一种考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法和装置

本发明涉及一种考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法和装置，属于动力电池。

背景技术：

1、日益严峻的能源危机和环境问题推动了新能源汽车的发展。在各种新能源汽车中，燃料电池汽车具有更长的续航里程、更高的能量密度以及更短的补能时间，被视为未来最有前景的清洁能源汽车。然而，单一燃料电池作为车辆动力源时，存在响应速度慢和无法回收制动能量等问题。因此，燃料电池汽车通常采用燃料电池和辅助动力源组成的混合动力系统。但多动力源的存在使动力系统的能量流动变得复杂。为保证各动力源之间可靠和高效的工作，需要设计合理的能量管理策略来分配各动力源的能量。

2、根据控制原理的不同，能量管理策略可分为基于规则、基于优化和基于学习的能量管理策略。基于规则的能量管理策略需要根据经验制定功率分配的规则表，并结合系统当前状态参数来确定功率分配。常见的基于规则的能量管理策略包括确定性规则和模糊规则。基于优化的能量管理策略主要是利用混合动力系统的状态参数建立成本函数，并在不同的约束条件下求解成本函数最小值。基于优化的能量管理策略通常分为全局优化策略和局部优化策略。基于全局优化的能量管理策略中常用的为动态规划和极小值原理。基于局部优化的能量管理策略有等效氢耗最小策略、模型预测控制等。近年来，随着人工智能技术的发展，基于学习的策略逐步成为燃料电池能量管理领域的研究热点，目前可以分为基于神经网络和基于强化学习两类。

3、基于规则的能量管理策略，受限于已有经验和知识，并且难以达到最优控制效果。基于学习的能量管理策略需要大量训练数据及训练时间。当数据量较小或者训练时间有限时，很难保证获得良好的控制效果。相比之下，基于全局优化的能量管理策略可以实现全局最优经济性，但不适用于实时控制。基于局部优化的能量管理策略在实时控制中响应速度较快，并且能够在局部范围内寻找最优解。此外，与基于规则和基于学习的策略相比，它对工程经验和训练数据的要求较低。在基于局部优化的能量管理策略中，等效氢耗最小策略应用较为广泛。其核心思想是将动力电池的电能消耗转换为等效氢耗，并以实现总等效氢耗最小为目标实现能量分配。当前，关于等效氢耗最小策略的研究侧重于两个方面。其一，通过增加等效氢耗系数的自适应性，以改善混合动力系统的经济性作为单一优化目标。其二，以改善混合动力系统的经济性和耐久性作为多优化目标。

4、综上所述，研究对象不论是单一优化目标还是多优化目标，均局限于燃料电池静态模型，忽视了燃料电池的内在特性，当负载快速变化时，燃料电池由于滞后性的存在，会导致燃料电池无法及时工作在最佳功率输出点，对混合动力系统经济性产生负面影响。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法和装置，本发明通过提出的考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法，在燃料电池所能输出的功率范围内实现局部最优输出功率，有效减少了燃料电池电压滞后性带来的影响，并且有效提高了经济性。

2、技术方案：一种考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法，包括以下步骤：

3、s1：燃料电池混合动力系统模型搭建，包括动力总成系统构建、燃料电池模型构建、动力电池模型构建、驱动电机模型构建；

4、s2：基于s1搭建的燃料电池混合动力系统模型，分析燃料电池电压滞后性；

5、s201：分析燃料电池电压特性并测量欧姆内阻值；

6、s202：基于s201的结果获取燃料电池在电流变载后的输出电压以及实际输出功率，具体包括拟合燃料电池的滞后电压过程，根据拟合结果获取时间常数τ，根据拟合结果和时间常数获取加减载滞后方程，以获取燃料电池在电流变载后的输出电压以及实际输出功率；

7、s3：基于s1和s2的结果，提出考虑燃料电池电压滞后性的能量管理策略；

8、s301：通过等效氢耗最小策略的控制原理，确保混合动力系统满足负载所需的功率，并定量分析燃料电池电压滞后性对功率分配的影响；

9、s302：基于s301的等效氢耗最小策略的控制原理，提出考虑燃料电池电压滞后性能量管理策略；

10、s303：验证考虑燃料电池电压滞后性能量管理策略的有效性。

11、优选项，所述动力总成系统构建具体为：

12、选择燃料电池和动力电池并联式构建混合动力系统，燃料电池主要提供车辆平稳行驶时所需的功率，动力电池则用于缓解功率峰谷；

13、在行驶过程中，行驶阻力包括车轮滚动阻力ff、坡道阻力fi、空气阻力fw、加速阻力fa，各阻力的计算公式如下：

14、

15、根据受力平衡关系，车辆的驱动力ft计算公式如下：

16、ft＝ff+fi+fw+fa  (10)

17、直流母线的需求功率pload可由车辆纵向动力学模型推导，计算公式如下：

18、

19、式中，ft为行驶驱动力，ηt为传动系统效率，ηm为电机效率，v为车速，m为总质量，f为滚动系数，cd为空气阻力系数，a为迎风面积，g为重力加速度，α为道路坡度对应的角度，a为加速度，δ为旋转质量换算系数。

20、优选项，所述燃料电池模型构建具体为：

21、燃料电池需要辅助器件来维持其正常工作，这些辅助器件也会消耗部分电堆产生的功率；因此，燃料电池系统的输出功率如下式所示：

22、pfcs＝pstack-paux                         (4)

23、式中，pstack为燃料电池电堆输出功率，paux为辅助器件消耗功率；

24、燃料电池的电流与氢气和氧气的反应速率相关，通过电流大小计算氢气消耗率：

25、

26、式中，为氢气消耗速率，ncell为燃料电池单电池片数，为氢气的摩尔质量，为氢气分子的电子数，f为法拉第常数，istack为燃料电池电堆电流；

27、给定氢气消耗率，由下式可得，燃料电池系统效率为燃料电池系统的输出功率与消耗氢气时所能产生的功率之比：

28、

29、式中，ηfcs为燃料电池系统效率，pfcs为燃料电池系统功率，为氢气低热值。

30、优选项，所述动力电池模型构建具体为：

31、忽略温度和老化对动力电池的影响，动力电池的内阻模型如式(7)-(9)所示：

32、ubat＝uocv-ibrb (12)

33、

34、

35、式中，ubat为动力电池端电压，uocv为动力电池开路电压，ib为动力电池电流，rb为动力电池内阻，pbat为动力电池功率；

36、动力电池uocv和rb与荷电状态soc存在一定的关联；采用安时积分法计算soc，其表示如下：

37、

38、其中，qmax为动力电池最大容量，δt为步长。

39、优选项，所述驱动电机模型构建具体为：

40、建立静态效率map图，并根据静态效率map图，搭建驱动电机模型：驱动电机的工作效率是关于当前转矩和转速的函数，其关系式如下：

41、ηmot＝fm(tmot,nmot)                        (16)

42、式中，ηmot是电机效率，tmot是电机转矩，nmot是电机转速，fm(·)为对应的效率查表函数。

43、优选项，所述s201具体为：

44、燃料电池电压表示如下：

45、ucell＝enernst-uact-uohm-ucon       (12)

46、ustack＝ncellucell    (13)

47、式中，ucell为单电池电压，enernst为能斯特电压，uact为活化损电压，uohm为欧姆损失电压，ucon为浓度损失电压，ustack为电堆电压，ncell为单电池片数；

48、燃料电池的电堆输出功率可以通过以下公式计算：

49、pstack＝ustackistack                        (14)

50、式中，pstack为燃料电池电堆输出功率，istack为电堆电流；

51、在负载电流发生瞬变时，燃料电池的电压带有柔性并非立即变化，先经过一个骤变，再缓慢达到稳定值；经过分析，电压的骤变主要是由于欧姆损失电压引起的；欧姆损失电压满足欧姆定律，如式(15)所示：

52、uohm＝istackrohm                        (15)

53、式中，rohm为欧姆内阻；

54、通过电子负载使燃料电池的工作电流产生阶跃，设置燃料电池电流阶跃点，并记录相应的电压变化；然后，通过式(16)计算电压快速变化部分δuohm与工作电流阶跃值δi之间的比值来获取欧姆内阻rohm；

55、

56、优选项，所述s202具体为：

57、基于s201的结果得出，当外界电流发生瞬变时，燃料电池的电压将产生一个瞬变值δuohm，随后，电压将缓慢趋于稳定状态，这种平缓的电压变化过程符合一阶rc电路的零状态响应曲线变化趋势，因此采用一阶rc电路的零状态响应方程来拟合这一平缓的电压变化过程，如式(17)所示：

58、uc(t)＝us(1-e-t/t) (17)

59、式中，uc(t)为t时刻电容两端电压，us为电容两端电压的稳定值，t表示时间，τ为时间常数；

60、基于式(17)以及燃料电池电压的实际变化情况，可得：

61、△udel＝ustea-(uk-1-△uohm)                 (18)

62、ut(t)＝△udel(1-e-t/t)                     (19)

63、式中，δudel为电流变载时的燃料电池滞后电压，ustea为电流变载后的稳定电压，uk-1为电流变载前的稳定电压，δuohm为欧姆内阻引起的电压快速变化部分，ut(t)为电流变载后t时刻的输出电压；

64、根据s201中获取的电压数据，对电流阶跃点处的平缓电压变化过程按照式(19)进行拟合，获取在电压拟合误差最小时对应的时间常数τ值，即最佳拟合结果，根据在不同电流阶跃点下的时间常数τ值，选取其均值τavg；

65、根据s201中，电流加载过程中电压变化的平稳过程，得知当燃料电池负载电流减小时，其响应速度明显快于负载增加的情况，如果将电流减载时的时间常数设定为与电流加载时相同的值，并不会超出燃料电池的动态响应能力；因此，选择在加载和减载过程中采用相同的时间常数；结合减载时燃料电池电压的实际变化趋势和一阶rc电路的零状态响应方程，得到减载时的电压拟合方程为：

66、ut(t)＝△udele-t/t                       (20)

67、因此，通过式(19)和(20)，并结合上一时刻的电压，计算出负载电流发生阶跃t秒后燃料电池系统能够达到的输出电压；将其与阶跃后的电流值相乘，即可得到燃料电池系统所能实际输出的功率，具体为：

68、pload,act＝ut(t)i                          (21)

69、其中，i为阶跃后的电流。

70、优选项，所述s301具体为：

71、在等效氢耗最小策略中，将状态变量设定为动力电池soc，将优化问题的控制变量设定为燃料电池的输出功率pfcs；因此，燃料电池混合动力系统的能量分配问题可转为：

72、minctotal＝min(cfcs+κcbat)                (22)

73、式中，ctotal为总等效氢气消耗，cfcs为燃料电池系统直接氢气消耗，cbat为动力电池的间接等效氢气消耗，κ为与动力电池soc相关的补偿系数；其中，cfcs＝cpfcs，c由燃料电池台架实验数据拟合得到；

74、燃料电池混合动力车在正常运行状态下，其能量来源为燃料电池系统；因此在评价整车经济性时，需要将动力电池消耗的电量转化为等效氢气消耗，等效氢气消耗cbat计算方式如下：

75、

76、式中，pbat为动力电池输出功率，cfc,avg为燃料电池的平均氢耗，ηchg,avg为动力电池的平均充电效率，pfc,avg为燃料电池的平均功率，ηdis为动力电池放电效率，ηchg为动力电池充电效率，ηdis,avg为动力电池的平均放电效率；

77、在动力电池工作过程中，实时充电效率和实时放电效率的计算公式如下：

78、

79、式中，rdis是动力电池放电时的内阻，rchg是动力电池充电时的内阻，uocv是动力电池的开路电压；

80、为保障动力电池soc工作在合理的范围，使动力电池不会出现过充过放的情况，需要引入与动力电池soc相关的补偿系数κ；补偿系数κ表示为：

81、

82、式中，μ为平衡系数，socl为动力电池soc的下限、soch为动力电池soc的上限；

83、为了确保混合动力系统能够满足负载所需的功率，同时保证整个系统能够正常运行，需要求解优化问题时考虑以下约束条件：

84、

85、式中，pload为负载需求功率，pfcs为燃料电池系统功率，pbat为动力电池功率，pbat,min为动力电池的最小输出功率，pbat,max为动力电池的最大输出功率，pfcs,max为燃料电池系统的最大输出功率，△pfcs,min为燃料电池系统的最小功率变化范围，△pfcs,max为燃料电池系统的最大功率变化范围；

86、为定量分析燃料电池电压滞后性对功率分配的影响，选取n个电流阶跃点，用以分析燃料电池实际输出功率与期望输出功率之间的差值，从而计算功率滞后率；功率滞后率的计算方式如下：

87、

88、式中，l为功率滞后率，ptar为目标电流负载下稳定时的燃料电池功率，pinst

89、为电流发生阶跃t秒后燃料电池能够达到的输出功率，δpl为目标电流负载下稳定时的燃料电池功率与起始电流负载下稳定时的燃料电池功率间的差值。

90、优选项，所述s302具体为：

91、在基于s301等效氢耗最小策略的基础上，即上述公式(22-26)，提出的燃料电池电压滞后方程，即上述公式(20)，用于准确描述燃料电池的电压滞后现象，从而对成本函数的约束条件即上述公式(26)，进行动态调整，以优化燃料电池的输出功率；改进后的等效氢耗最小策略求解过程具体为：

92、根据k时刻的车速vact(k)和加速度aact(k)，通过上述公式(3)计算出k时刻的负载需求功率pload,act(k)：

93、

94、根据等效氢耗最小策略，即上述公式(22-26)，按照负载实际需求功率pload,act(k)进行能量分配，计算出k时刻的燃料电池系统期望功率pfcs,tar(k)，具体为：

95、minctotal＝min(cfcs+κcbat)

96、cfcs＝cpfcs,tar(k)

97、

98、pload,act(k)＝pfcs,tar(k)+pbat

99、结合电压滞后方程，即上述公式(20)，更新燃料电池成本函数求解约束条件，即公式上述(26)中的燃料电池输出功率范围，加载时为0至燃料电池系统的最大输出功率pfcs,max、减载时为0至燃料电池系统的最小输出功率pfcs,min，具体如下：

100、ut(t)＝△udele-t/t

101、

102、按照k时刻的负载实际需求功率pload,act(k)进行能量分配，即上述公式(22-26)，求解出k时刻燃料电池能够达到的最优功率pfcs,act(k)，具体为：

103、minctotal＝min(cfcs+κcbat)

104、cfcs＝cpfcs,act(k)

105、

106、pload,act(k)＝pfcs,act(k)+pbat。

107、一种考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法的装置，包括数据获取模块、模型构建模块、控制优化模块、能量管理模块，

108、所述数据获取模块用于提取整车主要相关参数、燃料电池相关参数、动力电池相关参数、驱动电机相关参数、速度及加速度参数；

109、所述模型构建模块用于利用氢气消耗率与燃料电池系统效率关系，建立燃料电池模型；利用电池开路电压及内阻等参数的关系，建立动力电池模型；利用静态效率map图建立驱动电机模型；

110、所述控制优化模块用于基于数据获取模块中的数据计算所需的负载功率，然后根据等效氢耗最小策略进行能量分配，计算出燃料电池期望功率；基于计算出燃料电池期望功率，考虑燃料电池滞后性，提出燃料电池电压滞后方程，从而对成本函数的约束条件进行动态调整，以优化燃料电池的输出功率；

111、所述能量管理模块用于基于优化后的燃料电池输出功率与所需负载功率，根据等效氢耗最小策略进行能量分配，计算出燃料电池能够达到的最优功率。

112、本装置充分考虑燃料电池滞后性，旨在解决当负载快速变化时，燃料电池由于电压滞后性的存在，会导致燃料电池无法及时工作在最佳功率输出点的问题，使能量管理策略更加贴合燃料电池的动态性能，进一步提高经济性与耐久性。

113、有益效果：本发明能够在燃料电池所能输出的功率范围内实现局部最优输出功率，有效减少了燃料电池电压滞后性带来的影响，并且有效提高了经济性。通过燃料电池台架试验数据研究了燃料电池的电压滞后性，并分别对不同负载电流下的欧姆内阻值及零状态响应平均时间常数进行了分析。在现有燃料电池静态效率模型的基础上，将电压滞后方程引入等效氢耗最小策略中，准确地刻画了燃料电池在负载变化时的滞后功率，实时更新成本函数的约束条件，提出了考虑燃料电池电压滞后性的等效氢耗最小策略并在四种工况下验证了所提出策略的有效性。

技术特征：

1.一种考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法，其特征在于，所述动力总成系统构建具体为：

3.根据权利要求2所述的考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法，其特征在于，所述燃料电池模型构建具体为：

4.根据权利要求3所述的考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法，其特征在于，所述动力电池模型构建具体为：

5.根据权利要求4所述的考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法，其特征在于，所述驱动电机模型构建具体为：

6.根据权利要求5所述的考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法，其特征在于，所述s201具体为：

7.根据权利要求6所述的考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法，其特征在于，所述s202具体为：

8.根据权利要求7所述的考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法，其特征在于，所述s301具体为：

9.根据权利要求8所述的考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法，其特征在于，所述s302具体为：

10.一种实现权利要求9所述的考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法的装置，其特征在于，包括数据获取模块、模型构建模块、控制优化模块、能量管理模块，

技术总结
本发明公开一种考虑电池滞后性的混合系统能量管理方法和装置，包括：S1：燃料电池混合动力系统模型搭建；S2：分析燃料电池电压滞后性；S3：提出考虑燃料电池电压滞后性的能量管理策略。本发明在燃料电池所能输出的功率范围内实现局部最优输出功率，有效减少燃料电池电压滞后性带来的影响，并有效提高经济性。通过燃料电池台架试验数据研究燃料电池电压滞后性，并分别对不同负载电流下的欧姆内阻值及零状态响应平均时间常数进行了分析。将电压滞后方程引入等效氢耗最小策略中，准确地刻画燃料电池在负载变化时的滞后功率，实时更新成本函数的约束条件，提出考虑燃料电池电压滞后性的等效氢耗最小策略并在四种工况下验证所提出策略的有效性。

技术研发人员：赵秀亮,袁合虎,王丽梅,李健,潘明章,孙晓东,王磊,汪若尘,崔书婉,官维,施德华,陈龙,盘朝奉,王玉江,盖倞尧
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5