号灯的车速规划问题，生成一条最优车速轨迹；S5：利用凸优化算法求解S4生成的最优车速轨迹下车辆的能量管理问题。2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车车速规划与能量管理的联合优化方法，其特征在于，所述S1的车辆动力学模型包括：车辆运行状态分析、车辆纵向动力学模型、燃料电池系统模型、电机系统模型和动力电池系统模型。3.根据权利要求1所述的燃料电池汽车车速规划与能量管理的联合优化方法，其特征在于，所述S1中建立车辆动力学模型包括以下子步骤：S11：对车辆运行状态进行分析；S12：车辆运动过程中，电机的机械功率始终能满足车辆的需求功率，；S13:车辆的状态可分为两种类型：驱动模式和制动模式；S14：在驱动模式中，燃料电池发动机和动力电池共同向电机供能，由电机驱动车辆向前行驶，能量传递关系如下：其中，是电机的电功率，是电机的效率，是动力电池的电能，是燃料电池系统的输出功率，是和的耦合功率，是DC/AC转换器的效率， 是DC/DC转换器的效率；S15：在制动模式下，燃料电池发动机关闭，电机将制动产生的能量转换为电能并存储在动力电池中，能量传递关系如下：S16：建立车辆纵向动力学模型，根据纵向动力学，车辆行驶过程中需求功率表示如下：
其中，为滚动阻力系数，和为滚动阻力常数，为整车重量，为车速，为空气密度，为正面面积，为空气阻力，为重力加速度；S17：建立燃料电池系统模型及其凸模型；燃料电池系统将氢氧电化学反应产生的化学能转化为电能，并输出功率，所以燃料电池系统瞬时耗氢量可以计算如下：其中，是燃料电池系统效率，是氢气的低热值，结合燃料电池系统的工作效率，将燃料电池系统的化学能拟合成关于输出功率的二次函数：其中为拟合系数，均为常数；此外，由于燃料电池系统的瞬态响应速度较慢，在运行过程中受到以下限制；其中，为的功率变化率，为最大升速功率，为最大降速功率；S18：建立电机系统模型及其凸模型；将电机的电功率拟合为与电机扭矩相关的二次函数；其中，为拟合系数，均大于0且随电机转速不断变化；S19：建立动力电池系统模型及其凸模型，将动力电池系统简化为简单的电路模型，通过动力电池开路电压和内阻，将动力电池的化学能表示成与电能有关的函数：求出上式的反函数
动力电池总能量和电池荷电状态可表示为其中，是动力电池总能量的初始值，是动力电池的额定容量。4.根据权利要求1所述的燃料电池汽车车速规划与能量管理的联合优化方法，其特征在于，所述S3中建立交通信号配时模型，包括以下步骤：S31：假设在一条长度为的路线上有个信号灯；S32：从起点到第个信号灯的距离定义为，有，交通灯的周期时间为，每个周期包括红灯时间和绿灯时间和绿灯时间S33：如果车辆通过第个信号灯时的行驶时间为，则车辆通过该信号灯时该信号灯的周期时刻为其中，表示车辆出发时交通信号灯在自身周期中运行的时刻。5.根据权利要求1所述的燃料电池汽车车速规划与能量管理的联合优化方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏小栋，孙超，冷江昊，孙逢春，任强，
申请(专利权)人：广州汽车集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：