考虑行驶成本与寿命成本的燃料电池重卡功率管理方法

1.本发明属于燃料电池混合动力重型卡车功率管理领域，特别是涉及一种考虑行驶成本与寿命成本的燃料电池重卡功率管理方法。


背景技术：

2.氢燃料电池汽车是氢能与新能源汽车的结合，具有噪声低、清洁环保、工作效率高、氢气加注速率快等方面优势。在应对能源转型与环境恶化问题时，氢燃料电池汽车的发展已经成为未来汽车行业发展的必然趋势。同时重型卡车长期面临能源消耗大、能源污染重等问题，氢燃料电池与重型卡车的组合不仅能够有效缓解环境污染问题，还可以满足实际使用需求。
3.其中混合动力系统的功率管理方法研究是氢燃料电池重卡的核心技术之一，如何使多个动力源构成的混合动力系统在实现系统运行稳定、可靠、高效的基础上，还能达到以下目标：(1)燃料经济性好；(2)延长燃料电池寿命。目前对重卡的功率管理研究中，只关注了燃料经济性，或者只关注了燃料电池寿命中的启停次数，并没有结合燃料电池效率与燃料电池输出功率波动综合考虑燃料电池寿命。因此，本发明提出了一种综合考虑行驶成本与寿命成本的燃料电池重卡功率管理方法，既可以实现燃料经济性最优，也可以提高燃料电池寿命。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种考虑行驶成本与寿命成本的燃料电池重卡功率管理方法，以解决上述现有技术存在的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种考虑行驶成本与寿命成本的燃料电池重卡功率管理方法，包括：
6.s1.获取重型卡车在当前瞬时车速下的负载需求功率、上一时刻的燃料电池输出功率与蓄电池荷电状态，将所述负载需求功率输入功率控制器，若在此时刻到之前的2分钟时刻内，所述负载需求功率均为零，则燃料电池停止工作；所述负载需求功率不都是零，则进入s2；
7.s2.构建等效氢耗量最小的目标函数，对所述目标函数采用求解非线性多元函数最小值的方法求解，得到等效氢耗量最小的目标下对应的燃料电池最优输出功率与蓄电池功率；
8.s3.获取燃料电池输出效率与燃料电池输出功率的关系曲线，并将燃料电池的输出功率划分为低效率区间、中效率区间与高效率区间；判断所述燃料电池最优输出功率所在的效率区间，在不同的效率区间，基于最小化等效氢耗量、降低燃料电池功率波动与提高燃料电池效率的优先级，进行功率管理的优化，获得燃料电池最优需求功率；
9.s4.所述功率控制器输出燃料电池最优需求功率。
10.可选的，在所述s2中，等效氢耗量为燃料电池氢耗量与蓄电池等效氢耗量之和。
11.可选的，所述s2中的目标函数为：minc
all
＝min(c
fc
kc
bat
)，其中，
12.c
all
＝c
fc
kc
bat
13.c
fc
＝mp
fc
n
[0014][0015][0016]call
等效氢耗量，c
fc
为燃料电池的氢耗量，c
bat
为蓄电池等效氢耗量，p
fc
为所述燃料电池输出功率，k为蓄电池等效氢耗量的等效因子；μ为电池soc的平衡系数，为了限制soc的波动；soc为所述蓄电池荷电状态；m、n为燃料电池氢耗量cfc拟合曲线中的常数；p
bat
为蓄电池功率；η
dis
与分别为蓄电池放电效率与平均放电效率，η
chg
与分别为蓄电池充电效率与平均充电效率；c
fc，avg
为燃料电池平均瞬时氢耗，p
fc，avg
为燃料电池平均输出功率，计算过程中，令c
fc，avg
＝mp
fc，avg
。
[0017]
可选的，所述目标函数的约束条件为：
[0018]
p
req
(k)＝p
fc
(k) p
bat
(k)；
[0019]
soc
min
≤soc(k)≤soc
max
；
[0020]
p
fcmin
≤p
fcref1
(k)≤p
fcmax
；
[0021]
p
charge_limit
≤p
bat
(k)≤p
discharge_limit
；
[0022]
其中p
req
(k)为负载需求功率，p
fc
为所述燃料电池输出功率，p
fcref1
(k)为等效氢耗量最小下计算出的燃料电池需求功率，p
bat
(k)为蓄电池功率，soc
min
与soc
max
分别为蓄电池荷电状态最低值与最高值，p
fcmin
与p
fcmax
分别为燃料电池输出功率最低值与最高值，p
charge_limit
为蓄电池充电功率最大值，p
discharge_limit
为蓄电池放电功率最大值。
[0023]
可选的，在所述s3中，关系曲线的计算方法为：
[0024]
η
fcs
＝η
stack
·
ηe·
ηf[0025][0026]
ηe＝p
fc
/p
stack
[0027]
p
fc
＝p
stack-p
aux
[0028]
其中，η
fce
为所述输出效率，ηe为电效率，ηf为氢气利用率，vc为燃料电池单片电压，e为开路电压，与燃料电池电堆反应热相关，p
stack
为燃料电池电堆输出功率，p
aux
为燃料电池中辅机系统消耗功率。
[0029]
可选的，在所述s3中，若所述燃料电池最优输出功率位于所述中效率区间，则基于燃料电池效率与功率波动的影响，采用模糊控制进行功率管理优化。
[0030]
可选的，所述中效率区间包括区域ⅰ和区域ⅱ，对于区域ⅰ，燃料电池最优输出功率的模糊集论域定义为[p
fcmin
,p
fchighη_min
]，其中，p
fcmin
为燃料电池输出功率在所述区域ⅰ的最
小值，是燃料电池最低输出功率，p
fchighη_min
为燃料电池输出功率在所述区域ⅰ的最大值，对于区域ⅱ，燃料电池最优输出功率的模糊集论域定义为[p
fchighη_max
,p
fcmax
]，其中，p
fchighη_max
为燃料电池输出功率在中效率区域ⅱ的最小值，p
fcmax
为燃料电池输出功率在中效率区域ⅱ的最大值，也是燃料电池最大输出功率。
[0031]
可选的，在所述s2中，若所述燃料电池最优输出功率位于所述高效率区间，则基于等效氢耗量最小与最大允许功率波动限制，进行功率管理优化。
[0032]
可选的，功率波动为所述上一时刻燃料电池输出功率与所述当前瞬时车速下的负载需求功率的差值。
[0033]
本发明的技术效果为：
[0034]
本发明能够实现对系统燃料经济性、燃料电池效率与功率波动的优化，有效降低整车行驶成本与寿命成本。
附图说明
[0035]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0036]
图1为本发明实施例中的重卡系统结构；
[0037]
图2为本发明实施例中的综合考虑行驶成本与寿命成本的燃料电池重卡功率管理方法；
[0038]
图3为本发明实施例中的高、中、低三个效率区间的燃料电池效率与功率的关系曲线；
[0039]
图4为本发明实施例中的燃料电池最优输出功率位于中效率区间时模糊控制器输入量与输出量的隶属度关系图，其中图(a)为中效率ⅰ区间模糊控制器输入量与输出量的隶属度关系图，图(b)为中效率ⅱ区间模糊控制器输入量与输出量的隶属度关系图；
[0040]
图5为本发明实施例中的在chtc-tt路况下需求车速特征曲线；
[0041]
图6为本发明实施例中的在chtc-tt路况下需求车速与响应车速的差值曲线；
[0042]
图7为本发明实施例中的在chtc-tt路况下的功率变化图；
[0043]
图8为在本发明实施例中的在chtc-tt路况下本发明与状态机控制方法的等效氢耗量结果对比图；
[0044]
图9为在本发明实施例中的在chtc-tt路况下本发明与状态机控制方法的燃料电池效率对比图，其中图(a)为状态机控制方法燃料电池效率图，图(b)为本发明方法燃料电池效率图。
具体实施方式
[0045]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0046]
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0047]
实施例一
[0048]
如图1-9所示，本实施例中提供一种考虑行驶成本与寿命成本的燃料电池重卡功率管理方法，包括：
[0049]
本发明实施例中针对燃料电池混合动力重型卡车动力总成模型进行功率管理策略优化，其实际参考对象为重型卡车，重卡系统结构如图1所示，主要包括燃料电池动力子系统、车辆动力子系统和功率管理子系统，其中车辆动力子系统主要包括速度传感器、齿轮箱、差速器和车轮等。燃料电池动力子系统包括氢燃料电池、蓄电池、dc/dc变换器、逆变器与永磁同步电机。由于燃料电池的输出电压容易受负载波动的影响，因此需要利用boost变换器接入直流母线，蓄电池与直流母线直连。其中系统的动力参数如表1所示。功率管理子系统中的功率管理策略即为本发明提出的方法。
[0050]
表1
[0051][0052][0053]
本发明的综合考虑行驶成本与寿命成本的燃料电池重卡功率管理方法如图2所示。本实施例中，本发明将氢燃料电池混合动力重卡的功率管理子系统所要满足的需求设定为三个部分：
[0054]
(1)动态性能。功率管理系统应该满足燃料电池混合动力重卡对于当前实际路况的实时功率需求；
[0055]
(2)行驶成本低。功率管理系统应该满足燃料电池氢耗量与蓄电池等效氢耗量之和最小，尽可能在行驶过程中使燃料经济效益最大化；
[0056]
(3)寿命成本低。功率管理系统应避免燃料电池频繁启停、尽可能降低燃料电池功率波动范围、同时提高燃料电池工作效率，从而延长燃料电池的使用寿命。
[0057]
本发明的优化方法包括以下步骤s1至s4：
[0058]
s1：获取重型卡车在当前瞬时车速下的负载需求功率p
req
、上一时刻燃料电池输出功率p
fc
(k-1)与蓄电池荷电状态soc输入功率管理控制器，为避免燃料电池频繁启停，判断在此时刻到之前的2分钟时刻内，需求功率p
req
是否都为0，若是，则燃料电池停止工作；若否，则进行s2。
[0059]
s2：进行行驶成本层最优化计算。确定瞬时等效氢耗量优化函数，以燃料电池氢耗量与蓄电池等效氢耗量构成的等效氢耗量最小为优化目标，获得燃料电池最优输出功率p
fcreq1
。
[0060]
行驶成本层中等效氢耗量c
all
包括燃料电池的氢耗量c
fc
和蓄电池等效氢耗量c
bat
，计算公式为：
[0061]call
＝c
fc
kc
bat
[0062]cfc
＝mp
fc
n
[0063][0064][0065]
其中，k为蓄电池等效氢耗量的等效因子。m、n为燃料电池氢耗量cfc拟合曲线中的常数，这里取m＝0.0001，n＝-0.025。η
dis
与分别为蓄电池放电效率与平均放电效率，η
chg
与分别为蓄电池充电效率与平均充电效率。取c
fc，avg
为燃料电池平均瞬时氢耗，p
fc，avg
为燃料电池平均输出功率。为了简化计算过程，c
fc，avg
＝mp
fc，avg
。μ为电池soc的平衡系数，为了限制soc的波动，这里取0.65；
[0066]
瞬时等效氢耗量优化目标函数为：minc
all
＝min(c
fc
kc
bat
)，求解等效氢耗量最小的优化问题是指对该目标函数进行多变量有约束的最优值求解，其约束条件为：
[0067]
p
req
(k)＝p
fc
(k) p
bat
(k)；
[0068]
soc
min
≤soc(k)≤soc
max
；
[0069]
p
fcmin
≤p
fcref1
(k)≤p
fcmax
；
[0070]
p
charge_limit
≤p
bat
(k)≤p
discharge_limit
；
[0071]
其中p
req
(k)为负载需求功率，p
fcref1
(k)为等效氢耗量最小下计算出的燃料电池需求功率，p
bat
(k)为蓄电池功率，soc(k)为蓄电池荷电状态，p
fcmin
与p
fcmax
分别为燃料电池输出功率最低值与最高值，燃料电池效率与功率的关系曲线如图3所示，p
fcmin
与p
fcmax
的限制是为了避免燃料电池工作在低效率区间，在这里取p
fcmin
＝14kw，p
fcmax
＝130kw。
[0072]
对上述目标函数采用求解非线性多元函数最小值的方法求解出等效氢耗量最小的目标下对应的燃料电池需求功率p
fcref1
(k)、蓄电池功率p
bat
(k)。
[0073]
s3：进行寿命成本层优化。根据燃料电池效率与功率的关系曲线，如图3所示，判断s2中得到的最优输出功率p
fcreq1
所在效率区间，在不同的效率区间，考虑等效氢耗量小、降低燃料电池功率波动与提高燃料电池效率这三者的优先级，进行功率管理的优化，得到优化后的燃料电池需求功率输出p
fcref2
。
[0074]
燃料电池输出功率p
fc
与系统效率η
fcs
关系曲线的计算方法如下：
[0075]
η
fcs
＝η
stack
·
ηe·
ηf[0076][0077]
ηe＝p
fc
/p
stack
[0078]
p
fc
＝p
stack-p
aux
[0079]
其中，η
stack
为燃料电池电堆工作效率，ηe为电效率，ηf为氢气利用率。这里氢气利用率取99％。vc为燃料电池单片电压，e为开路电压，与燃料电池电堆反应热相关，高熵值的电堆1.49692，p
stack
为燃料电池电堆输出功率，p
aux
为燃料电池中辅机系统消耗功率。
[0080]
若得到的等效氢耗量最小下对应的燃料电池需求功率p
fcref1
(k)位于图3的中效率区间，考虑燃料电池效率与功率波动对寿命优化的影响，采用模糊控制进行优化，即提高燃料电池工作效率并降低燃料电池功率波动。在中效率区间下，寿命层优化后燃料电池需求功率的输出为p
fcref2
(k)＝(1 α)p
fcref1
(k)。
[0081]
其中，α为模糊控制器的单输出变量，作为燃料电池的寿命优化系数，目的是提高燃料电池效率并降低功率波动。模糊控制器的两个输入为p
fcref1
(k)和δp
fc
，其中δp
fc
＝p
fcref1
(k)-p
fc
(k-1)，δp
fc
为燃料电池功率波动大小，p
fc
(k-1)为上一时刻燃料电池输出功率。选择三角形函数作为输入输出变量的隶属度函数，根据输入输出的隶属度函数与模糊控制规则，采用mamdani直接推理法推理寿命优化系数α的值。
[0082]
在图5所示的燃料电池效率与输出功率关系曲线中，中效率区间包括区域ⅰ和区域ⅱ。
[0083]
对于区域ⅰ，p
fcref1
的模糊集论域定义为[p
fcmin
,p
fchighη_min
],p
fcmin
为燃料电池输出功率在中效率区间ⅰ的最小值，也是燃料电池最低输出功率，p
fchighη_min
为燃料电池输出功率在中效率区间ⅰ的最大值，也是高效率区间的最低值，这里取30kw。其语言变量设置为：{负大(nb)、负小(ns)、中(zo)、正小(ps)、正大(pb)}；δp
fc
的模糊集论域定义为[-100,0]，其语言变量设置为{负大(nb)、负小(ns)、中(zo)、正小(ps)、正大(pb)}；α的模糊集论域定义为[0,2]，其语言变量设置为{负大(nb)、负中(nm)、负小(ns)、中(zo)、正小(ps)、正中(pm)、正大(pb)}。模糊控制器输入量和输出量的模糊曲面如图4所示。建立如下表2所示的燃料电池的寿命优化系数α的模糊控制规则：
[0084]
表2
[0085][0086]
对于区域ⅱ，p
fcref1
的模糊集论域定义为[p
fchighη_max
,p
fcmax
]，p
fchighη_max
为燃料电池输出功率在中效率区间ⅱ的最小值，也是高效率区间的最大值，这里取100kw。p
fcmax
为燃料电池输出功率在中效率区间ⅱ的最大值，也是燃料电池最大输出功率，这里取130kw。其语言变量设置为：{负大(nb)、负小(ns)、中(zo)、正小(ps)、正大(pb)}；δp
fc
的模糊集论域定义为[0,100]，其语言变量设置为{负大(nb)、负小(ns)、中(zo)、正小(ps)、正大(pb)}；α的模糊集论域定义为[-0.5,0]，其语言变量设置为{负大(nb)、负中(nm)、负小(ns)、中(zo)、正小(ps)、正中(pm)、正大(pb)}。模糊控制器输入量和输出量的模糊曲面如图5所示。建立如下表3所示的燃料电池的寿命优化系数α的模糊控制规则：
[0087]
表3
[0088][0089][0090]
在中效率区间下，经过模糊控制后得到寿命优化系数α，计算寿命层优化后燃料电池需求功率的输出为p
fcref2
(k)＝(1 α)p
fcref1
(k)。
[0091]
若得到的等效氢耗量最小下对应的燃料电池需求功率p
fcref1
(k)位于高效率区间，考虑等效氢耗量最小与最大允许功率波动限制，得到此时寿命层燃料电池需求功率如下：
[0092]
δp＞0时，p
fcref2
(k)＝min{p
fc
(k-1) 60kw，p
fcref1
}
[0093]
δp＜0时，p
fcref2
(k)＝max{p
fc
(k-1) (-60kw)，p
fcref1
}
[0094]
s4：功率管理控制器输出燃料电池需求功率最优值p
fcreq_opt
＝p
fcreq2
。
[0095]
下面对本发明一种综合考虑行驶成本与寿命成本的燃料电池重卡功率管理方法在chtc-tt重型卡车模拟工况下的优化结果进行分析。
[0096]
对于chtc-tt测试循环，采用功率管理策略中常用的基于状态机控制方法与本发明提出方法进行结果对比。在chtc-tt路况下需求车速特征曲线如图5所示，图6为在chtc-tt路况下需求车速与响应车速的差值曲线，可以看出在需求车速不是从零突增的情况下，车速差值可以维持在绝对值为1km/h以内；若是从零突增，最大差值不会超过6km/h，并且能够迅速恢复到1km/h的差值以内，因此本发明提出的功率管理方法具有良好的动态性能，能够满足燃料电池重卡的需求速度实时变化需求。图7为在chtc-tt路况下采用本发明方法的输出功率曲线，可以得到燃料电池的输出功率在chtc-tt循环工况下保持相对平缓的波动，蓄电池提供了大部分的瞬时功率突增需求，这在一定程度上减小了燃料电池输出功率的大幅度波动，避免瞬时大范围的功率调节将有可能造成燃料电池不可逆的寿命衰减，因此本发明方法有利于减小燃料电池的性能衰减，延长电池的使用寿命。图8为在chtc-tt路况下本发明与状态机控制方法的等效氢耗量结果对比图，可以看出采用本发明方法的等效氢耗量更小，因此燃料与电量消耗更少，达到了降低行驶成本的功率管理目标。图9为在chtc-tt路况下本发明与状态机控制方法的燃料电池效率对比图，可以看出在本发明方法下，燃料电池工作效率明显提高，因此本发明方法有利于提高燃料电池的工作效率从而降低系统的寿命成本。
[0097]
实施例二
[0098]
本实施例中提供一种考虑行驶成本与寿命成本的燃料电池重卡功率管理方法，包括：
[0099]
s1.获取重型卡车在当前瞬时车速下的负载需求功率、上一时刻的燃料电池输出功率与蓄电池荷电状态，将所述负载需求功率输入功率控制器，若在此时刻到之前的2分钟
时刻内，所述负载需求功率均为零，则燃料电池停止工作；所述负载需求功率不都是零，则进入s2；功率控制器即功率管理控制器，功率控制器获取负载需求功率，然后分配燃料电池与动力电池的功率(也就是控制燃料电池开闭)，蓄电池即动力电池。
[0100]
s2.构建等效氢耗量最小的目标函数，对目标函数采用求解非线性多元函数最小值的方法求解，得到等效氢耗量最小的目标下对应的燃料电池最优输出功率与蓄电池功率；
[0101]
s3.获取燃料电池工作效率与燃料电池输出功率的关系曲线，并将燃料电池的工作效率划分为低效率区间、中效率区间与高效率区间；判断燃料电池最优输出功率所在的效率区间，在不同的效率区间，基于最小化等效氢耗量、降低燃料电池功率波动与提高燃料电池效率的优先级，进行功率管理的优化，获得燃料电池最优需求功率；
[0102]
s4.功率控制器输出燃料电池最优需求功率。
[0103]
作为一种实施方式，在s2中，等效氢耗量为燃料电池氢耗量与蓄电池等效氢耗量之和。
[0104]
作为一种实施方式，s2中的目标函数为：minc
all
＝min(c
fc
kc
bat
)，其中，
[0105]call
＝c
fc
kc
bat
[0106]cfc
＝mp
fc
n
[0107][0108][0109]call
等效氢耗量，c
fc
为燃料电池的氢耗量，c
bat
为蓄电池等效氢耗量，p
fc
为燃料电池输出功率，k为蓄电池等效氢耗量的等效因子；soc为蓄电池荷电状态；m、n为燃料电池氢耗量cfc拟合曲线中的常数；p
bat
为蓄电池功率；η
dis
与分别为蓄电池放电效率与平均放电效率，η
chg
与分别为蓄电池充电效率与平均充电效率；c
fc，avg
为燃料电池平均瞬时氢耗，p
fc，avg
为燃料电池平均输出功率，计算过程中，令c
fc，avg
＝mp
fc，avg
。
[0110]
作为一种实施方式，目标函数的约束条件为：
[0111]
p
req
(k)＝p
fc
(k) p
bat
(k)；
[0112]
soc
min
≤soc(k)≤soc
max
；
[0113]
p
fcmin
≤p
fcref1
(k)≤p
fcmax
；
[0114]
p
charge_limit
≤p
bat
(k)≤p
discharge_limit
；
[0115]
其中p
req
(k)为负载需求功率，p
fc
为燃料电池输出功率，p
fcref1
(k)为等效氢耗量最小下计算出的燃料电池需求功率，p
bat
(k)为蓄电池功率，soc(k)为蓄电池荷电状态，soc
min
与soc
max
分别为蓄电池荷电状态最低值与最高值，p
fcmin
与p
fcmax
分别为燃料电池输出功率最低值与最高值，p
charge_limit
为蓄电池充电功率最大值，p
discharge_limit
为蓄电池放电功率最大值。
[0116]
作为一种实施方式，在s3中，关系曲线的计算方法为：
[0117]
η
fcs
＝η
stack
·
ηe·
ηf[0118][0119]
ηe＝p
fc
/p
stack
[0120]
p
fc
＝p
stack-p
aux
[0121]
其中，η
fcs
为输出效率，ηe为电效率，ηf为氢气利用率，vc为燃料电池单片电压，e为开路电压，与燃料电池电堆反应热相关，p
stack
为燃料电池电堆输出功率，p
aux
为燃料电池中辅机系统消耗功率。
[0122]
作为一种实施方式，在s3中，若燃料电池最优输出功率位于中效率区间，则基于燃料电池效率与功率波动的影响，采用模糊控制进行功率管理优化。
[0123]
作为一种实施方式，中效率区间包括区域ⅰ和区域ii，对于区域ⅰ，燃料电池最优输出功率的模糊集论域定义为[p
fcmin
，p
fchighη_min
]，其中，p
fcmin
为燃料电池输出功率在区域ⅰ的最小值，是燃料电池最低输出功率，p
fchighη_min
为燃料电池输出功率在区域ⅰ的最大值，对于区域ⅱ，燃料电池最优输出功率的模糊集论域定义为[p
fchighη_max
,p
fcmax
]，其中，p
fchighη_max
为燃料电池输出功率在中效率区域ⅱ的最小值，p
fcmax
为燃料电池输出功率在中效率区域ⅱ的最大值，也是燃料电池最大输出功率。
[0124]
作为一种实施方式，在s2中，若燃料电池最优输出功率位于高效率区间，则基于等效氢耗量最小与最大允许功率波动限制，进行功率管理优化。
[0125]
作为一种实施方式，功率波动为上一时刻燃料电池输出功率与当前瞬时车速下的负载需求功率的差值。
[0126]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。