一种基于健康管控的混合动力能量分配方法与流程

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术中所存在的问题，本发明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，dv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
/hv c
gccv_gc
＝j
water
/hv c
gc
公式中的hv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_incv_in
)/v
g_outcgc
＝(j
water
l
ch
/h
ch
v
g_incv_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θc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：，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：阴极催化层是pemfc电化学反应发生的地方，催化层中的成分有电解质、铂粒子、碳载体、空白，空白的地方供化学反应生成的水流动，及时排除生成的水，防止发生水淹。空白部分占的比例又叫孔隙率，孔隙率的大小会影响催化层中的水含量，一般是孔隙率越大，越容易排除催化层的水分，但孔隙率设置不当会造成水淹和膜干；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
mc)其中，m
pt
表示阴极单位面积铂粒子的质量载荷，mc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：中的电解质体积分数w可由w计算公式计算而得：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；δm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，kd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
∞_pt
表示离子聚物相中稳定铂粒子的溶质浓度，c
∞_pt
计算公式如下：其中，r
t,pt
表示t时刻铂粒子半径，一般可认为：如果由两个最初的铂粒子形成一个新的铂粒子，那么r
t,pt
＝2
1/3
*r
0,pt
，如果由三个铂粒子形成新粒子，则r
t,pt
＝3
1/3
*r
0,pt
；γ
pt
表示铂的界面能量表面密度；v
ave
表示平均电压，一般可取0.8、0.9等；e
rev,pt
表示铂分解反应的可逆电压，是温度的函数，e
rev,pt
的计算公式如下：e
rev_pt
(t)＝1.188 3.2376
×
10-4
(t-298)e
rev_pt
(t)＝1.188 3.2376
×
10-4
(t-298)结合以上公式，即可搭建考虑催化层铂粒子团聚影响的pemfc水含量模型；步骤4，估计锂电池soc：为了研究如何精确估计锂电池soc这一问题，针对以往的研究不足，本技术方案中提出一种基于ukf算法联合估计的混合动力能量分配策略，在估计锂电池soc的过程中，同时估计其所基于的等效电路模型参数，保证锂电池等效电路模型的实时准确性。锂电池soc估计的详细过程如下：
电流的计算公式为：其中u
p
、c
p
均是可以表征锂电池运行特性的参数；锂电池soc的计算公式为：其中soc(t0)指的是初始时刻的soc，η表示锂电池效率，qn指锂电池的容量；联合电流的计算公式和锂电池soc的计算公式可得到锂电池的状态空间方程，此处对状态方程进行改进，在对soc进行估计的同时，引入对r0、rp、cp的估计，并实时更新：u
load,k
＝u
oc
(sock)-u
p,k-i
kr0,k
vku
load,k
＝u
oc
(sock)-u
p,k-i
kr0,k
vk即是：xk＝f(x
k-1
,u
k-1
) w
k-1
yk＝h(xk,uk) vkxk＝f(x
k-1
,u
k-1
) w
k-1
yk＝h(xk,uk) vk其中uk是模型的输入，此处为电流ik，wk为模型噪声，vk为测量噪声；步骤5，ukf算法联合估计锂电池soc的步骤如下：(1)变量的初始化，此处对变量维度进行了扩展，状态变量为：soc、u
p
、r0、r
p
和c
p
x0＝e(x(0))x0＝e(x(0))p0＝e[(x(0)-x0)(x(0)-x0)
t
]p0＝e[(x(0)-x0)(x(0)-x0)
t
](2)计算采样点sigmma点
其中l为状态值的维度，λ计算公式如下：λ＝α2(l κ)-lλ＝α2(l k)-lα决定了sigmma点的扩散，并被设置为一个较小的正值(0.1，0.01，0.001)，κ取为0；(3)状态更新sigmma点值更新：状态值更新：状态值更新：状态值更新：状态值更新：计算出估计的状态值的协方差计算出估计的状态值的协方差公式中的q为协方差矩阵，公式中的权重值计算公式如下：公式中的q为协方差矩阵，公式中的权重值计算公式如下：其中β＝2(4)更新测量值(4)更新测量值计算测量值协方差和交互协方差
其中r为测量噪声协方差(5)状态值和协方差的修正k＝p
xy
(py)-1
k＝p
xy
(py)-111
步骤6，能量管理部分，在混合动力功率分配的过程中，同时对pemfc的水含量和锂电池soc进行管控。
[0007]
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤6中，具体的管控步骤如下：步骤
①
，如果水含量值λ处于8～20之间，则以soc和需求功率作为输入来判断分配给锂电池和燃料电池的功率；步骤
②
，如果水含量λ《8，则需要增加进气湿度cin，cin＝cin 0.5(min(cin，1-cin))，进气湿度最大为1；步骤
③
，如果水含量λ》20，则需要减少进气湿度cin，cin＝cin-0.5(min(cin，1-cin))。
[0008]
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤
①
的具体步骤如下：步骤a，当需求功率小于100w时，此时负载处于小负荷运行状态，此时pemfc不工作，锂电池也可以单独承担负载功率；如果锂电池的soc》60％，说明锂电池荷电状态较好，此时pli＝preq，由锂电池单独供电；如果锂电池的soc《60％，表示锂电池需要充电，此时ppem＝100w，供给负载剩余的功率给锂电池充电，pli＝100-preq；步骤b，当需求功率100w《preq《300w时，此时负载处于中负荷运行状态，锂电池不能单独承担负载功率；如果锂电池的soc《60％，pemfc给负载供电的同时，需要给锂电池充电，ppem＝300w，pli＝ppem-preq；否则锂电池soc》60％，此时ppem＝100w，pli＝preq-100；步骤c，当preq》300w时，此时负载处于大负荷运行状态，如果锂电池的soc》60％，ppem＝300w，pli＝preq-ppem，pemfc和锂电池同时给负载供电，否则锂电池soc《60％，此时pemfc以最大功率运行，ppem＝500w，pli＝ppem-preq。
[0009]
本发明还公开了一种基于健康管控的混合动力系统能量分配系统，采用的技术方案是，包括pemfc模型、锂电池模型、水含量模块、soc估计模块、能量分配模块和双向dcdc模块，所述pemfc模型连接水含量模块后连接所述能量分配模块，所述能量分配模块连接所述锂电池模型，所述锂电池模型连接soc估计模块后再次与所述能量分配模块相连，负载连接单向dcdc模块后连接所述pemfc模型，所述锂电池模型还连接双向dcdc模块，所述双向dcdc模块并联在所述负载和所述单向dcdc模块之间。
[0010]
本发明的有益效果：本发明通过建立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。
附图说明
[0011]
图1为本发明混合动力系统拓扑结构图；
[0012]
图2为本发明基于催化层水含量的pemfc电化学模型示意图；
[0013]
图3为本发明ukf算法联合估计锂电池soc模型示意图；
[0014]
图4为本发明pemfc与锂电池混合动力系统模型结构示意图；
[0015]
图5为本发明混合动力能量分配算法流程图；
[0016]
图6为本发明pemfc沿质子传导方向的组件分布示意图；
[0017]
图7为本发明气液分界面示意图；
[0018]
图8为锂电池戴维南等效电路；
[0019]
图9为本发明混合动力半实物仿真原理图；
[0020]
图10为本发明混合动力系统半实物仿真功率分配结果图；
[0021]
图11为本发明半实物仿真中锂电池soc的变化曲线图；
[0022]
图12为半实物仿真过程中水含量的变化示意图。
[0023]
图中：1、pemfc模型；2、水含量模块；3、能量分配模块；4、soc估计模块；5、锂电池模型；6、双向dcdc模块。
具体实施方式
[0024]
实施例1
[0025]
如图1至图12所示，本发明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，首先，基于考虑催化层铂粒子团聚子模型的pemfc水含量模型，分析水含量对pemfc性能衰减的影响，为能量分配提供pemfc健康管控的基准；然后，构思了一种改进的锂电池状态空间方程，使用ukf算法联合估计锂电池soc和模型参数，精确估计锂电池soc，为能量分配算法提供锂电池健康管控的基准；最后，以pemfc水含量、锂电池soc和需求功率为输入，开发了一种基于健康管理的混合动力能量分配算法，实现在能量分配的过程中同时管控pemfc的锂电池的健康状态。
[0026]
针对以往的研究不足，本文分别研究pemfc和锂电池的健康状态，选取水含量作为表征pemfc健康状态的关键因子，选取soc作为表征锂电池健康状态的关键因子。
[0027]
为研究水含量与pemfc健康状态之间的关系，以催化层为主要关注点，建立pemfc内部水含量分布模型，考虑了质子拖拽、努森扩散、毛细流动等对水含量的影响，以及催化层铂粒子团聚对水含量的影响，建立的水含量模型的输入有：进气湿度、气体流速、电流、铂粒子团聚半径等；水含量模型的输出为电堆催化层水含量值。然后，在pemfc电化学模型中引入水含量影响因子，研究水含量对pemfc电化学模型中浓度损失、欧姆损失、极化损失的影响，以及对极化曲线的影响，通过控制pemfc水含量在一定的范围来保证pemfc的健康状
态，达到对其健康管控的目的。进一步的，pemfc水含量模型搭建如下：
[0028]
水在电堆中是动态的存在，会在扩散层、质子交换膜、催化层之间相互流动，因此还需要考虑扩散层和质子交换膜中水的传递，图6所示为电堆组件分布。据图6，建立沿扩散层、催化层、膜方向的一维水含量模型，沿该方向上，存在气态水、液态水、膜中水。在以往通过可视化技术研究水含量分布的实验中观察到，在扩散层往往存在一个汽液分界面，类似如图7所示的情况，其中lgdl lcl表示阴极催化层所在的位置，即是图6中lgdl lcl的位置，其中假设在x_interface左侧不存在液态水。
[0029]
依据pemfc发电原理公式该反应是在阴极催化层发生的，液态水是在阴极催化层生成的，然后向其他部分扩散，此处气液水分界面存在的假设可参考文献“analytical calculation and evaluation of water transport through a proton exchange membrane fuel cell based on a one-dimensional model”中的图2。
[0030]
依据上述理论，液态水是在阴极催化层生成的，扩散层的水是通过水的扩散作用从催化层扩散过去的，与观察到的液态水分界面情况符合，因此为简化水含量分析模型，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。依据上面的气液分界面的假设，建立模型的第一步就是求出气液分界面的位置，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，dv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
/hv c
gccv_gc
＝j
water
/hv c
gc
公式中的hv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_incv_in
)/v
g_outcgc
＝(j
water
l
ch
/h
ch
v
g_incv_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θc指的是扩散层接触角，参考文献“investigation of current density spatial distribution in pem fuel cells using a comprehensively validated multi-phase non-isothermal model.”，这里θc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：，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：阴极催化层是pemfc电化学反应发生的地方，催化层中的成分有电解质、铂粒子、碳载体、空白，空白的地方供化学反应生成的水流动，及时排除生成的水，防止发生水淹。空白部分占的比例又叫孔隙率，孔隙率的大小会影响催化层中的水含量，一般是孔隙率越大，越容易排除催化层的水分，但孔隙率设置不当会造成水淹和膜干；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
mc)其中，m
pt
表示阴极单位面积铂粒子的质量载荷，mc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：
其中w
agg
表示团聚体体积分数，一般是一个定值；δm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，kd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
∞_pt
表示离子聚物相中稳定铂粒子的溶质浓度，c
∞_pt
计算公式如下：其中，r
t,pt
表示t时刻铂粒子半径，一般可认为：如果由两个最初的铂粒子形成一个新的铂粒子，那么r
t,pt
＝2
1/3
*r
0,pt
，如果由三个铂粒子形成新粒子，则r
t,pt
＝3
1/3
*r
0,pt
；γ
pt
表示铂的界面能量表面密度；v
ave
表示平均电压，一般可取0.8、0.9等；e
rev,pt
表示铂分解反应的可逆电压，是温度的函数，e
rev,pt
的计算公式如下：e
rev_pt
(t)＝1.188 3.2376
×
10-4
(t-298)e
rev_pt
(t)＝1.188 3.2376
×
10-4
(t-298)结合以上公式，即可搭建考虑催化层铂粒子团聚影响的pemfc水含量模型；步骤4，估计锂电池soc：为了研究如何精确估计锂电池soc这一问题，针对以往的研究不足，本技术方案中提出一种基于ukf算法联合估计的混合动力能量分配策略，在估计锂电池soc的过程中，同时估计其所基于的等效电路模型参数，保证锂电池等效电路模型的实时准确性。锂电池soc估计的详细过程如下：电流的计算公式为：其中u
p
、c
p
均是可以表征锂电池运行特性的参数；锂电池soc的计算公式为：其中soc(t0)指的是初始时刻的soc，η表示锂电池效率，qn指锂电池的容量；联合电流的计算公式和锂电池soc的计算公式可得到锂电池的状态空间方程，此处对状态方程进行改进，在对soc进行估计的同时，引入对r0、rp、cp的估计，并实时更新：uload,k
＝u
oc
(sock)-u
p,k-i
kr0,k
vku
load,k
＝u
oc
(sock)-u
p,k-i
kr0,k
vk即是：xk＝f(x
k-1
,u
k-1
) w
k-1
yk＝h(xk,uk) vkxk＝f(x
k-1
,u
k-1
) w
k-1
yk＝h(xk,uk) vk其中uk是模型的输入，此处为电流ik，wk为模型噪声，vk为测量噪声；步骤5，ukf算法联合估计锂电池soc的步骤如下：(1)变量的初始化，此处对变量维度进行了扩展，状态变量为：soc、u
p
、r0、r
p
和c
p
x0＝e(x(0))x0＝e(x(0))p0＝e[(x(0)-x0)(x(0)-x0)
t
]p0＝e[(x(0)-x0)(x(0)-x0)
t
](2)计算采样点sigmma点(2)计算采样点sigmma点(2)计算采样点sigmma点(2)计算采样点sigmma点(2)计算采样点sigmma点其中l为状态值的维度，λ计算公式如下：λ＝α2(l κ)-lλ＝α2(l k)-lα决定了sigmma点的扩散，并被设置为一个较小的正值(0.1，0.01，0.001)，κ取为0；(3)状态更新
sigmma点值更新：状态值更新：状态值更新：状态值更新：状态值更新：计算出估计的状态值的协方差计算出估计的状态值的协方差公式中的q为协方差矩阵，公式中的权重值计算公式如下：公式中的q为协方差矩阵，公式中的权重值计算公式如下：其中β＝2(4)更新测量值(4)更新测量值计算测量值协方差和交互协方差计算测量值协方差和交互协方差计算测量值协方差和交互协方差其中r为测量噪声协方差(5)状态值和协方差的修正k＝p
xy
(py)-1
k＝p
xy
(py)-11
步骤6，能量管理部分，在混合动力功率分配的过程中，同时对pemfc的水含量和锂电池soc进行管控，具体的管控步骤如下：步骤
①
，如果水含量值λ处于8～20之间，则以soc和需求功率作为输入来判断分配给锂电池和燃料电池的功率，如图5所示，此时进行步骤a至步骤c的操作：步骤a，当需求功率小于100w时，此时负载处于小负荷运行状态，此时pemfc不工作，锂电池也可以单独承担负载功率；如果锂电池的soc》60％，说明锂电池荷电状态较好，此时pli＝preq，由锂电池单独供电；如果锂电池的soc《60％，表示锂电池需要充电，此时ppem＝100w，供给负载剩余的功率给锂电池充电，pli＝100-preq；步骤b，当需求功率100w《preq《300w时，此时负载处于中负荷运行状态，锂电池不能单独承担负载功率；如果锂电池的soc《60％，pemfc给负载供电的同时，需要给锂电池充电，ppem＝300w，pli＝ppem-preq；否则锂电池soc》60％，此时ppem＝100w，pli＝preq-100；步骤c，当preq》300w时，此时负载处于大负荷运行状态，如果锂电池的soc》60％，ppem＝300w，pli＝preq-ppem，pemfc和锂电池同时给负载供电，否则锂电池soc《60％，此时pemfc以最大功率运行，ppem＝500w，pli＝ppem-preq。步骤
②
，如果水含量λ《8，则需要增加进气湿度cin，cin＝cin 0.5(min(cin，1-cin))，进气湿度最大为1；步骤
③
，如果水含量λ》20，则需要减少进气湿度cin，cin＝cin-0.5(min(cin，1-cin))。
[0031]
本实施例还公开了一种基于上述混合动力能量分配方法的混合动力能量分配系统，采用的技术方案是，包括pemfc模型1、锂电池模型5、水含量模块2、soc估计模块4、能量分配模块3和双向dcdc6；其中，
[0032]
所述的pemfc模型1包括铂粒子团聚子模型、水含量模型、pemfc电化学模型，铂粒子团聚模型负责分析铂粒子团聚与水含量之间的关系；水含量模型是为了计算电堆内部水含量值，分析电堆内部的水含量分布；电化学模型是为了分析水含量值对pemfc电压损失和极化曲线的影响，研究水含量对电堆性能衰减的影响。
[0033]
所述锂电池模型5包括搭建的锂电池戴维南等效电路模型(如图8所示)和参数辨识。戴维南等效电路是一种较为简单的锂电池等效电路，既能部分反映锂电池性能，使用起来又比较方便；使用的参数辨识方法为最小二乘法，辨识锂电池戴维南等效电路初始参数。
[0034]
所述soc估计模块4是使用ukf算法联合估计锂电池soc和模型参数，在估计soc的过程中保证其基于的等效电路模型的实时准确性，从而保证锂电池soc估计的更加准确性。
[0035]
为实现所述soc估计模块4，基于建立的锂电池戴维南等效电路模型和参数辨识，设计了一种改进的锂电池状态空间方程，对锂电池状态空间方程的维度进行扩展，紧接着使用ukf算法联合估计锂电池soc和模型参数，保证估计soc所基于的模型的实时准确性。
[0036]
所述水含量模块2是考虑质子拖拽、努森扩散、相互转化对水含量的影响，以及催化从铂粒子团聚对水含量的影响而建立的pemfc水含量模型。
[0037]
所述双向dcdc模块6是为了满足锂电池的充电和放电，其可以工作在boost和buck模式下，通过这种方式，稳定母线电压，同时达到对锂电池充电和放电的目的。
[0038]
所述能量分配模块3是一种考虑健康管控的分配策略。该能量分配策略以pemfc水
含量、锂电池soc和需求功率为输入，输出为pemfc功率和锂电池功率，通过将pemfc和锂电池soc作为功率分配的基准，保证在功率分配过程中pemfc和锂电池的健康状态。
[0039]
本技术方案的实际操作过程如下：按照图4所示的pemfc与锂电池混合动力系统模型结构，将所提出的考虑健康管控的混合动力能量分配策略应用到半实物平台上。dspace是与matlab一起使用的半实物仿真系统，半实物仿真(hil)是一种将数字模型与实际电信号系统结合起来的技术。通过将在matlab中搭建的simulink模型(pemfc的水含量模型和电压降模型)下载到dspace主机中，外围搭配真实的控制器(plc200或plc300)、dcdc、电子负载等，来达到与真实的实验系统相同的效果。pemfc和锂电池混合动力半实物仿真平台主要包括dspace板、安装有matlab2018a的主机、plc控制器、dcdc、电子负载、以及电流电压传感器等，仿真原理图如图9所示。
[0040]
图9中dspace(digital signal processing and control engineering)，主要包括接口板和matlab插件，需要配合安装有对应matlab版本(2018a)的主机使用。在半实物仿真过程中，将matlab/simulink中搭建的模型下载到dspace的接口板中，模型主要包括pemfc的水含量模型和电压降模型，通过使用“pemfc模型 dspace接口板”来模拟真实的pemfc电堆，接口板上的da接口可将模型中的数字信号转换成实际模拟信号输出。半实物仿真过程中下载到dspace的模型有电堆水含量分析模型和pemfc电化学模型，其中pemfc电化学模型的输出通过接口板的da转换，输出到可控直流电源，通过这种方式来模拟真实的pemfc电堆输出；水含量分析模型的输出也通过da转换接口，将其转换成实际的电信号，然后输出到功率分配控制器中。通过这种方式，将仿真模型与实际控制器系统结合，在达到与实验相同的效果同时，缩短了实验周期，弥补了由于实验限制而无法对控制器进行有效测试的缺陷。
[0041]
图9中直流稳压电源的作用是为了与下载到dspace中的pemfc模型相结合，一起来模拟实际的燃料电池，半实物仿真系统中使用到的直流稳压电源有两种工作方式，分别是内控和外控模式，外控模式下又分为电压外控和电流外控，本实验中采用的是电压外控模式，将通过dspace接口板上da转换得到的电压信号接到外控电压端子。
[0042]
图9中dcdc的作用是保持母线电压的稳定，与燃料电池支路连接的是单向dcdc，而与锂电池支路连接的是双向dcdc，因为锂电池有充放电两种工作模式，当双向dcdc工作在升压模式时，锂电池放电，当双向dcdc工作在降压模式，锂电池工作在充电模式。
[0043]
dspace半实物仿真实验中使用可编程电子负载模拟实际的负载，使用过程中电子负载可给定电压和电流，以模拟真实的负载情况。
[0044]
图9中的功率分配控制器，此处使用的是plc300控制器，型号为cpu 315-2dp，还包括给该plc供电的电源。使用过程中plc300配合科创思sm231和科创思sm232一起使用。
[0045]
科创思sm231为输入模块，负责接收通过dspace接口板d/a接口转换的模拟信号，将这些信号输入到控制器cpu中。科创思sm232是输出模块，负责将通过控制器处理的输出模拟信号输出到dspace接口板的a/d接口，转换成数字信号作为pemfc模型的输入。需要注意的是要正确设置dspace接口板输入输出范围和sm231、sm232的输入输出范围，一般为0-10ma和0-10v。
[0046]
按照图9连接各个模块，在matlab/simulink中生成负载需求曲线，半实物仿真实
验用到的负载需求以混合动力无人艇为背景，一般情况下，无人艇启动时需要的功率较大，稳定运行过程中功率基本上恒定，为了使半实物仿真更符合真实的无人艇运行情况，此处设置负载为400w-0w-300w-0w-200w-0w-100w-0w，模拟其高功率启动，且运行过程中功率突变的情况。
[0047]
根据所选择的负载变化情况，最大负载需求为400w左右。半实物仿真实验中，将pemfc设置为30片，可承担的放电电流为0-20a，最大可承受25a的放电电流，用dspace模拟的燃料电池的最大功率为500w，pemfc电堆的水含量分析模型部分，设置初始的进气湿度为0.5，初始的水含量λ值即可由电流和进气湿度求得。半实物仿真中使用到的锂电池标称电压为24v，锂电池容量为22ah，与纯仿真的数据相对应，锂电池的合理soc区间设置为0.6到0.8，初始的soc设置为0.8。
[0048]
最终，在搭建的dspace半实物仿真平台得到混合动力系统功率响应曲线如图10所示，图中的三条曲线分别表示需求功率曲线、pemfc功率曲线、锂电池功率曲线。从整个混合动力半实物仿真过程看，提出的考虑混合动力系统健康管控的能量分配策略能满足不同的负载需求变化，而且可以观察到，当负载需求变化时，锂电池功率首先跟上其变化，从而给了pemfc功率缓存的时间。在0-20s之间，负载需求功率为400w左右，是模拟的系统高功率启动的情况，此时锂电池的输出功率有一个由高到低的跳变，即表示锂电池功率快速变化，运行稳定后，pemfc电堆输出功率为300w左右，锂电池输出功率为100w左右，且跟随需求功率小范围内波动；20-40s之间，需求功率为0，此时pemfc负责给锂电池充电；40-60s时，需求功率由0w变为300w，可以发现是由锂电池的功率首先跟随需求功率剧烈波动，而pem的功率是缓慢变化到一定的功率直至稳定，最后pemfc电堆输出功率稳定在200w左右；在80-100s和100-130s之间，系统处于低功率运行阶段，与之前观察到的现象一样，当需求功率变化时，先有锂电池功率跟随变化，pem电堆功率是缓慢变化，需要注意的是在110-130s期间，是由锂电池完全供给需求功率，此时pem输出功率为零，避免了pemfc长期工作在高压情景下，也能达到控制电堆内部水含量，进而提升其运行性能。
[0049]
图11所示是混合动力系统半实物仿真过程中锂电池soc的变化，观察分析可知，与之前的理论分析相符，整个仿真过程中锂电池soc保持在0.6到0.8的范围内。初始的soc设置为0.8，刚开始启动阶段，锂电池放电电流较大，此阶段soc下降趋势也较大，与图10中锂电池输出功率对比分析，可以发现锂电池充电过程中(输出功率为负)其soc逐渐增大，锂电池放电时(输出功率为正值)其soc逐渐减少，而且锂电池soc波动范围在半实物仿真过程中呈减小趋势，刚开始在0.65-0.8的范围波动，后来基本在0.65-0.75的范围内波动，进一步说明提出的考虑pem电堆退化的能量分配策略可以适当降低锂电池损耗，验证了其有效性。
[0050]
图12所示为混合动力系统半实物仿真过程中pem电堆内部水含量的变化，初始的水含量设置为12。与图10中pem电堆的功率曲线比较分析，可得到电堆的输出功率越大，其内部水含量越大，而且在相同的功率附近，水含量呈缓慢增加的趋势。当电堆输出功率为0时，电堆内部水含量先迅速降低，然后再缓慢降低。这种现象与第二章中分析的电流对水含量影响的理论一致，水含量缓慢上升的原因是：在电堆运行中，虽然水会被排除，但会有部分水在电堆中留存，所以随着电堆的放电，电堆内部水含量呈缓慢上升趋势；同理，其水含量缓慢下降的原因是当电堆不放电时，内部的部分水含量会被通入的空气带出，进而造成水含量的缓慢下降。整个半实物仿真过程中电堆内部水含量保持在14-18.5的范围，依据之
前分析可得：水含量λ值在此范围时，pem电堆的健康状态较好，验证了提出的考虑电堆退化的能量分配算法在降低pemfc的退化方面的有效性。
[0051]
本发明涉及的电路连接为本领域技术人员采用的惯用手段，可通过有限次试验得到技术启示，属于公知常识。
[0052]
本文中未详细说明的部件为现有技术。
[0053]
上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。