一种可以提高燃料电池使用寿命的实时能量管理控制方法与流程

1.本发明涉及一种电池能量管理方法，特别涉及一种可以提高燃料电池使用寿命的实时能量管理控制方法，属于新能源汽车技术领域。


背景技术：

2.为了解决汽车温室气体排放过多的问题，燃料电池电动汽车技术开始越来越受到大众的关注。在采用燃料电池与超级电容混合的汽车中，多电源的能量管理成为一个核心问题。现阶段的车载能量管理技术多采用基于确定规则的策略，该策略虽然不需要提前知道路况信息，但是很难使整车获得最佳的经济性并且部件的耐久性也难以得到保证。先进的控制策略如神经网络控制等人工智能控制算法代码复杂、交叉编译过程占用大量的计算资源，难以在车载芯片上应用。
3.燃料电池在使用过程中存在严重的寿命衰退问题。燃料电池在使用过程中频繁启停、变载、怠速运行、过载运行都会大大加速燃料电池寿命的衰退。燃料电池动汽车能量管理策略的制定应当重点考虑燃料电池性能衰退的问题。但是，延长能源部件使用寿命的同时必然会导致更高的能量消耗，因此必须平衡整车经济性和部件寿命问题。而现阶段燃料电池能量管理方面的专利还大多仅考虑整车经济性的问题，忽略了部件使用寿命的保护。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提出简单实用、可以有效地减少燃料电池和电池性能衰退的一种可以提高燃料电池使用寿命的实时能量管理控制方法；本发明仅需要很小的计算资源就可以满足车辆实时能量管理的需求。
5.技术方案：一种可以提高燃料电池使用寿命的实时能量管理控制方法，包括燃料电池、超级电容、电机和能量管理控制器，所述燃料电池和超级电容通过能量管理控制器给电机提供电能，所述燃料电池通过能量管理控制器给超级电容充电，所述能量管理控制器分别接收电机、燃料电池和超级电容的信号；能量管理控制器根据车辆运行工况结合燃料电池内氢气剩余量和超级电容的剩余电量soc值控制燃料电池和超级电容功率输出；控制方法按照如下步骤：
6.步骤1、燃料电池冷启动阶段，检测燃料电池内的氢气剩余量和超级电容的剩余电量soc，当燃料电池内的氢气充足且超级电容的剩余电量soc>超级电容最低储备电量soc
start
时，超级电容单独提供车辆驱动和制动能量，当燃料电池冷启动完成则进入步骤2或者步骤3；当燃料电池内的氢气充足且超级电容的剩余电量soc≤超级电容最低储备电量soc
start
时，车辆将无法正常行驶，等待燃料电池冷启动完成开始正常行驶，燃料电池正常工作后输出最大功率一方面满足车辆行驶需求，多余的能量给超级电容充电；
7.步骤2、氢气充足，燃料电池冷启动完成，超级电容的剩余电量soc>超级电容最低储备电量soc
start
，车辆处于驱动模式；超级电容与燃料电池一起给整车提供能量，燃料电池与超级电容根据设定模式分配各自的输出功率；若氢气消耗完，转入步骤4；若车辆下一时
刻处于制动模式，转入步骤3；
8.步骤3、氢气充足，燃料电池冷启动完成，超级电容的剩余电量soc>超级电容最低储备电量soc
start
，车辆处于制动模式，超级电容回收制动能量；
9.若超级电容的剩余电量soc≤80，燃料电池维持上一秒的输出功率继续输出能量，并将燃料电池输出的电能与制动能量一起给超级电容充电；若氢气消耗完，转入步骤4；若车辆下一时刻处于驱动模式，转入步骤2；
10.若超级电容的剩余电量soc>80，燃料电池停机，并由超级电容回收制动能量直至超级电容充满；若车辆下一秒处于驱动模式，转入步骤2；
11.步骤4、氢气消耗完，且超级电容的剩余电量soc＞超级电容最低储备电量soc
start
由超级电容单独满足车辆驱动及制动的能量需求；
12.若超级电容的剩余电量soc≤超级电容最低储备电量soc
start
，转入步骤5；
13.步骤5、氢气消耗完且超级电容soc≤超级电容最低储备电量soc
start
或者驾驶员到达目的地选择停车，燃料电池与超级电容将不再给整车提供能量，车辆停止。
14.优选项，所述超级电容最低储备电量soc
start
的大小能保证超级电容单独给车辆供电至燃料电池冷启动完成，超级电容最低储备电量soc
start
＞20。
15.优选项，步骤3制动过程中，燃料电池输出的电能与制动能量一起给超级电容充电，超级电容的剩余电量soc不超过80。
16.优选项，步骤2中所述燃料电池与超级电容根据设定模式分配各自的输出功率，所述设定模式的方法如下：
17.首先、建立超级电容和燃料电池的效用函数；
18.其次、定义负载的效用函数和输入输出功率之间的误差函数；
19.然后、将负载的效用函数与电池和燃料电池的效用函数合并；
20.最后、迭代算法计算出燃料电池与超级电容输出功率。
21.优选项，所述超级电容和燃料电池的效用函数建立过程如下：
22.1)根据超级电容的偏好建立其的效用函数，超级电容的效用函数可以表示为：
23.u
uc*
＝1
‑
a1(p
uc
‑
p
uc,best
)2[0024][0025]
式中，u
uc*
为超级电容效用函数，p
uc
为超级电容目标输出功率，p
uc,best
为超级电容最佳输出功率，当超级电容电压达到最低v
ucmin
时，将以最大电流i
ucmax
给超级电容充电，当超级电容电压到达最大值v
ucmax
时将以最大电流i
ucmax
放电，a1为系数且大于0小于1；
[0026]
2)根据燃料电池的偏好建立其的效用函数，燃料电池的效用函数可以表示为：
[0027]
u
fc*
＝1
‑
b1(p
fc
‑
p
fc,top
)2‑
b2(p
fc
‑
p
fc,l
‑
p
lim
/2)2[0028]
式中，u
fc*
为燃料电池效用函数，p
fc
为燃料电池目标输出功率，p
fc,top
为燃料电池在最高效率点的输出功率，p
fc,l
燃料电池上一秒输出功率，p
lim
为燃料电池1秒内功率最大变化值，为常数，b1、b2，为系数且大于0小于1。
[0029]
优选项，定义负载的效用函数u
load
及输入输出功率之间的误差函数为：
[0030]
u
load
＝1
‑
c3(p
req
‑
p
fc
‑
p
uc
)2[0031]
式中，u
load*
为负载的效用函数，p
req
为车辆需求功率。
[0032]
优选项，所以将负载的效用函数与电池和燃料电池的效用函数合并，并将超级电容与燃料电池最终的效用函数形式改写如下：
[0033]
u
uc
＝1
‑
a1(p
uc
‑
p
uc,best
)2‑
(1
‑
a1)(p
req
‑
p
fc
‑
p
uc
)2[0034]
u
fc
＝1
‑
b1(p
fc
‑
p
fc,top
)2‑
b2(p
fc
‑
p
fc,l
‑
p
lim
/2)2‑
(1
‑
b1‑
b2)(p
req
‑
p
fc
‑
p
uc
)2。
[0035]
优选项，所述迭代算法计算出燃料电池与超级电容输出功率，迭代流程计算流程如下：
[0036]
s1：初始化燃料电池与超级电容输出功率，p
fc
＝p
uc
＝0，随机产生大于0小于1的系数a1，b1，b2；
[0037]
s2：输入实时的负载需求功率p
req
，超级电容和燃料电池确定各自的效用函数，分别为u
uc
和u
fc
；
[0038]
s3：保存历史计算信息，p
uc,last
＝p
uc
，p
fc,last
＝p
fc
；
[0039]
s4：对电池以及燃料电池的效用函数求导，以获得各自效用函数最大化，
[0040][0041]
获得此时超级电容和燃料电池的输出功率：
[0042]
p
uc
＝a1p
uc,best
(1
‑
a1)(p
req
‑
p
fc
)
[0043]
p
fc
＝b1p
fc,top
b2(p
fc,l
p
lim
/2) (1
‑
b1‑
b2)(p
req
‑
p
uc
)
[0044]
s5：共享信息，如果|p
uc
‑
p
uc,last
|<θ1，|p
fc
‑
p
fc,last
|<θ2，转入步骤7，否则转入步骤6；
[0045]
s6：超级电容和燃料电池根据共享信息调整各自的效用函数中的系数a1，b1，b2，转入s3；
[0046]
s7：达到纳什均衡，输出电池和燃料电池功率p
uc
和p
fc
，转入s2，进入下一轮新的需求功率下的博弈，
[0047]
式中p
uc,last
，p
fc,last
分别为纳什均衡迭代过程中上一次求解得出的超级电容和燃料电池输出功率值。
[0048]
有益效果：本发明简单实用，没有复杂的交叉变异操作，也没有复杂的微分方程，没有类似于模糊控制及神经网络一样冗长的代码，代码占用内存小，运行速度快，可以很好的嵌入控制器芯片中；仅需要很小的计算资源就可以满足车辆实时能量管理的需求；首次对车辆的经济性、动力性及部件的使用寿命进行了综合提升；能适用于多种发电场合，如孤岛发电场景，不局限于车辆领域。
附图说明
[0049]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0050]
图1为本发明燃料电池电动汽车动力总成原理图；
[0051]
图2为本发明提出的车辆运行步骤流程图；
[0052]
图3为本发明计算燃料电池与超级电容输出功率的迭代流程图。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0055]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0056]
如图1所示，一种可以提高燃料电池使用寿命的实时能量管理控制方法，该系统包括：动力总成系统及能量管理控制方法；所述动力总成系统包括：超级电容，燃料电池，第一dc/dc，第二dc/dc，电机控制器，电机，能量管理控制器。所述超级电容与第一dc/dc串联；所述燃料电池与第二dc/dc串联；所述第一dc/dc与第二dc/dc并联接入电机控制器，并给电机控制器提供电能；所述电机控制器与电机相串联，并控制电机的转速和转矩从而达到控制整车车速的目的；所述能量管理控制方法集成在能量管理控制器内部，能量管理控制器接收电机控制器的需求功率信号，超级电容以及燃料电池的信号，并按照既定的控制方法控制第一dc/dc和第二dc/dc的占空比以及超级电容和燃料电池的输出功率；所述超级电容作为辅助能源，燃料电池作为主要能源。
[0057]
如图2所示，车辆运行按照以下步骤：
[0058]
步骤1、冷启动阶段，车辆起步，氢气充足且超级电容的剩余电量soc>超级电容最低储备电量soc
start
，燃料电池需要冷启动无法直接供电，此时由超级电容单独提供能量并满足车辆驱动和制动的能量需求，超级电容soc会随着车辆行驶而逐渐减小。当燃料电池冷启动完成则进入步骤2或者步骤3。车辆行驶前检查超级电容的剩余电量soc是否大于超级电容最低储备电量soc
start
，如果超级电容soc≤soc
start
，车辆将不能行驶，需等待燃料电池冷启动完成开始正常工作，燃料电池正常工作后输出最大功率一方面满足车辆行驶需求，多余的能量给超级电容充电使其soc快速回升至20。优选的，soc
start
的大小应能保证超级电容单独给车辆供电至燃料电池冷启动完成，且此时超级电容soc>20。
[0059]
步骤2、氢气充足，燃料电池冷启动完成，超级电容soc>20，车辆处于驱动模式。此时超级电容与燃料电池一起给整车提供能量，燃料电池与超级电容根据算法合理分配各自的输出功率；氢气会随着车辆运行而减少。若氢气消耗殆尽，转入步骤4；若车辆下一秒处于
制动模式，转入步骤3。
[0060]
步骤3、氢气充足，燃料电池冷启动完成，超级电容soc>20，车辆处于制动模式，超级电容回收制动能量其soc会增加。
[0061]
若此时超级电容soc≤80，燃料电池维持上一秒的输出功率继续输出能量，并将该能量与制动能量一起全部输送给超级电容。超级电容此时被充电其soc增加，氢气减少，若氢气消耗殆尽，转入步骤4；若车辆下一秒处于驱动模式，转入步骤2；
[0062]
若此时超级电容soc>80，燃料电池停机，并由超级电容回收制动能量直至超级电容soc＝100无法回收制动能量。若车辆下一秒处于驱动模式，转入步骤2。优选的，超级电容的容量选择应当能满足车辆在制动时，燃料电池与制动能量一同给超级电容充电，在该时间段超级电容的soc不会超过80，否则超级电容soc>80将会导致燃料电池频繁起停从而降低燃料电池使用寿命。
[0063]
若氢气消耗殆尽，转入步骤4；若车辆处于驱动模式，转入步骤2。
[0064]
步骤4、氢气消耗殆尽，且燃料电池soc＞20由超级电容单独满足车辆驱动及制动的能量需求。
[0065]
若此时超级电容soc≤20，转入步骤5。
[0066]
步骤5、氢气消耗殆尽且超级电容soc≤20，或者驾驶员到达目的地选择停车，此时燃料电池与超级电容将不再给整车提供能量，车辆停止。
[0067]
所述的步骤2燃料电池与超级电容根据算法合理分配各自的输出功率，首先建立超级电容和燃料电池的效用函数，效用函数建立过程如下：
[0068]
1)根据超级电容的偏好建立其的效用函数，对于超级电容而言，其主要作用是吸收需求功率中的功率波动，提供瞬时大功率，从而让燃料电池可以稳定输出，超级电容的理论寿命远超燃料电池可以忽略其在使用过程中寿命衰退的问题，超级电容能量密度较低，无法长时间充放电流，所以应当重点考虑其可用电量的维持，即维持其soc在频繁充电放电后还能稳定，超级电容的效用函数可以表示为：
[0069]
u
uc*
＝1
‑
a1(p
uc
‑
p
uc,best
)2[0070][0071]
式中，u
uc*
为超级电容效用函数，p
uc
为超级电容目标输出功率，p
uc,best
为超级电容最佳输出功率，当超级电容电压达到最低v
ucmin
时，将以最大电流i
ucmax
给超级电容充电，当超级电容电压到达最大值v
ucmax
时将以最大电流i
ucmax
放电，a1为系数且大于0小于1。
[0072]
2)根据燃料电池的偏好建立其的效用函数，对于燃料电池而言，其偏好主要是减少性能衰退与提升输出效率。燃料电池运行在怠速、启停、变载、过载工况会大大加速燃料电池的性能衰退并减少燃料电池的使用寿命。同时燃料电池工作时存在最高效率点，在该效率点运行可以有效提升燃料电池输出效率，通过限制燃料电池的输出功率可以保证燃料电池无法工作在怠速、过载工况，燃料电池做为主要能源车辆启动后将不会停机，启停工况对燃料电池性能衰退的影响也可以忽略，因此只需要考虑变载对燃料电池性能衰退的影响。同时燃料电池输出特性偏软，无法快速响应需求功率的快速变化，通过标定所用燃料电池的最大功率变载率，并用该值的一半约束燃料电池功率的变化率，燃料电池的效用函数可以表示为：
[0073]
u
fc*
＝1
‑
b1(p
fc
‑
p
fc,top
)2‑
b2(p
fc
‑
p
fc,l
‑
p
lim
/2)2[0074]
式中，u
fc*
为燃料电池效用函数，p
fc
为燃料电池目标输出功率，p
fc,top
为燃料电池在最高效率点的输出功率，p
fc,l
燃料电池上一秒输出功率，p
lim
为燃料电池1秒内功率最大变化值，为常数，b1、b2，为系数且大于0小于1。
[0075]
3)电机作为负载以及能源消耗来源，也要满足电机需求功率等于燃料电池提供的功率与超级电容提供的功率之和，因此定义负载的效用函数u
load
及输入输出功率之间的误差函数为：
[0076]
u
load
＝1
‑
c3(p
req
‑
p
fc
‑
p
uc
)2[0077]
式中，u
load*
为负载的效用函数，p
req
为车辆需求功率。
[0078]
4)负载的效用函数只包含了能源的控制变量p
uc
，p
fc
，而p
uc
，p
fc
由u
*uc
和u
*fc
联立求解出，u
load
并没有自己独立控制的变量，因此负载的效用函数不应该作为一个独立的考虑对象。所以将负载的效用函数与电池和燃料电池的效用函数合并，并将超级电容与燃料电池最终的效用函数形式改写如下：
[0079]
u
uc
＝1
‑
a1(p
uc
‑
p
uc,best
)2‑
(1
‑
a1)(p
req
‑
p
fc
‑
p
uc
)2[0080]
u
fc
＝1
‑
b1(p
fc
‑
p
fc,top
)2‑
b2(p
fc
‑
p
fc,l
‑
p
lim
/2)2‑
(1
‑
b1‑
b2)(p
req
‑
p
fc
‑
p
uc
)2[0081]
如图3所示，燃料电池与超级电容输出功率由以下迭代流程的计算得出：
[0082]
s1：初始化燃料电池与超级电容输出功率，p
fc
＝p
uc
＝0，随机产生大于0小于1的系数a1，b1，b2。
[0083]
s2：输入实时的负载需求功率p
req
，超级电容和燃料电池确定各自的效用函数，分别为u
uc
和u
fc
。
[0084]
s3：保存历史计算信息，p
uc,last
＝p
uc
，p
fc,last
＝p
fc
。
[0085]
s4：对电池以及燃料电池的效用函数求导，以获得各自效用函数最大化，
[0086][0087]
获得此时超级电容和燃料电池的输出功率：
[0088]
p
uc
＝a1p
uc,best
(1
‑
a1)(p
req
‑
p
fc
)
[0089]
p
fc
＝b1p
fc,top
b2(p
fc,l
p
lim
/2) (1
‑
b1‑
b2)(p
req
‑
p
uc
)
[0090]
s5：共享信息，如果|p
uc
‑
p
uc,last
|<θ1，|p
fc
‑
p
fc,last
|<θ2，转入步骤7，否则转入步骤6。
[0091]
s6：超级电容和燃料电池根据共享信息调整各自的效用函数中的系数a1，b1，b2，转入s3。
[0092]
s7：达到纳什均衡，输出电池和燃料电池功率p
uc
和p
fc
，转入s2，进入下一轮新的需求功率下的博弈。
[0093]
式中p
uc,last
，p
fc,last
分别为纳什均衡迭代过程中上一次求解得出的超级电容和燃料电池输出功率值。
[0094]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置
而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0095]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。