一种氢电混合动力系统的功率优化分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种氢电混合动力系统的功率优化分配方法，包括：分别建立氢耗、燃料电池寿命损耗以及动力电池损耗与燃料电池输出功率的函数关系；将所述氢耗、燃料电池寿命损耗以及动力电池损耗进行叠加，以建立运行成本优化的目标函数；利用迭代算法求解出所述目标函数最小时对应的燃料电池输出功率，并将其作为燃料电池最优输出功率；将所述负载的实时需求功率减去所述燃料电池最优输出功率，以相应得到所述动力电池的输出功率。本发明专利技术提供的功率优化分配方法通过建立关于系统氢耗、燃料电池寿命损耗以及动力电池损耗的优化目标函数，并运用迭代算法，寻求使得目标函数最优的燃料电池输出功率，实现系统的功率优化分配。实现系统的功率优化分配。实现系统的功率优化分配。

【技术实现步骤摘要】
一种氢电混合动力系统的功率优化分配方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池汽车及船舶
，特别涉及一种氢电混合动力系统的功率优化分配方法。

技术介绍

[0002]化石能源不可再生带来的能源紧缺问题以及其过度使用导致的环境问题日益严峻，而氢能具有清洁、可再生、热值高的特点，有望成为解决能源和环境问题的突破点。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种以氢气为燃料、氧气为氧化物的新型发电装置，因其运行温度较低，而能量转化效率较高，广泛应用于汽车、船舶等动力系统中。由于PEMFC动态响应速度较慢，而汽车、船舶等的运行工况复杂多变，负载含有大量高频成分，而单一的燃料电池不能满足系统的负载需求，因此如何在高频环境下经济有效地利用燃料电池就成为了一个亟需解决的问题。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术的问题，本专利技术提供了一种氢电混合动力系统的功率优化分配方法，所述技术方案如下：
[0004]本专利技术提供了一种氢电混合动力系统的功率优化分配方法，所述氢电混合动力系统采用燃料电池和动力电池联合的方式向负载供电，所述燃料电池以氢气为燃料；
[0005]所述功率优化分配方法包括以下步骤：
[0006]S1、分别建立氢耗、燃料电池寿命损耗以及动力电池损耗与燃料电池输出功率的函数关系；
[0007]S2、将所述氢耗、燃料电池寿命损耗以及动力电池损耗进行叠加，以建立运行成本优化的目标函数；
[0008]S3、利用迭代算法求解出所述目标函数最小时对应的燃料电池输出功率，并将其作为燃料电池最优输出功率；
[0009]S4、将所述负载的实时需求功率减去所述燃料电池最优输出功率，以相应得到所述动力电池的输出功率。
[0010]进一步地，在步骤S2中，所述目标函数的初步表达式如下：
[0011][0012]式中，P0为燃料电池额定功率，Q0为动力电池额定容量，a1为当前氢气单价，a2为所述燃料电池单位功率价格，a3为所述动力电池单位容量价格，为所述燃料电池瞬时氢耗速率，L
fc
(P
fc
)为所述燃料电池寿命瞬时衰退率，L
bat
(P
req
‑
P
fc
)为所述动力电池寿命瞬时衰退率，P
fc
为所述燃料电池输出功率；P
req
为所述负载实时需求功率。
[0013]进一步地，在步骤S2和步骤S3之间，还包括：
[0014]将基于所述燃料电池输出功率和动力电池的SOC设计的惩罚函数g(P
fc
,SOC)叠加
至所述目标函数J(P
fc
)，以得到更新后的目标函数
[0015][0016]将更新后的目标函数放入步骤S3中进行迭代计算，以得到相应的燃料电池最优输出功率。
[0017]进一步地，所述惩罚函数的设计包括以下步骤：
[0018]P1、计算数据采样周期T0下的SOC变化量，记作ΔSOC，
[0019][0020]式中，P
req
为负载的实时需求功率，P
fc
为燃料电池输出功率，V
oc
为动力电池开路电压；V
nom
为动力电池额定电压；r为动力电池内阻，T0为数据采样周期，Q0为动力电池额定容量；
[0021]P2、根据所述燃料电池的输出功率范围，计算ΔSOC的最大值和最小值，
[0022]ΔSOC
max
＝f(P
fc
)
max
[0023]ΔSOC
min
＝f(P
fc
)
min
[0024]P3、归一化ΔSOC并设置关于所述动力电池的SOC偏移量：
[0025][0026]P4、根据动力电池当前SOC所处区间配置惩罚系数k；
[0027]P5、由惩罚系数k和函数构造如下惩罚函数：
[0028][0029]进一步地，所述惩罚系数k的配置方法包括：
[0030]当所述动力电池当前SOC在区间[SOC1,SOC2]范围内时，惩罚系数的取值比J(P
fc
)函数值小一个数量级，其中，[SOC1,SOC2]为动力电池最优SOC区间；
[0031]当所述动力电池当前SOC在设定值[SOC0,SOC1)以及(SOC2.SOC3]范围内，惩罚系数的取值与J(P
fc
)函数值处于同一个数量级，其中，SOC0为动力电池过放时对应SOC临界值，SOC3为动力电池过充时对应的SOC临界值；
[0032]当所述动力电池当前SOC在[0,SOC0)和(SOC3,1]范围内，惩罚系数的取值比J(P
fc
)函数值大一个数量级。
[0033]进一步地，在步骤S3中，
[0034]采用粒子群迭代算法，求解在P
fc
约束条件下，使得所述目标函数最小时的燃料电池输出功率，其中，粒子群迭代包括以下步骤：
[0035]A1、初始化粒子群的种群大小N以及迭代次数M，初始化迭代次数j＝0，初始化局部最小值和全局最小值随机分布粒子初始位置和初始速度至可行域内：
[0036][0037][0038]式中，v
min
为粒子最小速度，v
max
为粒子最大速度，P0为燃料电池额定功率；
[0039]A2、计算该轮迭代中每个粒子所对应的目标函数值若则令保存当前函数值所对应粒子位置
[0040]A3、比较和若则令保存当前全局最小值所对应的粒子位置
[0041]A4、判断当前迭代次数j是否达到设定值M；若达到，则取为目标函数最优解，使得燃料电池最优输出功率结束算法；若未达到，令j＝j+1，更新粒子位置和速度：
[0042][0043][0044]式中，w为权重系数，用于调整搜索范围，c1和c2为加速度常数，r1＝rand(0,1)，r2＝rand(0,1)；
[0045]A5、返回步骤A2继续执行。
[0046]进一步地，所述燃料电池瞬时氢耗速率的获取方法包括：
[0047]实时采集燃料电池节电压，并计算节电压平均值，记作根据电荷守恒求得燃料电池瞬时氢耗速率与燃料电池输出功率P
fc
关系，
[0048][0049]进一步地，所述燃料电池寿命瞬时衰退率的计算方法包括以下步骤：
[0050]B1、根据燃料电池电压衰退规律计算在输出功率P
fc
下燃料电池电压衰退量V
loss
，
[0051][0052]式中，k1为燃料电池低负载下电压衰退速率，k2为燃料电池变载电压衰退速率，k3为燃料电池高负载下电压衰退速率；ΔP
fc
为燃料电池较上一采样时刻功率变化量绝对值；P
low
、P
high
分别为燃料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢电混合动力系统的功率优化分配方法，其特征在于，所述氢电混合动力系统采用燃料电池和动力电池联合的方式向负载供电，所述燃料电池以氢气为燃料；所述功率优化分配方法包括以下步骤：S1、分别建立氢耗、燃料电池寿命损耗以及动力电池损耗与燃料电池输出功率的函数关系；S2、将所述氢耗、燃料电池寿命损耗以及动力电池损耗进行叠加，以建立运行成本优化的目标函数；S3、利用迭代算法求解出所述目标函数最小时对应的燃料电池输出功率，并将其作为燃料电池最优输出功率；S4、将所述负载的实时需求功率减去所述燃料电池最优输出功率，以相应得到所述动力电池的输出功率。2.根据权利要求1所述的功率优化分配方法，其特征在于，在步骤S2中，所述目标函数的初步表达式如下：式中，P0为燃料电池额定功率，Q0为动力电池额定容量，a1为当前氢气单价，a2为所述燃料电池单位功率价格，a3为所述动力电池单位容量价格，为所述燃料电池瞬时氢耗速率，L
fc
(P
fc
)为所述燃料电池寿命瞬时衰退率，L
bat
(P
req
‑
P
fc
)为所述动力电池寿命瞬时衰退率，P
fc
为所述燃料电池输出功率；P
req
为所述负载实时需求功率。3.根据权利要求2所述的功率优化分配方法，其特征在于，在步骤S2和步骤S3之间，还包括：将基于所述燃料电池输出功率和动力电池的SOC设计的惩罚函数g(P
fc
,SOC)叠加至所述目标函数J(P
fc
)，以得到更新后的目标函数)，以得到更新后的目标函数将更新后的目标函数放入步骤S3中进行迭代计算，以得到相应的燃料电池最优输出功率。4.根据权利要求3所述的功率优化分配方法，其特征在于，所述惩罚函数的设计包括以下步骤：P1、计算数据采样周期T0下的SOC变化量，记作ΔSOC，式中，P
req
为负载的实时需求功率，P
fc
为燃料电池输出功率，V
oc
为动力电池开路电压；V
nom
为动力电池额定电压；r为动力电池内阻，T0为数据采样周期，Q0为动力电池额定容量；P2、根据所述燃料电池的输出功率范围，计算ΔSOC的最大值和最小值，ΔSOC
max
＝f(P
fc
)
max
ΔSOC
min
＝f(P
fc
)
min
P3、归一化ΔSOC并设置关于所述动力电池的SOC偏移量：
P4、根据动力电池当前SOC所处区间配置惩罚系数k；P5、由惩罚系数k和函数构造如下惩罚函数：5.根据权利要求4所述的功率优化分配方法，其特征在于，所述惩罚系数k的配置方法包括：当所述动力电池当前SOC在区间[SOC1,SOC2]范围内时，所述惩罚系数的取值比J(P
fc
)函数值小一个数量级，其中，[SOC1,SOC2]为动力电池最优SOC区间；当所述动力电池当前SOC在设定值[SOC0,SOC1)以及(SOC2.SOC3]范围内，所述惩罚系数的取值与J(P
fc
)函数值处于同一个数量级，其中，SOC0为动力电池过放时对应SOC临界值，SOC3为动力电池过充时对应的SOC临界值；当所述动力电池当前SOC在[0,SOC0)和(SOC3,1]范围内，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐煜，李顺然，黄酿涛，
申请(专利权)人：苏州市华昌能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：