一种燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法及系统

本发明涉及燃料电池混合动力系统的能量管理和燃料电池动态控制，特别涉及一种燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法及系统。

背景技术：

1、本发明涉及燃料电池混合动力系统的能量管理和燃料电池动态控制技术领域，尤其涉及一种基于诊断卸载脉冲的燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法及系统。燃料电池混合动力系统可应用于车辆驱动、船舶推进、航空器用电、轨道交通或固定式用电等场景，其通常以燃料电池系统作为主要能量源，并配置动力电池承担瞬态功率补偿和能量缓冲。系统控制器需要将负载需求功率在燃料电池与动力电池之间进行分配。若燃料电池承担的功率增加过慢，动力电池需长期承担较大功率；若增加过快，则可能在空气、氢气或水热状态尚未跟上时导致部分单体电压快速降低。

2、质子交换膜燃料电池电堆由多个单体串联构成。不同单体在气体分配、膜含水量、流道排水、接触电阻和老化程度方面存在差异，因此限制电堆升载能力的通常不是平均单体，而是其中电压较低或动态响应较弱的单体。同一套固定升流幅度和固定升流斜率在不同负荷、温度、湿度和老化状态下，可能分别表现为过度保守或安全裕量不足。

3、中国专利cn112659928b公开一种车载质子交换膜燃料电池动态加减载控制方法及系统，将整车需求功率转换为目标电流，并按照设定的电流加载速率或减载速率使燃料电池达到目标电流。该方案能够避免燃料电池电流无约束突变，但其中的加载速率主要作为预先设定的控制量，难以仅凭该设定值反映弱单体在当前运行状态下的实际动态承受能力。中国专利cn115000469b公开一种燃料电池系统的功率控制方法，在功率拉载过程中计算平均单电压与最低单电压之间的差值；当该差值超过阈值时，将pid控制算法的积分常数置零，以减缓电流拉升并等待单体电压恢复。该方案能够在拉载过程中抑制单体电压继续降低，但其调节动作主要在电压离散度已经增大后触发，未在升载之前给出当前工况下允许的升流幅度与升流斜率的联合边界。此外，单体电压能够直接反映单体在当前负荷下的输出状态，但单一绝对电压不能区分负荷大小、温度、膜含水量、供气状态和老化等多种影响。即使对燃料电池施加电流变化，仅凭某一个电压差、比值或恢复时间，也不能唯一判断水淹、膜干、供气不足或老化类型。因此，若要把单体电压响应用于功率控制，关键不是给出一个笼统的健康分数，而是建立响应量与下一次升流时最低单体电压之间可验证的关系。

4、综上，现有技术尚未解决以下技术问题：如何在不对负载侧功率造成明显影响的前提下，在线辨识弱单体在当前工况附近对升流幅度和升流速度的敏感程度，并在实际升载之前形成明确的安全约束，以避免固定升流幅度、固定升流斜率或拉载后电压反馈方式带来的过度保守或安全裕量不足。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法及系统，利用动力电池补偿下的燃料电池卸载-恢复响应，分别确定升流幅度损失系数和升流速度下冲系数，并以弱单体最低电压约束形成二者的联合安全边界，再用于后续混合动力功率分配和真实升载校正。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法，包括如下步骤：

4、在燃料电池电堆以原工作电流i0运行时，获取多个燃料电池单体的卸载前电压，并根据所述卸载前电压确定弱单体；

5、在负载需求功率满足稳定条件且动力电池具有功率补偿能力时，控制所述燃料电池电堆的电流由i0降低至i0-δip，并控制所述动力电池增加输出功率以补偿燃料电池输出功率的降低量，形成诊断卸载脉冲；

6、在卸载保持阶段结束后，控制所述燃料电池电堆按照参考升流斜率rp由i0-δip重新带载至i0，并获取覆盖卸载前、卸载保持和重新带载阶段的多个单体电压时序；

7、根据所述弱单体在卸载前的电压vpre、卸载保持阶段结束时的电压vhold、重新带载至i0过程中出现的最低电压vreload,min、诊断卸载电流幅值δip和参考升流斜率rp，确定局部电压-电流斜率sv和动态下冲系数gr；

8、根据局部电压-电流斜率sv、动态下冲系数gr、弱单体安全电压vsafe和不确定度裕量mu，建立候选升流幅度δic与候选升流斜率rc的联合安全约束；

9、根据所述联合安全约束限制燃料电池系统的后续目标电流，并由动力电池补偿负载需求功率与受限后的燃料电池输出功率之间的功率差；

10、在后续真实升载过程中，根据预测最低单体电压与实测最低单体电压之间的偏差校正所述联合安全约束。

11、进一步，所述负载需求功率满足稳定条件具体如下：在预设观察时间内，负载需求功率的变化幅度小于功率变化幅度阈值，且负载需求功率的变化率小于功率变化率阈值；

12、所述动力电池具有功率补偿能力具有为：动力电池荷电状态处于诊断允许区间，且动力电池可用放电功率大于诊断卸载期间所需的补偿功率与补偿安全余量之和。

13、进一步，根据所述卸载前电压确定弱单体，具体包括如下步骤：

14、将多个燃料电池单体按照卸载前电压由低至高排序，选择位于预设低电压分位范围内的多个单体形成弱单体集合，并以所述弱单体集合的平均值、中位值、截尾平均值或低分位值作为所述弱单体的电压；全部单体中的绝对最低单体电压独立作为硬安全监测量。

15、进一步，所述局部电压-电流斜率sv和动态下冲系数gr分别按照下式确定：

16、，

17、，

18、其中，sv表示当前工况邻域内单位升流幅度对应的弱单体准稳态电压损失；gr表示按照所述参考升流斜率重新带载时单位升流斜率对应的附加最低电压损失。

19、进一步，设弱单体安全电压为vsafe，不确定度裕量为mu，保守修正系数为λ且λ≥1，所述联合安全约束为：

20、，

21、其中，表示候选升流幅度引起的预测电压损失；表示候选升流斜率引起的预测动态下冲；表示扣除不确定度裕量后的弱单体可用电压余量；

22、当sv小于经标定的最小斜率smin时，在建立所述联合安全约束以及计算最大允许升流幅度或最大允许升流斜率时采用smin替代sv；当gr小于经标定的最小下冲系数gmin时，在建立所述联合安全约束以及计算最大允许升流幅度或最大允许升流斜率时采用gmin替代gr。

23、进一步，若，则令最大允许升流幅度δiallow=0、最大允许升流斜率rallow=0，不允许根据本次诊断增加燃料电池目标电流，由动力电池承担需求变化或使负载请求降额；

24、若，则根据上层能量管理器给出的候选升流斜率rc或候选升流幅度δic，计算另一个变量的最大允许值，其中：

25、当给出候选升流斜率rc时，最大允许升流幅度为：

26、，

27、若所述最大允许升流幅度δiallow的计算结果小于零，则令δiallow=0；

28、当给出候选升流幅度δic时，最大允许升流斜率为：

29、，

30、若所述最大允许升流斜率rallow的计算结果小于零，则令rallow=0。

31、进一步，根据所述联合安全约束限制燃料电池系统的后续目标电流，具体包括如下步骤：

32、判断候选升流幅度δic和候选升流斜率rc是否满足所述联合安全约束；

33、若满足，则取实际升流幅度δiact=δic，实际升流斜率ract=rc；

34、若不满足，则当上层能量管理器给出候选升流斜率rc时，取实际升流幅度δiact=min(δic,δiallow)，实际升流斜率ract=rc；当上层能量管理器给出候选升流幅度δic时，取实际升流斜率ract=min(rc,rallow)，实际升流幅度δiact=δic；当同时给出候选升流幅度δic和候选升流斜率rc且二者不满足所述联合安全约束时，保持其中一个变量不变并对另一个变量进行限制，或者对二者按照预设比例同时缩小，直至满足所述联合安全约束；

35、根据实际升流幅度δiact和实际升流斜率ract生成受限后的燃料电池目标电流，并由动力电池补偿负载需求功率与受限后的燃料电池输出功率之间的功率差。

36、进一步，获取弱单体电压从vreload,min返回恢复稳定带所需的恢复时间τrec；当τrec超过恢复时间阈值时，本次诊断结果不用于放宽所述联合安全约束，或者执行增大所述不确定度裕量mu、缩短所述联合安全约束的有效期和延后下一次真实升载中的至少一项。

37、进一步，在后续真实升载过程中，当实测最低单体电压低于预测最低单体电压且二者差值超过预测偏差阈值，或者实测最低单体电压低于单体安全阈值时，增大所述不确定度裕量mu和/或减小允许的候选升流幅度及候选升流斜率；只有在连续多个真实升载过程中实测最低单体电压均不低于预测最低单体电压时，才按照预设上限减小所述不确定度裕量mu。

38、一种燃料电池动态升载控制和混动功率分配系统，包括燃料电池电堆、单体电压监测单元、动力电池、功率变换单元及控制器；所述燃料电池电堆经所述功率变换单元接入高压母线，所述动力电池经所述功率变换单元接入所述高压母线，负载接入所述高压母线；所述单体电压监测单元与所述燃料电池电堆的多个单体连接，用于采集多个单体电压；所述控制器分别与所述单体电压监测单元、所述燃料电池电堆、所述动力电池及所述功率变换单元信号连接，并被配置为执行所述的燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法。

39、本发明的有益效果在于：

40、1．本发明所述的燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法，通过在燃料电池电堆以原工作电流i0运行时，控制燃料电池电堆的电流由i0降低至i0-δip，并控制动力电池增加输出功率以补偿燃料电池输出功率的降低量，形成诊断卸载脉冲，在不主动超过原工作电流的条件下获取弱单体动态响应，降低了主动试探更高负荷的风险，并使负载侧总功率保持在允许波动范围内。

41、2．本发明所述的燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法，通过根据弱单体在卸载前的电压vpre、卸载保持阶段结束时的电压vhold、重新带载至i0过程中出现的最低电压vreload,min、诊断卸载电流幅值δip以及参考升流斜率rp，确定局部电压—电流斜率sv和动态下冲系数gr，这样可分别量化单位升流幅度对应的准稳态电压损失和单位升流斜率对应的附加最低电压损失，避免将电压差、比值或恢复时间笼统解释为健康状态。

42、3．本发明所述的燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法，通过根据局部电压—电流斜率sv、动态下冲系数gr、弱单体安全电压vsafe和不确定度裕量mu，建立候选升流幅度δic与候选升流斜率rc的联合安全约束，在升载之前给出升流幅度与升流斜率联合安全边界，使更大的升流幅度对应更缓的升流速度，更快的升流速度对应更小的升流幅度。

43、4．本发明所述的燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法，通过根据联合安全约束限制燃料电池系统的后续目标电流，并由动力电池补偿负载需求功率与受限后的燃料电池输出功率之间的功率差，在保证弱单体电压安全的前提下协调燃料电池与动力电池功率分配。

44、5．本发明所述的燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法，通过在后续真实升载过程中根据预测最低单体电压与实测最低单体电压之间的偏差校正联合安全约束，利用真实升载数据在线修正局部近似、避免一次诊断结果长期固化。

45、6．本发明所述的燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法，通过将多个燃料电池单体按照卸载前电压由低至高排序，选择位于预设低电压分位范围内的多个单体形成弱单体集合，并以弱单体集合的平均值、中位值、截尾平均值或低分位值作为弱单体的电压，同时将全部单体中的绝对最低单体电压独立作为硬安全监测量，这样既反映弱单体整体趋势又避免统计量掩盖单个异常低电压。

46、7．本发明所述的燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法，通过在负载需求功率满足稳定条件且动力电池具有功率补偿能力时执行诊断卸载脉冲，可保证诊断过程安全有效执行；其中负载需求功率满足稳定条件包括在预设观察时间内负载需求功率的变化幅度小于功率变化幅度阈值且变化率小于功率变化率阈值，动力电池具有功率补偿能力包括动力电池荷电状态处于诊断允许区间且动力电池可用放电功率大于诊断卸载期间所需的补偿功率与补偿安全余量之和。

47、8．本发明所述的燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法，通过获取弱单体电压从vreload,min返回恢复稳定带所需的恢复时间τrec，并在τrec超过恢复时间阈值时使本次诊断结果不用于放宽联合安全约束，或者增大不确定度裕量mu、缩短联合安全约束的有效期和延后下一次真实升载中的至少一项，这样可根据弱单体恢复充分程度调整边界保守程度。

48、9．本发明所述的燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法，通过在诊断过程中出现绝对最低单体电压低于硬安全阈值、负载需求功率变化超过阈值、高压母线电压偏差超过阈值、动力电池达到功率或荷电状态边界、燃料电池空气供应系统达到运行边界或者有效单体电压通道数量不足中的任一种情况时，终止诊断卸载脉冲并恢复诊断前的功率协调状态，这样可在异常工况下及时退出诊断、保持原联合安全约束或收紧原联合安全约束。

49、10．本发明所述的燃料电池动态升载控制和混动功率分配方法，通过在多个燃料电池负荷区间、温度区间、反应气体供应状态和水状态下分别执行诊断卸载脉冲及其后的受控真实升载，根据真实升载过程中实测最低单体电压不低于预测最低单体电压的要求标定保守修正系数λ的初始值λ0、不确定度裕量mu的初始值mu0以及联合安全约束的工况有效邻域，使预测最低电压在预设置信水平下不高于实测最低单体电压。