CN107901776B - 电动汽车复合电源燃料电池混合能量***功率分流方法 - Google Patents

电动汽车复合电源燃料电池混合能量***功率分流方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电动汽车复合电源燃料电池混合能量***功率分流方法，步骤一，燃料电池控制器在燃料电池开机时采集初始时刻的燃料电池电压和初始时刻的燃料电池电流,并在接下来的每一时刻采集燃料电池电压和复合电源电压；步骤二，建立复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型确定燃料电池在下一时刻的功率，步骤三，进一步确定下一时刻蓄电池参考输出功率和下一时刻超级电容的参考输出功率，实现功率分流；本方法通过对整车需求功率的优化分流，弥补了燃料电池动态响应慢的不足，同时减少了复合电源功率损失，提高了复合电源工作效率，满足车辆的动力性要求，提高车辆的续驶里程。

Description

电动汽车复合电源燃料电池混合能量***功率分流方法
技术领域
本发明属于燃料电池电动汽车技术领域，特别涉及一种带有复合电源的燃料电池汽车的复合电源燃料电池混合能量***功率分流方法。
背景技术
纯电动客车满载质量大，运行过程消耗的能量高，而受电池容量的限制，纯电动客车的续驶里程十分有限，深度放电不可避免；与此同时，在起步、爬坡时往往瞬时需求功率较大，蓄电池会处于大电流放电状态。蓄电池深度充放电以及大电流充放电状态会极大地削减蓄电池寿命。
为解决该问题，目前比较合理的解决办法是采用蓄电池、超级电容、燃料电池复合能量***，或者其两两组合构成双源复合能量***。燃料电池***其持续发电能力强,但是输出功率变化需要实时调整氢气和空气供应***以及水循环散热***,其动态响应相对较慢；超级电容动态响应特性好,功率密度高,但持续放电时间短；蓄电池能量密度较高,持续放电时间较长,但功率密度较低。将三者通过耦合构建混合能量***,可以充分发挥燃料电池、蓄电池和超级电容的优势。超级电容的“削峰填谷”作用可以有效的避免蓄电池的大电流充放电问题，燃料电池提供持续性的平均功率可以避免蓄电池的深度放电。
复合能量***的核心控制问题是功率分流方法，公开号为CN105480101A，公布日为2016年4月13日，发明名称为“一种复合电源电动汽车的功率分配方法及装置”，该发明首先依据蓄电池与超级电容的温度与电压特性曲线计算两者的荷电状态，继而依据两者的荷电状态进行复合电源功率分流，该发明提出蓄电池与超级电容的荷电状态计算方法，但是未提出具体的功率分流方法。公开号为CN104477045A，公布日为2015年4月1日，发明名称为“能源效率最大化优化下的混合动力汽车复合电源及方法”，该发明基于混合动力汽车构型，虽然提出了遵循复合电源功率损失最小的原则进行功率分流策略，由于能量源只有复合电源，超级电容存储电量少，易出现蓄电池过度放电的问题。公开号为CN104972918A，公布日期为2015年10月14日，发明名称为“燃料电池混合动力有轨电车多动力源自适应能量管理***”，该发明虽然引入燃料电池作为持续能量源，并通过实时检测运行工况和动力***状态进行燃料电池单元、蓄电池单元和超级电容单元之间的功率实时自适应分配,实时自适应功率分配对于超级电容和蓄电池可以实现较好的控制，由于燃料电池动态响应具有滞后性，所以采用这种方法控制燃料电池具有一定的局限性。
发明内容
本发明是为克服现有技术燃料电池功率损失大、蓄电池单方面过度放电以及超级电容“削峰填谷”作用发挥不充分等问题，提出一种复合电源燃料电池混合能量***功率分流方法；
本发明提出的复合电源燃料电池混合能量***功率分流方法的架构主要包括基于预测模型的燃料电池功率分流模块和兼顾功率损失与电量平衡的瞬时最优复合电源功率分流模块。基于预测模型的燃料电池控制器可以弥补其动态响应慢的不足，基于瞬时最优算法的复合电源控制器可以使复合电源工作时损失功率最小。
本发明所述的复合电源燃料电池混合能量***功率分流方法是通过如下技术方案实现的：
电动汽车复合电源燃料电池混合能量***功率分流方法，基于一种电动汽车复合电源燃料电池混合能量***，该复合电源燃料电池混合能量***包括燃料电池单元、超级电容单元、蓄电池单元，将蓄电池与超级电容并联组成复合电源，复合电源与燃料电池并联为车辆提供动力；该复合电源燃料电池混合能量***还包括燃料电池控制器和复合电源控制器，燃料电池控制器实现燃料电池和复合电源的功率分流，由于复合电源的功率由蓄电池和超级电容共同提供，因此还需要由复合电源控制器实现蓄电池和超级电容的功率分流，本方法具体步骤如下：
步骤一，燃料电池控制器在燃料电池开机时采集初始时刻的燃料电池电压Vfc(0)和初始时刻的燃料电池电流Ifc(0),并在接下来的每一时刻k，采集k时刻的燃料电池电压Vfc(k)、k时刻复合电源电压Vbat-sc(k)；
步骤二，建立复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型，复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型状态空间表达式如下：
x(k+1)＝A·x(k)+B·u(k)
y(k)＝C·x(k)+D·u(k)
***矩阵A和控制矩阵B分别如下：
其中：
Cfc为燃料电池容量；
Cbat-sc为复合电源容量；
ts为时间常数，即所采用的燃料电池控制器的采样时间；
Vdcbusref(k)为k时刻总线参考电压；
Vfcref(k)为k时刻燃料电池参考电压；
Vbat-scref(k)为k时刻复合电源参考电压；
输出矩阵C和直接传递矩阵D分别如下：
由该复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型计算得到的k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)和k时刻燃料电池参考电压Vfcref(k)作为控制量，即该复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型在k时刻的控制量空间u(k)包括k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)和k时刻燃料电池参考电压Vfcref(k)；该复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型在k时刻的控制量空间u(k)为：
状态空间x(k)包括k时刻的燃料电池电压Vfc(k)、k时刻复合电源电压Vbat-sc(k)以及在k-1时刻计算得到k-1时刻的燃料电池参考电流Ifcref(k-1)和k-1时刻复合电源参考电流Ibat-scref(k-1)，状态空间x(k+1)为k+1时刻的燃料电池电压Vfc(k+1)、k+1时刻复合电源电压Vbat-sc(k+1)以及在k时刻计算得到k时刻的燃料电池参考电流Ifcref(k)和k时刻复合电源参考电流Ibat-scref(k)；在k时刻的状态空间x(k)为：
k+1时刻的状态空间x(k+1)为：
复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型在k时刻的中间量空间y(k)包括k时刻燃料电池电压Vfc(k)、k时刻复合电源电压Vbat-sc(k)和复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型计算得到的k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)的微分dIfcref(k)和k时刻复合电源参考电流Ibat-scref(k)的微分dIbat-scref(k)以及k时刻总线参考电流的微分dIdcbus(k)，k时刻总线参考电流Ifcref(k)的微分dIdcbus(k)是燃料电池参考电流Ifcref(k)的微分dIfcref(k)和复合电源参考电流Ibat-scref(k)的微分dIbat-scref(k)的和，即dIdcbus(k)＝dIfcref(k)+dIbat-scref(k)；
复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型在k时刻的中间量空间y(k)为：
将上述复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型进行在线求解即可得到k+1时刻的控制量：k+1时刻燃料电池参考电流Ifcref(k+1)和k+1时刻燃料电池参考电压Vbat-scref(k+1)；
复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型是滚动向前计算的过程，即初始时刻的燃料电池电压Vfc(0)和初始时刻的燃料电池电流Ifc(0)已经确定的情况下，可以根据当前时刻即初始时刻复合电源燃料电池混合能量***状态空间得到下一时刻燃料电池参考电流Ifcref(1)和下一时刻燃料电池参考电压Vbat-scref(1)，进一步地，该预测模型可由k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)和k刻燃料电池参考电压Vfcref(k)，根据当前时刻即k时刻复合电源燃料电池混合能量***状态空间得到k+1时刻燃料电池参考电流Ifcref(k+1)和k+1时刻燃料电池参考电压Vbat-scref(k+1)；
得到k+1时刻燃料电池参考电流Ifcref(k+1)和k+1时刻燃料电池参考电压Vbat-scref(k+1)后，由此确定k+1时刻燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)和k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)，k+1时刻的燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)为：
Pfcref(k+1)＝Ifcref(k+1)×Vfcref(k+1)
从整车控制器中读取k时刻整车需求功率P(k)，车辆在行驶过程中，假定在采用时间间隔内整车需求功率不变，即k+1时刻整车需求功率P(k+1)＝P(k)，本方法最终要达到的目的是对纯电动汽车复合能量***对k+1时刻整车需求功率P(k+1)进行分流，上述复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型可以计算出k+1时刻的燃料电池输出功率，而k+1时刻整车需求功率P(k+1)是由k+1时刻燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)和k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)共同提供，且燃料电池和复合电源并联，即P(k+1)＝Pfcref(k+1)+Pbat-scref(k+1)，所以k+1时刻复合电源的参考功率Pbat-scref(k+1)为：
Pbat-scref(k+1)＝P(k+1)-Ifcref(k+1)×Vfcref(k+1)，其中：
P(k+1)＝P(k)；
步骤三，步骤二中确定了k+1时刻燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)和k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)，由于k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)由蓄电池和超级电容共同提供，复合电源由蓄电池和超级电容并联，即k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)＝Pbatref(k+1)+Pscref(k+1)，因此还需进一步确定k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)和k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)；
进一步确定k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)和k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)的过程如下：
复合电源控制器读取燃料电池控制器得到的k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)，并从整车控制器读取超级电容SOC和蓄电池SOC，k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)的功率分配原则具体如下：
a：若超级电容SOC大于0.8，蓄电池SOC小于0.2，说明超级电容存储电量充足，蓄电池存储电量不足，此时，k+1时刻复合电源参考输出功率全部由超级电容提供，即k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)＝0，k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)＝Pbat-scref(k+1)；
b：若超级电容SOC小于0.2，蓄电池SOC大于0.8，说明蓄电池电量充足，超级电容电量不足，此时，k+1时刻复合电源参考输出功率全部由蓄电池提供，即k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)＝Pbat-scref(k+1)，k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)＝0；
c：若蓄电池SOC大于0.2，超级电容SOC大于0.2，此时，蓄电池和超级电容的电量均处于充足状态，此时k+1时刻复合电源需求功率由蓄电池和超级电容联合提供，通过基于瞬时最优算法的复合电源控制器优化蓄电池和超级电容的功率分配从而实现复合电源损失功率最小，过程如下：
(1)建立功率损失模型及瞬时最优的寻优函数：
复合电源总功率损失：
其中：蓄电池功率损失：
其中：Ebat为蓄电池的开路端电压；
Ibat为蓄电池内部的电流；
Rbat为蓄电池内部的等效电阻；
Pbat为蓄电池的输出功率；
超级电容功率损失：
其中：Esc为超级电容的开路端电压；
Isc为超级电容内部的电流；
Rsc为超级电容内部的等效电阻；
Psc为超级电容的对外输出功率；
DC-DC功率损失：其中：η为DC-DC效率
实现复合电源功率损失最小的瞬时最优的寻优函数：
(2)选取复合电源输出功率的最大值Pmax，定义Pmax为复合电源额定功率Pm的1.25倍，即Pmax＝1.25Pm，在0与复合电源输出功率的最大值Pmax之间等距离散出n个点，分别为P1，P2，P3……Pn，初始化i＝0，其中，i作为计数变量；
(3)初始化a＝0，b＝Pi，作为寻优的边值；
(4)设定分配系数Xa和Xb，其中：
Xa＝a+0.382(b-a)
Xb＝a+0.618(b-a)
并根据建立的复合电源总功率损失模型计算当复合电源分配给蓄电池的功率分别为Xa、Xb时，复合电源的总功率损失
(5)若则表明两个边值相差足够小，即寻优边值选择合理，取Pi_bat＝(Xa+Xb)/2作为复合电源需求功率为Pi时分配给蓄电池的功率值，即当k+1复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)＝Pi时，目标层寻优输出模式下蓄电池输出功率Pi_bat＝(Xa+Xb)/2；
若需更新寻优的边值，当时，取b＝Xb；当时，取a＝Xa，同时返回步骤(4)继续计算，直到即两个边值相差足够小，取Pi-bat＝(Xa+Xb)/2为复合电源需求功率为Pi时分配给蓄电池的功率值，即当k+1复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)时，寻优输出模式下蓄电池输出功率Pi-bat＝(Xa+Xb)/2；
(6)重复步骤5可计算复合电源需求功率为P1，P2，P3……Pn情况下，应当分配给蓄电池的最优功率P1-bat，P2-bat，P3-bat……Pn-bat，并将其做出二维数表；
(7)在寻优模式下，针对不同的k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)，通过遍历该二维表或通过插值计算获得分配给蓄电池的最优功率Pi-bat，即k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)＝Pi_bat,k+1时刻超级电容的参考输出功率Pi_sc＝Pbat-scref(k+1)-Pi_bat；
d：若蓄电池SOC小于0.2，超级电容SOC小于0.2时，此时整车控制器向燃料电池控制器发出开机命令，同时复合电源燃料电池混合能量***停止对外输出功率，同时燃料电池用于给复合电源充电。
本发明与现有技术相比，有益效果如下：
1.本专利所述的复合电源燃料电池混合能量***，将蓄电池与超级电容并联组成复合电源，复合电源与燃料电池并联为车辆提供动力，在这种构型中，燃料电池能充分发挥其能量密度高的特点，提高车辆的续驶里程，复合电源发挥其动态响应快的优势，满足车辆的动力性要求；
2.本发明所述的基于预测模型的燃料电池功率分流方法，通过基于预测模型开发的模型预测单元可通过采集燃料电池和复合电源的电流和电压从而获取燃料电池和复合电源的当前状态，由当前状态计算得到下一时刻的燃料电池参考输出功率，使得燃料电池最大限度地工作的高效区，另一方面弥补了燃料电池动态响应慢的不足；
3.本发明所述的基于瞬时最优算法的复合电源功率分流方法，能够极大的减少复合电源功率损失，提高复合电源工作效率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本方法基于的电动汽车复合电源燃料电池混合能量***的拓扑结构示意图；
图2为基于模型预测的复合电源燃料电池功率分流方法示意图；
图3为复合电源在目标层时的寻优流程框图；
图4为该纯电动车复合电源燃料电池混合能量***在中国典型城市工况进行仿真时超级电容随工况变化的SOC曲线；
图5为该纯电动车复合电源燃料电池混合能量***在中国典型城市工况进行仿真时蓄电池随工况变化的SOC曲线；
具体实施方式
下面通过附图对本发明作进一步说明：
图1给出了复合电源燃料电池汽车复合能量***拓扑结构示意图，该种复合能量***，包括燃料电池单元、超级电容单元、蓄电池单元，由于蓄电池和超级电容均具有较好的动态响应特性，因此将蓄电池与超级电容并联组成复合电源，复合电源与燃料电池并联为车辆提供动力，本专利提出的该种蓄电池-超级电容-燃料电池复合能量***在本专利中定义为复合电源燃料电池混合能量***。复合电源燃料电池混合能量***还包括燃料电池控制器和复合电源控制器，燃料电池控制器实现燃料电池和复合电源的功率分流，由于复合电源的功率由蓄电池和超级电容共同提供，因此还需要由复合电源控制器实现蓄电池和超级电容的功率分流，同时燃料电池控制器和复合电源控制器的电压和电流信号以及蓄电池和超级电容的SOC的信号会输入到整车控制器，实现复合电源和燃料电池的协调控制。
在这种构型中，提出三种工作模式，分别为燃料电池单独驱动模式、燃料电池复合电源联合驱动模式和复合电源单独驱动模式。燃料电池单独驱动模式下燃料电池提供车辆形式所需要的能量，同时，燃料电池可能会多输出一部分能量用于给复合电源充电，该模式充电过程中，燃料电池会优先给予超级电容充电，超级电容充满电后再给电池充电；燃料电池复合电源联合驱动模式下，燃料电池与复合电源共同输出能量，满足车辆的动力性需求。复合电源单独驱动模式下，燃料电池处于关机状态，复合电源单独输出能量以驱动车辆行驶。燃料电池能充分发挥其能量密度高的特点，提高车辆的续驶里程，复合电源发挥其动态响应特性好的特点，满足车辆动力性需求。
在提出复合电源燃料电池混合能量***构型及工作模式的基础上，其核心问题就是如何实现复合电源和燃料电池的功率分流。由于复合电源的功率由蓄电池和超级电容共同提供，因此还需要实现蓄电池和超级电容的功率分流。
复合电源燃料电池混合能量***功率分流方法的架构主要包括基于模型预测控制的燃料电池功率分流模块和兼顾功率损失与电量平衡的瞬时最优复合电源功率分流模块。基于模型预测算法的燃料电池控制器可以弥补其动态响应慢的不足；基于瞬时最优算法的复合电源控制器可以使复合电源工作在高效区。
图2给出了为开发燃料电池控制器提出的基于预测模型的复合电源燃料电池功率分流过程。
步骤一，燃料电池控制器在燃料电池开机时采集初始时刻的燃料电池电压Vfc(0)和初始时刻的燃料电池电流Ifc(0),并在接下来的每一时刻k，采集k时刻的燃料电池电压Vfc(k)、k时刻复合电源电压Vbat-sc(k)；
步骤二，建立复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型，复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型状态空间表达式如下：
x(k+1)＝A·x(k)+B·u(k)
y(k)＝C·x(k)+D·u(k)
***矩阵A和控制矩阵B分别如下：
其中：
Cfc为燃料电池容量；
Cbat-sc为复合电源容量；
ts为时间常数，即所采用的燃料电池控制器的采样时间；
Vdcbusref(k)为k时刻总线参考电压；
Vfcref(k)为k时刻燃料电池参考电压；
Vbat-scref(k)为k时刻复合电源参考电压；
输出矩阵C和直接传递矩阵D分别如下：
由该复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型计算得到的k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)和k时刻燃料电池参考电压Vfcref(k)作为控制量，即该复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型在k时刻的控制量空间u(k)包括k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)和k时刻燃料电池参考电压Vfcref(k)；该复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型在k时刻的控制量空间u(k)为：
状态空间x(k)包括k时刻的燃料电池电压Vfc(k)、k时刻复合电源电压Vbat-sc(k)以及在k-1时刻计算得到k-1时刻的燃料电池参考电流Ifcref(k-1)和k-1时刻复合电源参考电流Ibat-scref(k-1)，状态空间x(k+1)为k+1时刻的燃料电池电压Vfc(k+1)、k+1时刻复合电源电压Vbat-sc(k+1)以及在k时刻计算得到k时刻的燃料电池参考电流Ifcref(k)和k时刻复合电源参考电流Ibat-scref(k)；在k时刻的状态空间x(k)为：
k+1时刻的状态空间x(k+1)为：
复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型在k时刻的中间量空间y(k)包括k时刻燃料电池电压Vfc(k)、k时刻复合电源电压Vbat-sc(k)和复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型计算得到的k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)的微分dIfcref(k)和k时刻复合电源参考电流Ibat-scref(k)的微分dIbat-scref(k)以及k时刻总线参考电流的微分dIdcbus(k)，k时刻总线参考电流Ifcref(k)的微分dIdcbus(k)是燃料电池参考电流Ifcref(k)的微分dIfcref(k)和复合电源参考电流Ibat-scref(k)的微分dIbat-scref(k)的和，即dIdcbus(k)＝dIfcref(k)+dIbat-scref(k)；
复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型在k时刻的中间量空间y(k)为：
将上述复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型进行在线求解即可得到k+1时刻的控制量：k+1时刻燃料电池参考电流Ifcref(k+1)和k+1时刻燃料电池参考电压Vbat-scref(k+1)；
复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型是滚动向前计算的过程，即初始时刻的燃料电池电压Vfc(0)和初始时刻的燃料电池电流Ifc(0)已经确定的情况下，可以根据当前时刻即初始时刻复合电源燃料电池混合能量***状态空间得到下一时刻燃料电池参考电流Ifcref(1)和下一时刻燃料电池参考电压Vbat-scref(1)，进一步地，该预测模型可由k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)和k刻燃料电池参考电压Vfcref(k)，根据当前时刻即k时刻复合电源燃料电池混合能量***状态空间得到k+1时刻燃料电池参考电流Ifcref(k+1)和k+1时刻燃料电池参考电压Vbat-scref(k+1)；
得到k+1刻燃料电池参考电流Ifcref(k+1)和k+1时刻燃料电池参考电压Vbat-scref(k+1)后，由此确定k+1时刻燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)和k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)，k+1时刻的燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)为：
Pfcref(k+1)＝Ifcref(k+1)×Vfcref(k+1)
从整车控制器中读取k时刻整车需求功率P(k)，车辆在行驶过程中，假定在采用时间间隔内整车需求功率不变，即k+1时刻整车需求功率P(k+1)＝P(k)，本方法最终要达到的目的是对纯电动汽车复合能量***对k+1时刻整车需求功率P(k+1)进行分流，上述复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型可以计算出k+1时刻的燃料电池输出功率，而k+1时刻整车需求功率P(k+1)是由k+1时刻燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)和k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)共同提供，且燃料电池和复合电源并联，即P(k+1)＝Pfcref(k+1)+Pbat-scref(k+1)，所以k+1时刻复合电源的参考功率Pbat-scref(k+1)为：
Pbat-scref(k+1)＝P(k+1)-Ifcref(k+1)×Vfcref(k+1)，其中：
P(k+1)＝P(k)；
步骤三，步骤二中确定了k+1时刻燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)和k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)，由于k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)由蓄电池和超级电容共同提供，复合电源由蓄电池和超级电容并联，即k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)＝Pbatref(k+1)+Pscref(k+1)，因此还需进一步确定k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)和k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)；
进一步确定k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)和k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)的过程如下：
复合电源控制器读取燃料电池控制器得到的k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)，并从整车控制器读取超级电容SOC和蓄电池SOC，k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)的功率分配原则具体如下：
a：若超级电容SOC大于0.8，蓄电池SOC小于0.2，说明超级电容存储电量充足，蓄电池存储电量不足，此时，k+1时刻复合电源参考输出功率全部由超级电容提供，即k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)＝0，k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)＝Pbat-scref(k+1)；
b：若超级电容SOC小于0.2，蓄电池SOC大于0.8，说明蓄电池电量充足，超级电容电量不足，此时，k+1时刻复合电源参考输出功率全部由蓄电池提供，即k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)＝Pbat-scref(k+1)，k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)＝0；
c：若蓄电池SOC大于0.2，超级电容SOC大于0.2，此时，蓄电池和超级电容的电量均处于充足状态，此时k+1时刻复合电源需求功率由蓄电池和超级电容联合提供，通过基于瞬时最优算法的复合电源控制器优化蓄电池和超级电容的功率分配从而实现复合电源损失功率最小，参阅图3的复合电源在目标层时的寻优流程框图，过程如下：
(1)建立功率损失模型及瞬时最优的寻优函数：
复合电源总功率损失：
其中：蓄电池功率损失：
其中：Ebat为蓄电池的开路端电压；
Ibat为蓄电池内部的电流；
Rbat为蓄电池内部的等效电阻；
Pbat为蓄电池的输出功率；
超级电容功率损失：
其中：Esc为超级电容的开路端电压；
Isc为超级电容内部的电流；
Rsc为超级电容内部的等效电阻；
Psc为超级电容的对外输出功率；
DC-DC功率损失：其中：η为DC-DC效率；
实现复合电源功率损失最小的瞬时最优的寻优函数：
(2)选取复合电源输出功率的最大值Pmax，定义Pmax为复合电源额定功率Pm的1.25倍，即Pmax＝1.25Pm，在0与复合电源输出功率的最大值Pmax之间等距离散出n个点，分别为P1，P2，P3……Pn，初始化i＝0，其中，i作为计数变量；
(3)初始化a＝0，b＝Pi，作为寻优的边值；
(4)设定分配系数Xa和Xb，其中：
Xa＝a+0.382(b-a)
Xb＝a+0.618(b-a)
并根据建立的复合电源总功率损失模型计算当复合电源分配给蓄电池的功率分别为Xa、Xb时，复合电源的总功率损失
(5)若则表明两个边值相差足够小，即寻优边值选择合理，取Pi_bat＝(Xa+Xb)/2作为复合电源需求功率为Pi时分配给蓄电池的功率值，即当k+1复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)＝Pi时，目标层寻优输出模式下蓄电池输出功率Pi_bat＝(Xa+Xb)/2；
若需更新寻优的边值，当时，取b＝Xb；当时，取a＝Xa，同时返回步骤(4)继续计算，直到即两个边值相差足够小，取Pi-bat＝(Xa+Xb)/2为复合电源需求功率为Pi时分配给蓄电池的功率值，即当k+1复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)时，寻优输出模式下蓄电池输出功率Pi-bat＝(Xa+Xb)/2；
(6)重复步骤5可计算复合电源需求功率为P1，P2，P3……Pn情况下，应当分配给蓄电池的最优功率P1-bat，P2-bat，P3-bat……Pn-bat，并将其做出二维数表；
(7)在寻优模式下，针对不同的k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)，通过遍历该二维表或通过插值计算获得分配给蓄电池的最优功率Pi-bat，即k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)＝Pi_bat,k+1时刻超级电容的参考输出功率Pi_sc＝Pbat-scref(k+1)-Pi_bat；
d：若蓄电池SOC小于0.2，超级电容SOC小于0.2时，此时整车控制器向燃料电池控制器发出开机命令，同时复合电源燃料电池混合能量***停止对外输出功率，燃料电池用于给复合电源充电。
对该纯电动车复合电源燃料电池混合能量***在中国典型城市工况进行仿真，图4和图5分别为超级电容随工况变化的SOC曲线和蓄电池随工况变化的SOC曲线，可以发现其SOC波动均在合理范围内；电池SOC变化平缓，相对维持在效率SOC中等情况下，两者工作状态合理，说明本专利提出的复合电源燃料电池功率分流方法能够保证蓄电池和超级电容的SOC的状态在合理区间变动。

Claims (1)

1.电动汽车复合电源燃料电池混合能量***功率分流方法，基于一种电动汽车复合电源燃料电池混合能量***，该复合电源燃料电池混合能量***包括燃料电池单元、超级电容单元、蓄电池单元，将蓄电池与超级电容并联组成复合电源，复合电源与燃料电池并联为车辆提供动力；该复合电源燃料电池混合能量***还包括燃料电池控制器和复合电源控制器，燃料电池控制器实现燃料电池和复合电源的功率分流，由于复合电源的功率由蓄电池和超级电容共同提供，因此还需要由复合电源控制器实现蓄电池和超级电容的功率分流，其特征在于，本方法具体步骤如下：
步骤一，燃料电池控制器在燃料电池开机时采集初始时刻的燃料电池电压Vfc(0)和初始时刻的燃料电池电流Ifc(0),并在接下来的每一时刻k，采集k时刻的燃料电池电压Vfc(k)、k时刻复合电源电压Vbat-sc(k)；
步骤二，建立复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型，复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型状态空间表达式如下：
x(k+1)＝A·x(k)+B·u(k)
y(k)＝C·x(k)+D·u(k)
***矩阵A和控制矩阵B分别如下：
其中：
Cfc为燃料电池容量；
Cbat-sc为复合电源容量；
ts为时间常数，即所采用的燃料电池控制器的采样时间；
Vdbusref(k)为k时刻总线参考电压；
Vfcref(k)为k时刻燃料电池参考电压；
Vbat-scref(k)为k时刻复合电源参考电压；
输出矩阵C和直接传递矩阵D分别如下：
由该复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型计算得到的k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)和k时刻燃料电池参考电压Vfcref(k)作为控制量，即该复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型在k时刻的控制量空间u(k)包括k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)和k时刻燃料电池参考电压Vfcref(k)；该复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型在k时刻的控制量空间u(k)为：
状态空间x(k)包括k时刻的燃料电池电压Vfc(k)、k时刻复合电源电压Vbat-sc(k)以及在k-1时刻计算得到k-1时刻的燃料电池参考电流Ifcref(k-1)和k-1时刻复合电源参考电流Ibat-scref(k-1)，状态空间x(k+1)为k+1时刻的燃料电池电压Vfc(k+1)、k+1时刻复合电源电压Vbat-sc(k+1)以及在k时刻计算得到k时刻的燃料电池参考电流Ifcref(k)和k时刻复合电源参考电流Ibat-scref(k)；在k时刻的状态空间x(k)为：
k+1时刻的状态空间x(k+1)为：
复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型在k时刻的中间量空间y(k)包括k时刻燃料电池电压Vfc(k)、k时刻复合电源电压Vbat-sc(k)和复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型计算得到的k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)的微分dIfcref(k)和k时刻复合电源参考电流Ibat-scref(k)的微分dIbat-scref(k)以及k时刻总线参考电流的微分dIdcbus(k)，k时刻总线参考电流Ifcref(k)的微分dIdcbus(k)是燃料电池参考电流Ifcref(k)的微分dIfcref(k)和复合电源参考电流Ibat-scref(k)的微分dIbat-scref(k)的和，即dIdcbus(k)＝dIfcref(k)+dIbat-scref(k)；
复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型在k时刻的中间量空间y(k)为：
将上述复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型进行在线求解即可得到k+1时刻的控制量：k+1时刻燃料电池参考电流Ifcref(k+1)和k+1时刻燃料电池参考电压Vbat-scref(k+1)；
复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型是滚动向前计算的过程，即初始时刻的燃料电池电压Vfc(0)和初始时刻的燃料电池电流Ifc(0)已经确定的情况下，可以根据当前时刻即初始时刻复合电源燃料电池混合能量***状态空间得到下一时刻燃料电池参考电流Ifcref(1)和下一时刻燃料电池参考电压Vbat-scref(1)，进一步地，该预测模型可由k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)和k刻燃料电池参考电压Vfcref(k)，根据当前时刻即k时刻复合电源燃料电池混合能量***状态空间得到k+1时刻燃料电池参考电流Ifcref(k+1)和k+1时刻燃料电池参考电压Vbat-scref(k+1)；
得到k+1刻燃料电池参考电流Ifcref(k+1)和k+1时刻燃料电池参考电压Vbat-scref(k+1)后，由此确定k+1时刻燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)和k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)，k+1时刻的燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)为：
Pfcref(k+1)＝Ifcref(k+1)×Vfcref(k+1)
从整车控制器中读取k时刻整车需求功率P(k)，车辆在行驶过程中，假定在采用时间间隔内整车需求功率不变，即k+1时刻整车需求功率P(k+1)＝P(k)，本方法最终要达到的目的是对纯电动汽车复合能量***对k+1时刻整车需求功率P(k+1)进行分流，上述复合电源燃料电池混合能量***的离散化预测模型可以计算出k+1时刻的燃料电池输出功率，而k+1时刻整车需求功率P(k+1)是由k+1时刻燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)和k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)共同提供，且燃料电池和复合电源并联，即P(k+1)＝Pfcref(k+1)+Pbat-scref(k+1)，所以k+1时刻复合电源的参考功率Pbat-scref(k+1)为：
Pbat-scref(k+1)＝P(k+1)-Ifcref(k+1)×Vfcref(k+1)，其中：
P(k+1)＝P(k)；
步骤三，步骤二中确定了k+1时刻燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)和k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)，由于k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)由蓄电池和超级电容共同提供，复合电源由蓄电池和超级电容并联，即k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)＝Pbatref(k+1)+Pscref(k+1)，因此还需进一步确定k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)和k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)；
进一步确定k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)和k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)的过程如下：
复合电源控制器读取燃料电池控制器得到的k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)，并从整车控制器读取超级电容SOC和蓄电池SOC，k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)的功率分配原则具体如下：
a：若超级电容SOC大于0.8，蓄电池SOC小于0.2，说明超级电容存储电量充足，蓄电池存储电量不足，此时，k+1时刻复合电源参考输出功率全部由超级电容提供，即k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)＝0，k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)＝Pbat-scref(k+1)；
b：若超级电容SOC小于0.2，蓄电池SOC大于0.8，说明蓄电池电量充足，超级电容电量不足，此时，k+1时刻复合电源参考输出功率全部由蓄电池提供，即k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)＝Pbat-scref(k+1)，k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)＝0；
c：若蓄电池SOC大于0.2，超级电容SOC大于0.2，此时，蓄电池和超级电容的电量均处于充足状态，此时k+1时刻复合电源需求功率由蓄电池和超级电容联合提供，通过基于瞬时最优算法的复合电源控制器优化蓄电池和超级电容的功率分配从而实现复合电源损失功率最小，过程如下：
(1)建立功率损失模型及瞬时最优的寻优函数：
复合电源总功率损失：
其中：蓄电池功率损失：
其中：Ebat为蓄电池的开路端电压；
Ibat为蓄电池内部的电流；
Rbat为蓄电池内部的等效电阻；
Pbat为蓄电池的输出功率；
超级电容功率损失：
其中：Esc为超级电容的开路端电压；
Isc为超级电容内部的电流；
Rsc为超级电容内部的等效电阻；
Psc为超级电容的对外输出功率；
DC-DC功率损失：其中：η为DC-DC效率；
实现复合电源功率损失最小的瞬时最优的寻优函数：
(2)选取复合电源输出功率的最大值Pmax，定义Pmax为复合电源额定功率Pm的1.25倍，即Pmax＝1.25Pm，在0与复合电源输出功率的最大值Pmax之间等距离散出n个点，分别为P1，P2，P3……Pn，初始化i＝0，其中，i作为计数变量；
(3)初始化a＝0，b＝Pi，作为寻优的边值；
(4)设定分配系数Xa和Xb，其中：
Xa＝a+0.382(b-a)
Xb＝a+0.618(b-a)
并根据建立的复合电源总功率损失模型计算当复合电源分配给蓄电池的功率分别为Xa、Xb时，复合电源的总功率损失
(5)若则表明两个边值相差足够小，即寻优边值选择合理，取Pi_bat＝(Xa+Xb)/2作为复合电源需求功率为Pi时分配给蓄电池的功率值，即当k+1复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)＝Pi时，目标层寻优输出模式下蓄电池输出功率Pi_bat＝(Xa+Xb)/2；
若需更新寻优的边值，当时，取b＝Xb；当时，取a＝Xa，同时返回步骤(4)继续计算，直到即两个边值相差足够小，取Pi-bat＝(Xa+Xb)/2为复合电源需求功率为Pi时分配给蓄电池的功率值，即当k+1复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)时，寻优输出模式下蓄电池输出功率Pi-bat＝(Xa+Xb)/2；
(6)重复步骤5可计算复合电源需求功率为P1，P2，P3……Pn情况下，应当分配给蓄电池的最优功率P1-bat，P2-bat，P3-bat……Pn-bat，并将其做出二维数表；
(7)在寻优模式下，针对不同的k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat-scref(k+1)，通过遍历该二维表或通过插值计算获得分配给蓄电池的最优功率Pi-bat，即k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)＝Pi_bat,k+1时刻超级电容的参考输出功率Pi_sc＝Pbat-scref(k+1)-Pi_bat；
d：若蓄电池SOC小于0.2，超级电容SOC小于0.2时，此时整车控制器向燃料电池控制器发出开机命令，同时复合电源燃料电池混合能量***停止对外输出功率，燃料电池用于给复合电源充电。
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