CN111409510A

CN111409510A - 一种氢燃料电池混合动力汽车的能量管理方法

Info

Publication number: CN111409510A
Application number: CN202010227551.7A
Authority: CN
Inventors: 付主木; 孙昊琛; 高爱云; 陶发展; 司鹏举; 朱龙龙; 石泽华
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: CN111409510B

Abstract

本发明的目的是提供一种氢燃料电池混合动力汽车的能量管理方法，包括以下步骤：步骤一)：建立混合动力汽车能量管理***模型；步骤二)：采集混合动力汽车不同工况下的数据，利用最近邻方法，对上述的数据进行处理，获得具有普适性的需求功率转移概率矩阵，然后以储能***SOC和总氢耗ECMS为学习目标，获得最优混合动力汽车能量管理策略；步骤三)：基于步骤一)建立的混合动力汽车能量管理***模型，结合需求功率的变化率、锂电池和超级电容SOC数据，并通过自适应模糊低通滤波器进行分频解耦，对氢燃料电池混合动力汽车进行能量管理。本发明采用基于深度强化学习的连续空间能量管理策略具有更强的普适性和实时性。

Description

一种氢燃料电池混合动力汽车的能量管理方法

技术领域

本发明属于混合动力汽车技术领域，具体涉及一种以氢燃料电池为主要能源的复合能源混合动力汽车的能量管理方法。

背景技术

混合动力汽车是近十年来国内外研究的热点。由于油电混合动力汽车仍未摆脱尾气排放及纯电动汽车续航能力不足，氢燃料电池混合动力汽车脱颖而出。此类新能源混合动力汽车的能量管理研究在国内尚未成熟，仍处于探索阶段，且大部分以结构简单、工况固定、控制简单的能量管理***为主。此外，要从根本上改善混合动力汽车的能源利用率，应提高汽车的动力***混合度，但这往往会增加混合动力汽车能量管理的复杂度。当出现两个或多个能量源协同驱动汽车时，必须综合考虑电动机、储能***SOC、驾驶工况等多方面信息判断各能源的工作状态，使整车的能量管理***性能达到最佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于车载的以氢燃料电池为主能源的混合动力汽车能量管理方法，其考虑了电机负载需求功率的大小及其变化率，同时调节储能***SOC在合理区间内，最大限度地延长储能***及燃料电池***的使用寿命，将负载需求功率在燃料电池和储能***之间进行实时分配。

为了达到以上目的，一种可用于车载的以氢燃料电池为主能源的混合动力汽车能量管理方法，包括以下步骤：

步骤一)：建立混合动力汽车能量管理***模型；

步骤二)：采集混合动力汽车不同工况下的数据，利用最近邻方法，对上述的数据进行处理，获得具有普适性的需求功率转移概率矩阵，然后以储能***SOC和总氢耗ECMS为学习目标，获得最优混合动力汽车能量管理策略；

步骤三)：基于步骤一)建立的混合动力汽车能量管理***模型，结合需求功率的变化率、锂电池和超级电容SOC数据，并通过自适应模糊低通滤波器进行分频解耦，对氢燃料电池混合动力汽车进行能量管理。

所述的步骤一)中所述的混合动力汽车能量管理***模型包括：

A.燃料电池电压模型：

V_FC＝n_cell×(E_cell-V_act.loss-V_ohm.loss)；其中，式中，n_cell是燃料电池堆中燃料电池片数，E_cell是单片燃料电池电压，V_act.loss是单片燃料电池的活化损失电压，V_ohm.loss是单片燃料电池的内阻损失电压；

B.锂电池电压模型：

其中，SOC_ini是锂电池初始SOC，i_BAT是锂电池电流，β＝±1是锂电池充放电状态选择系数(充电时为负、放电时为正)，C_nom是锂电池额定容量，V(SOC_BAT)_BAT.oc和r(SOC_BAT)分别是当锂电池SOC为SOC_BAT时锂电池的开路电压和内阻，P_BAT是锂电池的电功率；

C.超级电容电压模型：

V_UC.oc＝SOC_UC·(VUC.min_UC.max+V_UC.min)

其中，V_UC.max和V_UC.min分别是超级电容最大和最小输出电压，R_UC是超级电容等效内阻，P_UC是超级电容电功率；

D.三能量源的氢燃料电池混合动力汽车能量管理***模型：

P_demand＝P_FC+P_BAT+P_UC；其中，式中，P_demand是负载需求功率，P_FC是燃料电池功率，P_BAT是锂电池功率，P_UC是超级电容功率。当锂电池和超级电容放电时，P_BAT和P_UC为正；当锂电池和超级电容充电时，P_BAT和P_UC为负。

在步骤二)中，同时由模糊自适应低通滤波器确定正功率P_demand.pos分流，其具体内容如下：

根据功率P_demand和储能***加权SOC的不同组合，设计的模糊规则如下：

1.负载总需求功率P_demand为负时，储能***回收能量；

1)负载总需求功率P_demand为负时，储能***回收能量

①SOC_ESS≤0.5时，当P_demand≤-0.4P_rating为，选取u_f＜0.02；当-0.4P_rating＜P_demand≤-0.1P_rating时，选取0.02≤u_f＜0.04；

②0.5＜SOC_ESS≤0.6时，当P_demand≤-0.7P_rating时，选取u_f＜0.02；当-0.7P_rating＜P_demand≤-0.4P_rating时，选取0.02≤u_f＜0.04；当-0.4P_rating＜P_demand≤-0.1P_rating时，选取0.03≤u_f＜0.05；

③0.6＜SOC_ESS≤0.7时，当P_demand≤-0.4P_rating时，选取0.02≤u_f＜0.04；当-0.4P_rating＜P_demand≤-0.1P_rating时，选取0.04≤u_f＜0.06；

④0.7＜SOC_ESS≤0.8时，当P_demand≤-0.4P_rating时，选取0.04≤u_f＜0.06；当-0.4P_rating＜P_demand≤-0.1P_rating时，选取0.06≤u_f＜0.08；

⑤0.8＜SOC_ESS≤1时，当P_demand≤-0.4P_rating时，选取0.06≤u_f＜0.08；当-0.4P_rating＜P_demand≤-0.1P_rating时，选取0.08≤u_f＜0.1；

2)当-0.1P_rating＜P_demand＜0.1P_rating时，所有情况均选取0.08≤u_f＜0.1；

3)负载总需求功率P_demand为正时，储能***释放能量

①SOC_ESS≤0.6时，当0.1P_rating≤P_demand＜0.4P_rating时，选取0.06≤u_f＜0.08；当0.4P_rating≤P_demand＜0.7P_rating时，选取0.04≤u_f＜0.06；当0.7P_rating≤P_demand时，选取0.02≤u_f＜0.04；

②0.6＜SOC_ESS≤0.7时，当0.1P_rating≤P_demand＜0.4P_rating时，选取0.04≤u_f＜0.06；当0.4P_rating≤P_demand＜0.7P_rating时，选取0.04≤u_f＜0.06；当0.7P_rating≤P_demand时，选取0.02≤u_f＜0.04；

③0.7＜SOC_ESS≤0.8时，当0.1P_rating≤P_demand＜0.4P_rating时，选取0.02≤u_f＜0.04；当0.4P_rating≤P_demand＜0.7P_rating时，选取0.02≤u_f＜0.04；当0.7P_rating≤P_demand时，选取u_f＜0.02；

4)0.8＜SOC_ESS≤1时，当0.1P_rating≤P_demand＜0.4P_rating时，选取0.02≤u_f＜0.04；当0.4P_rating≤P_demand＜0.7P_rating时，选取u_f＜0.02；当0.7P_rating≤P_demand时，选取u_f＜0.02。

步骤三)包括以下步骤：

a根据车辆加速踏板的变化幅值，得到驱动电机负载需求功率P_demand；

b.根据上一步得到的驱动电机负载需求功率P_demand，利用饱和器件实现正负功率分流，其中负功率P_demand.neg由超级电容承担，正功率P_demand.pos则由燃料电池、锂电池和超级电容共同承担；

c.获得储能***加权SOC；

d.将步骤b得到的正功率P_demand.pos和步骤c得到的储能***加权SOC作为输入变量输入至步骤二)，得到可调频率u_f；

e.将可调频率u_f和正功率P_demand.pos输入至自适应模糊低通滤波器中，对正功率P_demand.pos分频解耦，输出量为高频正功率P_demand.pos.h和中低频正功率P_{demand.pos.ml}，其中高频正功率由超级电容承担，中低频正功率由燃料电池和锂电池共同承担；

f.根据上一步获得的中低频正功率P_{demand.pos.ml}，结合步骤二)所获得的最优混合动力汽车能量管理策略，得到对应此刻需求功率的燃料电池和锂电池的输出功率比；

g.利用上一步的输出功率比，通过计算，可以获得实际的燃料电池功率P_FC，根据瞬时功率平衡，得到实际的锂电池功率P_BAT。

有益效果：本发明具有以下有益效果：

1.本发明将电动机负载需求功率及其变化率、储能***加权SOC综合考虑进了氢燃料电池混合动力汽车能量管理中，使得氢燃料电池混合动力汽车整车动力性能更好，另一方面引入深度卷积神经网络，由于采用基于深度强化学习的连续空间能量管理策略使本发明的方法对不同的工况具有更强的普适性和实时性；

2.本发明在确定锂电池具体参数和实际充放电电流时，策略寻优过程中对最大充放电电流进行约束，防止锂电池过充过放，保证储能***SOC在合理区间平稳波动，延长使用寿命；

3.本发明根据当前储能***加权SOC值和总需求功率，通过模糊自适应低通滤波器对功率分流，使整个***具有较强的自适应能力，以确定各种工况下三能量源各自最佳的输出功率。

附图说明

图1是本发明实施例的混合动力***结构图；

图2是本发明实施例的混合动力汽车能量管理***结构图；

具体实施方式

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。

下面结合附图，对本发明所提出的技术方案进行进一步阐述和说明：

本发明氢燃料电池、锂电池和超级电容混合动力***结构如图1所示，其中燃料电池通过单向DC/DC变流器，锂电池和超级电容通过双向DC/DC变流器，以并联方式连接到***总线上为驱动电机负载提供能量；在运行过程中，氢燃料电池***是主要动力来源，超级电容提供或吸收燃料电池和锂电池无法提供或吸收的瞬时峰值功率，锂电池提供或吸收剩余功率。

本发明是一种可用于车载的氢燃料电池复合电源混合动力汽车的能量管理方法，具体实施步骤如下：

步骤一：建立混合动力汽车能量管理***模型；

所述步骤一建立混合动力汽车能量管理***模型过程如下

建立燃料电池电压模型：

V_FC＝n_cell×(E_cell-V_act.loss-V_ohm.loss) (7)

式中，n_cell是燃料电池堆中燃料电池片数，E_cell是单片燃料电池电压，V_act.loss是单片燃料电池的活化损失电压，V_ohm.loss是单片燃料电池的内阻损失电压，T是催化层温度，T_c＝298.15K是温度补偿，R＝8.314J·(mol·K)^-1是气体常数，F＝96485C·mol^-1是法拉第常数，

和

分别是燃料电池阴极和阳极的表面压力，α是电荷传递系数，I_FC是燃料电池电流，S_cata是催化层截面积，I₀是交换电流密度，l是交换膜厚度，S_mem是交换膜表面积，Γ(T_mem,λ(z))是交换膜局部电阻率，T_mem是交换膜温度，λ(z),z∈[0,l]是交换膜中水含量。

建立锂电池电压模型：

式中，SOC_ini是锂电池初始SOC，i_BAT是锂电池电流，β＝±1是锂电池充放电状态选择系数(充电时为负、放电时为正)，C_nom是锂电池额定容量，V(SOC_BAT)_BAT.oc和r(SOC_BAT)分别是当锂电池SOC为SOC_BAT时锂电池的开路电压和内阻，P_BAT是锂电池的电功率。

建立超级电容电压模型：

V_UC.oc＝SOC_UC·(VUC.min_UC.max+V_UC.min) (14)

式中，V_UC.max和V_UC.min分别是超级电容最大和最小输出电压，R_UC是超级电容等效内阻，P_UC是超级电容电功率。

建立三能量源的氢燃料电池混合动力汽车能量管理***模型：

P_demand＝P_FC+P_BAT+P_UC (16)

式中，P_demand是负载需求功率，P_FC是燃料电池功率，P_BAT是锂电池功率，P_UC是超级电容功率。当锂电池和超级电容放电时，P_BAT和P_UC为正；当锂电池和超级电容充电时，P_BAT和P_UC为负。

步骤二：构造一种基于历史数据的混合动力汽车能量管理深度强化学习策略；

所述步骤二构造基于历史数据的混合动力汽车能量管理深度强化学习策略的过程如下：

采集大量不同工况的数据，以获得更具普适性混合动力汽车能量管理策略；

利用最近邻方法，对上一步的数据进行处理，获得具有普适性的需求功率转移概率矩阵：

为了保证混合动力汽车能量管理策略的最优性和实时性，以储能***SOC和总氢耗ECMS为学习目标，设计多目标优化问题：

minC_total(t)＝k_FCC_FC(t)+k_BATC_BAT(t)+k_UCC_UC(t)

通过编写相应的具有较低计算复杂度的自适应快速深度强化学习程序，获得最优混合动力汽车能量管理策略。

同时，可以根据储能***SOC和需求功率P_demand确定此时正功率P_demand.pos分流情况；所述由模糊自适应低通滤波器确定正功率P_demand.pos分流的具体内容如下：

根据功率P_demand和储能***加权SOC的不同组合，假设能量源总额定输出为P_rating，设计的模糊规则如下：

令储能***SOC为SOC_ESS＝αSOC_UC+βSOC_BAT；

1)负载总需求功率P_demand为负时，储能***回收能量

3)负载总需求功率P_demand为正时，储能***释放能量

根据获得的可调频率，可以进一步搭建完整的混合动力汽车能量管理***模型；

步骤三：基于步骤一和二建立的混合动力汽车能量管理***模型，考虑需求功率的变化率、锂电池和超级电容SOC等因素，对氢燃料电池混合动力汽车进行能量管理；

所述步骤三包括如下步骤：

根据车辆加速踏板的变化幅值，得到驱动电机负载需求功率P_demand；

根据上一步得到的驱动电机负载需求功率P_demand，利用饱和器件实现正负功率分流，其中负功率P_demand.neg由超级电容承担，正功率P_demand.pos则由燃料电池、锂电池和超级电容共同承担；

由公式(6)计算可以得到SOC_ESS，其中超级电容SOC计算和锂电池SOC计算原理相同，均采用积分法；

将步骤b得到的正功率P_demand.pos和步骤c得到的SOC_ESS作为输入变量输入至步骤二中设计好的模糊推理***，经过模糊化、模糊推理和解模糊，得到可调频率u_f；

将可调频率u_f和正功率P_demand.pos输入至自适应模糊低通滤波器中，对正功率P_demand.pos分频解耦，输出量为高频正功率P_demand.pos.h和中低频正功率P_{demand.pos.ml}，其中高频正功率由超级电容承担，中低频正功率由燃料电池和锂电池共同承担；

根据上一步获得的中低频正功率P_{demand.pos.ml}，结合步骤二所获得的最优混合动力汽车能量管理策略，得到对应此刻需求功率的燃料电池和锂电池的输出功率比；

利用上一步的输出功率比，通过计算，可以获得实际的燃料电池功率P_FC，根据瞬时功率平衡，得到实际的锂电池功率P_BAT；

根据以上步骤就可以实现以氢燃料电池为主能源的复合能源混合动力汽车的最优能量管理，得到燃料电池功率P_FC、锂电池功率P_BAT和超级电容功率P_UC。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易变化或替换，都属于本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种氢燃料电池混合动力汽车的能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一)：建立混合动力汽车能量管理***模型；

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池混合动力汽车的能量管理方法，其特征在于，所述的步骤一)中所述的混合动力汽车能量管理***模型包括：

A.燃料电池电压模型：

B.锂电池电压模型：

C.超级电容电压模型：

V_UC.oc＝SOC_UC·(VUC.min_UC.max+V_UC.min)

其中，V_UC.max和V_UC.min分别是超级电容最大和最小输出电压，R_UC是超级电容等效内阻，

P_UC是超级电容电功率；

D.三能量源的氢燃料电池混合动力汽车能量管理***模型：

P_demand＝P_FC+P_BAT+P_UC；其中，式中，P_demand是负载需求功率，P_FC是燃料电池功率，P_BAT是锂电池功率，P_UC是超级电容功率；当锂电池和超级电容放电时，P_BAT和P_UC为正；当锂电池和超级电容充电时，P_BAT和P_UC为负。

3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池混合动力汽车的能量管理方法，其特征在于，在步骤二)中，基于历史数据的混合动力汽车能量管理深度强化学习策略的过程如下：

1.采集大量不同工况的数据，以获得更具普适性混合动力汽车能量管理策略；

2.利用最近邻方法，对上一步的数据进行处理，获得具有普适性的需求功率转移概率矩阵：

其中，p_k，ij表示速度为k时，需求功率由i到j的转移概率；N_k，ij表示速度为k时，学习样本中需求功率由i到j的转移次数；N_k，i表示速度为k时，学习样本中需求功率由i转为其他功率的转移总次数；

min C_total(t)＝k_FCC_FC(t)+k_BATC_BAT(t)+k_UCC_UC(t)；

其中，SOC_BAT和SOC_UC分别表示电池和超级电容的荷电状态；

和

分别表示单位时间内电池充放电时的荷电状态变化率；P_FC(t)和P_BAT(t)分别表示燃料电池和电池在t时刻的输出功率；P_FC(t)_min和P_FC(t)_max分别表示燃料电池在t时刻输出功率的最小和最大值；

通过上述公式获得最优混合动力汽车能量管理策略；

同时由模糊自适应低通滤波器确定正功率P_demand.pos分流，其具体内容如下：

1)负载总需求功率P_demand为负时，储能***回收能量

3)负载总需求功率P_demand为正时，储能***释放能量

4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池混合动力汽车的能量管理方法，其特征在于，步骤三)包括以下步骤：

a.根据车辆加速踏板的变化幅值，得到驱动电机负载需求功率P_demand；

c.获得储能***加权SOC；