一种基于健康管控的混合动力能量分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于健康管控的混合动力能量分配方法，涉及混合动力能量分配领域，旨在解决现有技术中锂电池SOC的估计不精确的问题，采用的技术方案是，建立PEMFC内部水含量分布模型；分析催化层水含量建模机理；进行催化层中铂粒子团聚对水含量影响的机理建模；估计锂电池SOC；UKF算法联合估计锂电池SOC；通过建立PEMFC内部水含量模型，并将催化层铂粒子团聚考虑进影响水含量的因素中，分析水含量对PEMFC健康状态的影响；使用UKF算法联合估计锂电池SOC和模型参数，保证在估计锂电池SOC过程中所基于的等效电路模型的实时准确性；在功率分配的过程中，同时对PEMFC和锂电池的健康状态进行管控，保证两个动力源的性能衰减较少，从而延长混合动力系统的寿命。从而延长混合动力系统的寿命。从而延长混合动力系统的寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于健康管控的混合动力能量分配方法


[0001]本专利技术涉及混合动力能量分配领域，具体为一种基于健康管控的混合动力能量分配方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)具有清洁、高效、无污染的特点，在新能源汽车领域得到了广泛的应用，PEMFC工作在常温环境，相对于其他燃料电池，其更便于使用，且PEMFC体积小、重量轻，噪声较小，很适合用于新能源汽车。
[0003]但是PEMFC具有功率响应缓慢的固有缺陷，将其与辅助能源一起组成混合动力系统是弥补其缺陷的一种行之有效的方式，目前已有很多学者研究混合动力系统，研究方向主要集中在能量分配策略，但传统的能量分配策略往往只关注如何协调动力源之间的功率分配，忽略了动力源的性能损耗，而混合动力系统的性能衰减是限制其寿命延长的关键因素，因此在功率分配的过程中对PEMFC和锂电池进行健康管控十分必要。
[0004]内部水含量分布不合理是造成电堆性能衰减的主要因素，水含量过多或者过少都会严重影响燃料电池性能，但水含量分析是一个涉及流动、传热、气液化等的复杂问题。已经有很多学者研究PEMFC内部水含量的分布，有些学者使用可视化的技术，在系统运行过程中实时观察其内部水含量的分布，采集相关数据，借此来分析水含量对电堆发电性能的影响，但可视化技术实时性较差；有些学者建立电堆内部水含量一维、二维或者三维模型，依据模型来研究水含量对电堆性能影响；但很少有学者关注催化层铂粒子团聚与水含量之间的耦合关系，催化层是水分产生的地方，铂粒子是组成催化层的主要材料，因此将铂粒子团聚考虑进影响电堆内部水含量分布因素中十分有研究意义。
[0005]针对混合动力系统中锂电池的健康管控研究，很多学者使用锂电池SOC作为反映其健康状态的指标，相对于电压、电流等指标，SOC与锂电池健康状态之间有更强的关联。但锂电池SOC的精确估计仍是一个难点，以往对SOC的估计往往基于其静态的等效电路模型，而随着锂电池的运行，其性能会逐渐改变，也即是其模型参数会变化，基于此，开发实时变化的等效电路模型以使估计SOC更精确很有必要。

技术实现思路

[0006]鉴于现有技术中所存在的问题，本专利技术公开了一种基于健康管控的混合动力能量分配方法，采用的技术方案是，包括以下步骤：步骤1，建立PEMFC内部水含量分布模型：假设在扩散层到催化层存在一个气态水和液态水的分界面，计算气液分界面的位置，气液分界面位置计算公式为：
其中x_interface是气液分界面位置，C
sat
是饱和水蒸气浓度，J
water
为净水通量，一般认为是i/2F，D
v
是指蒸汽扩散率，ε
gdl
表示气体扩散层的孔隙率，C
v_gc
是扩散层与气体流道分界面的水蒸气浓度；C
v_gc
的计算公式为：C
v_gc
＝J
water
/h
v
+C
gc
C
v_gc
＝J
water
/h
v
+C
gc
公式中的h
v
为水蒸气对流传质系数，C
gc
是稳态时气体流道内水蒸气浓度；C
gc
的计算公式为：C
gc
＝(J
water
L
ch
/H
ch
+V
g_in
C
v_in
)/V
g_out
C
gc
＝(J
water
L
ch
/H
ch
+V
g_in
C
v_in
)/V
g_out
公式中，J
water
为净水通量，L
ch
表示流道的长度，H
ch
表示流道的厚度，V
g_in
表示入口处气体流速，V
g_out
表示出口处气体流速，C
v_in
表示进口水蒸气浓度，进出口流速和进口水蒸气浓度均会影响电堆内部的水含量；步骤2，分析催化层水含量建模机理，结合气液分界面位置计算公式、C
v_gc
的计算公式、C
gc
的计算公式可求出处于阴极扩散层和催化层之间的气液分界面位置，接下来就是分析催化层水含量建模机理，在催化层存在三种形态的水：气态水、液态水、膜中水，膜中水指的是与电解质结合的水，这三中形态的水之间可以相互转化；其中膜中水和电堆内部液态水之间的转化公式为：公式中，M
H2O
表示水分子量，ε
cl
表示催化层孔隙率，ρ
mem
表示干膜密度，M
ew
指干膜的等效摩尔质量，s
ccl
指的是阴极催化层液态水饱和度，λ
ccl
表示阴极催化层所在位置的膜中水含量，λ
eq_l
表示液态平衡水含量，D
nmw
表示膜内水的扩散系数，i
fc
指的是电流密度，r
lconv
指液态水凝结系数；气态水与膜中水之间的相互转化公式为：其中r
vconv
表示气态水凝结系数，λ
eq_sat
表示饱和平衡水含量，λ
eq_v
表示催化层气态平衡水含量；对于膜中水和电堆内部液态水之间的转化公式和气态水与膜中水之间的相互转化公式中的液态水饱和度s
ccl
，可由s
ccl
公式求得其中θ
c
指的是扩散层接触角，这里取110
°
，对s
ccl
公式进行积分得s
ccl
积分公式：
可得到液态水饱和度的稳态分布解，取x＝L
gdl
+L
cl
即可得到催化层液态水饱和度s
ccl
；对于膜中水和电堆内部液态水之间的转化公式和气态水与膜中水之间的相互转化公式中的平衡水含量λ
eq
可根据λ
eq
公式求取：其中a为催化层中的水活度，即a＝C
v_cl
/C
sat
公式中C
sat
表示饱和水蒸气浓度，公式中的C
gc
可由所述C
gc
的计算公式求取，C
v_cl
指的是催化层水蒸气浓度，可通过C
v_cl
公式计算而得：综合膜中水和电堆内部液态水之间的转化公式和气态水与膜中水之间的相互转化公式，可得气态水、液态水与膜中水之间的转化公式：由气态水、液态水与膜中水之间的转化公式可求得气态水和液态水与膜中水之间得转化量J
ion_cl
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于健康管控的混合动力能量分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立PEMFC内部水含量分布模型：假设在扩散层到催化层存在一个气态水和液态水的分界面，计算气液分界面的位置，气液分界面位置计算公式为：其中x_interface是气液分界面位置，C
sat
是饱和水蒸气浓度，J
water
为净水通量，一般认为是i/2F，D
v
是指蒸汽扩散率，ε
gdl
表示气体扩散层的孔隙率，C
v_gc
是扩散层与气体流道分界面的水蒸气浓度；C
v_gc
的计算公式为：C
v_gc
＝J
water
/h
v
+C
gc
C
v_gc
＝J
water
/h
v
+C
gc
公式中的h
v
为水蒸气对流传质系数，C
gc
是稳态时气体流道内水蒸气浓度；C
gc
的计算公式为：C
gc
＝(J
water
L
c
h/H
c
h+V
g_in
C
v_in
)/V
g_out
C
gc
＝(J
water
L
c
h/H
c
h+V
g_in
C
v_in
)/V
g_out
公式中，J
water
为净水通量，L
ch
表示流道的长度，H
ch
表示流道的厚度，V
g_in
表示入口处气体流速，V
g_out
表示出口处气体流速，C
v_in
表示进口水蒸气浓度，进出口流速和进口水蒸气浓度均会影响电堆内部的水含量；步骤2，分析催化层水含量建模机理，在催化层存在三种形态的水：气态水、液态水、膜中水，膜中水指的是与电解质结合的水，这三中形态的水之间可以相互转化；其中膜中水和电堆内部液态水之间的转化公式为：公式中，M
H2O
表示水分子量，ε
cl
表示催化层孔隙率，ρ
mem
表示干膜密度，M
ew
指干膜的等效摩尔质量，s
ccl
指的是阴极催化层液态水饱和度，λ
ccl
表示阴极催化层所在位置的膜中水含量，λ
eq_l
表示液态平衡水含量，D
nmw
表示膜内水的扩散系数，i
fc
指的是电流密度，r
lconv
指液态水凝结系数；气态水与膜中水之间的相互转化公式为：其中r
vconv
表示气态水凝结系数，λ
eq_sat
表示饱和平衡水含量，λ
eq_v
表示催化层气态平衡水含量；对于膜中水和电堆内部液态水之间的转化公式和气态水与膜中水之间的相互转化公式中的液态水饱和度s
ccl
，可由s
ccl
公式求得
其中θ
c
指的是扩散层接触角，这里取110
°
，对s
ccl
公式进行积分得s
ccl
积分公式：可得到液态水饱和度的稳态分布解，取x＝L
gdl
+L
cl
即可得到催化层液态水饱和度s
ccl
；对于膜中水和电堆内部液态水之间的转化公式和气态水与膜中水之间的相互转化公式中的平衡水含量λ
eq
可根据λ
eq
公式求取：其中a为催化层中的水活度，即a＝C
v_cl
/C
sat
公式中C
sat
表示饱和水蒸气浓度，公式中的C
gc
可由所述C
gc
的计算公式求取，C
v_cl
指的是催化层水蒸气浓度，可通过C
v_cl
公式计算而得：综合膜中水和电堆内部液态水之间的转化公式和气态水与膜中水之间的相互转化公式，可得气态水、液态水与膜中水之间的转化公式：由气态水、液态水与膜中水之间的转化公式可求得气态水和液态水与膜中水之间得转化量J
ion_cl
，进而将其带入催化层水含量公式：步骤3，进行催化层中铂粒子团聚对水含量影响的机理建模：首先计算阴极催化层的孔隙率ε
cl
，ε
cl
的计算公式如下：ε
cl
＝1
‑
ε
pt/c
‑
wε
cl
＝1
‑
ε
pt/c
‑
w
其中ε
cl
即为催化层孔隙率，ε
pt/c
表示支撑铂的碳载体的体积分数，w表示电解质体积分数；碳载体的体积分数ε
pt/c
可通过ε
pt/c
计算公式计算而得：其中，m
pt
表示阴极单位面积铂粒子的质量载荷，δ
cl
是指催化层厚度，ρ
pt
表示铂的密度，Ratio
pt/c
表示单位体积内Pt和C的比例，Ratio
pt/c
的计算公式如下：Ratio
pt/c
＝m
pt
/(m
pt
+m
c
)其中，m
pt
表示阴极单位面积铂粒子的质量载荷，m
c
表示阴极单位面积碳的质量载荷；ε
cl
的计算公式中的电解质体积分数w可由w计算公式计算而得：的计算公式中的电解质体积分数w可由w计算公式计算而得：的计算公式中的电解质体积分数w可由w计算公式计算而得：其中w
agg
表示团聚体体积分数，一般是一个定值；δ
m
表示催化层中电解质膜厚度，N表示单位体积的团聚体数量；r
agg
表示团聚体半径，团聚半径r
agg
计算公式如下：其中r
t,agg
指的是t时刻团聚体半径，r
0,agg
表示团聚体的初始半径，R
0,pt
表示铂粒子初始半径，k
d
计算公式如下：其中，Ω
pt
表示铂的摩尔体积；D
pt,i
表示铂粒子单体相中的铂扩散系数；R为气体摩尔常数；T为温度；C

【专利技术属性】
技术研发人员：黄旭锐，杨波，潘军，于丰源，杨怡萍，卢彦杉，徐钦，郑海光，张行，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司广州供电局，
类型：发明
国别省市：