一种动力电池辅助的氢燃料电池汽车系统能量管理方法与流程

1.本发明属于汽车控制领域，具体涉及一种动力电池辅助的氢燃料电池汽车系统能量管理方法。


背景技术：

2.氢燃料电池汽车的能量转换效率高，排放物为清洁的水，并且氢气来源广泛，在新能源汽车中受到了广泛的关注。由于氢燃料电池的动态特性较差，所以在氢燃料电池汽车中通常要和辅助能源一起提供车辆所需的能量，以保证氢燃料电池汽车的动力需求。目前氢燃料电池汽车大多使用氢燃料电池和动力电池一起为整车提供能量，因此对于氢燃料电池和动力电池的混合动力系统能量管理方法设计极为重要。
3.现有技术中，汽车系统能量管理策略的设计目标大多是提高车辆的动力性和经济性，但是，氢燃料电池在怠速、频繁启停、大幅变载以及过载的工作情况下，其内部的碳载体和催化剂都会受到损伤，从而影响氢燃料电池的使用寿命，当前的能量管理方法无法有效保证和提高电池的耐久性。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种动力电池辅助的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，减少氢燃料电池工作时输出功率的变化率以及频繁启停的现象，提高氢燃料电池的耐久性，同时延长氢燃料电池和动力电池的使用寿命，提高车辆的行驶经济性。
5.为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：一种动力电池辅助的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，所述方法包括如下步骤：获取预设参数，根据预设参数完成混合动力系统模型的部件选型，构建动力电池辅助的氢燃料电池汽车混合动力系统模型；对所述混合动力系统模型，采用两级串联模糊控制器实现氢燃料电池系统变载限制与控制，并利用粒子群算法优化两级串联模糊控制器的隶属度函数以及模糊规则权重，实现能量管理。
6.作为本发明的一个优选实施例，所述实现能量管理，具体包括：步骤s2，包含第一级模糊控制器和第二级模糊控制器的串联模糊控制器，输出控制信号给混合动力系统；步骤s3，混合动力系统输出里程信息给粒子群优化算法模块；步骤s4，粒子群优化算法模块设置行驶里程为目标函数，计算寻找行驶里程最大值；若没有找到，则优化串联模糊控制器的隶属度函数和模糊规则权重，并将优化后的隶属度值更新到模糊控制器，返回步骤s2；若找到行驶里程最大值，进入步骤s5；步骤s5，输出行驶里程最大值，同时采用此时串联模糊控制器的隶属度函数和模
糊规则权重，输出对应的氢燃料电池电流。
7.作为本发明的一个优选实施例，步骤s5所述采用此时串联模糊控制器的隶属度函数和模糊规则权重，输出对应的氢燃料电池电流，具体包括：采用两级控制，当检测到第一级模糊控制器输出电流1的变化率＞5a/s时，当前氢燃料电池系统的输出电流，氢燃料电池系统下一时刻的输出电流；当检测到第一级模糊控制器输出的1变化率≤5a/s时，第二级模糊控制器生效第二级模糊控制器通过三个输入参数，计算出氢燃料电池从当前时刻到下一时刻输出电流的变化值；氢燃料电池系统下一时刻的输出电流。
8.作为本发明的一个优选实施例，所述预设参数包括整车参数、驱动电机参数、动力电池参数和氢燃料电池参数。
9.作为本发明的一个优选实施例，所述氢燃料电池参数包括：氢燃料电池系统最大电流、氢燃料电池系统的额定电压、额定功率。
10.作为本发明的一个优选实施例，所述动力电池参数包括：电机的峰值功率、额定功率、最大转速、额定转速和峰值扭矩。
11.作为本发明的一个优选实施例，两极模糊控制器分别为第一级模糊控制器和第二级模糊控制器，将两级模糊控制器串联后，将电机需求电流和动力电池当前电池电量作为第一级模糊控制器的输入参数，第一级模糊控制器的输出电流为；第二级模糊控制器的输入参数有三个，分别为第一级模糊控制器的输出电流、动力电池当前电池电量以及电机需求电流的变化值；第二级模糊控制器的输出结果为氢燃料电池系统输出电流的变化值。
12.作为本发明的一个优选实施例，所述粒子群算法，将里程作为目标函数，每一次迭代判断是否找到行驶里程最大值；若找到最大值，则结束迭代，以当前隶属度函数和模糊规则权重进行两级串联模糊控制器的计算；若否，则继续迭代，更新两级串联模糊控制器的隶属度函数以及模糊规则权重。
13.本发明实施例所提供的技术方案具有如下有益效果：本发明实施例所提供的动力电池辅助的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，基于氢燃料电池系统和动力电池系统建立混合动力系统，并基于混合动力系统，根据输入参数获取整车电流需求i_req，用串联模糊控制的方式对氢燃料电池系统输出电流i_fc进行实时动态调控，以保证氢燃料电池系统稳定性，并利用粒子群优化算法以里程数为目标优化模糊控制的隶属度函数及模糊规则权重，以保证车辆行驶的经济性。本发明减少了氢燃料电池工作时输出功率的变化率以及频繁启停的现象，提高了氢燃料电池的耐久性，同时延长了氢燃料电池和动力电池的使用寿命，也提高了车辆的行驶经济性。
14.当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
16.图1为本发明实施例所述系统能量管理方法适用的氢燃料电池汽车混合动力系统结构图；图2为本发明实施例所述动力电池辅助的氢燃料电池汽车系统能量管理方法流程图；图3为本发明实施例中基于两级串联模糊控制器的能量管理流程图。
具体实施方式
17.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的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。
18.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
19.本发明的目的在于提供一种动力电池辅助的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，提高氢燃料电池的耐久性，减少氢燃料电池启停和大幅变载，以延长氢燃料电池的使用寿命。
20.如图1所示，所述动力电池辅助的氢燃料电池汽车系统，包括氢燃料电池、动力电池、加载能量控制策略的能量管理系统、整车控制系统、电机控制器以及电机和传动系统；通过混合动力系统模型获得整车电机需求电流，以氢燃料电池乘用车型为例，采用以氢燃料电池系统作为主能量源，以动力电池作为辅助能量源，两者并联共同为驱动电机供电，从而构成具有混合动力的系统结构。
21.如图2所示，所述动力电池辅助的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，包括如下步骤：步骤s1，获取预设参数，根据预设参数完成混合动力系统模型的部件选型，构建动力电池辅助的氢燃料电池汽车混合动力系统。
22.本步骤中，氢燃料电池系统需要在动力电池电量较低时开启为其充电，并单独为驱动电机供电来驱动车辆。因此，氢燃料电池系统的输出性能需要满足车辆在常规状态下的功率需求。另外，当氢燃料电池系统为动力电池充电时，其输出电流应小于动力电池的许用充电电流，一般指的是动力电池最大充电倍率对应的电流。构建动力电池辅助的氢燃料电池汽车混合动力系统，包括氢燃料电池系统和动力电池系统，以及两种系统的融合。本步骤中，所述预设参数包括整车参数、驱动电机参数、动力电池参数和氢燃料电池参数。其中，氢燃料电池参数包括：氢燃料电池系统最大电流、氢燃料电池系统的额定电压、额定功率；
动力电池参数包括：电机的峰值功率、额定功率、最大转速、额定转速、峰值扭矩等。
23.具体地，本步骤包括：步骤s11，根据所获取的预设参数中的氢燃料电池相关参数建立氢燃料电池系统，所述氢燃料电池系统中氢燃料电池系统功率p
fc
由公式（1）计算得到：
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（1）公式（1）中，表示氢燃料电池单向工作效率；表示辅助用电单元总电功率；表示车辆最大巡航时速，表示动力系统机械效率，m、f、cd、a分别表示整车质量、滚动阻力系数、风阻系数、迎风面积。
24.步骤s12，根据所获取的预设参数中的动力电池相关参数建立动力电池系统，所述动力电池系统的动力电池输出功率的计算如公式（2）所示：
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（2）所述动力电池系统的动力电池电量计算如公式（3）所示：
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（3）公式（2）和（3）中，和分别为动力电池输出电压和电流，其中动力电池输出电压＝，动力电池输出电流，与分别为动力电池开路电压和内阻，v
ov
为工作电压，为动力电池初始电池电量，为动力电池当前电池电量，为动力电池容量。然后，根据整车对动力电池的需求功率和动力电池初始电池电量，采用式（2）和（3）计算得到动力电池输出功率和动力电池当前的电池电量。
25.步骤s13，对所述氢燃料电池系统和所述动力电池系统进行融合，获得动力电池辅助的氢燃料电池汽车混合动力系统，并计算混合动力系统的电机需求电流：
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（4）公式（4）中，为氢燃料电池输出电流，为动力电池输出电流，通过混合动力系统获得整车的电机需求电流。
26.执行完步骤s1后，对所述混合动力系统模型，采用两级串联模糊控制器实现氢燃料电池系统变载限制与控制，并利用粒子群（particle swarm optimization，pso）算法优化两级串联模糊控制器的隶属度函数以及模糊规则权重，实现能量管理。所述实现能量管理，具体包括以下步骤：步骤s2，包含第一级模糊控制器和第二级模糊控制器的串联模糊控制器，输出控制信号给混合动力系统。
27.步骤s3，混合动力系统输出里程信息给粒子群优化算法模块。
28.步骤s4，粒子群优化算法模块设置行驶里程为目标函数，计算寻找行驶里程最大值；若没有找到，则优化串联模糊控制器的隶属度函数和模糊规则权重，并将优化后的隶属度值更新到模糊控制器，返回步骤s2；若找到行驶里程最大值，进入步骤s5。
29.所述粒子群算法，将汽车里程作为目标函数，每一次迭代判断是否找到行驶里程最大值；若找到最大值，则结束迭代，以当前隶属度函数和模糊规则权重进行两级串联模糊控制器的计算；若否，则继续迭代，更新两级串联模糊控制器的隶属度函数以及模糊规则权重。
30.pso算法将里程信息作为目标函数，不断迭代计算，直到寻找到续驶里程最大值。此时对应的隶属度函数分布以及模糊规则权重即最终优化结果。这样一来，原先模糊控制中的专家经验被车辆经济性优化所取代，排除了人工经验的不确定性。
31.步骤s5，输出行驶里程最大值，同时采用此时串联模糊控制器的隶属度函数和模糊规则权重，输出对应的氢燃料电池电流。
32.如图3所示，本步骤中所述采用此时串联模糊控制器的隶属度函数和模糊规则权重，输出对应的氢燃料电池电流，具体包括：两级串联模糊控制器分别为第一级模糊控制器1和第二级模糊控制器2，将两级模糊控制器串联后，将电机需求电流和动力电池当前电池电量作为第一级模糊控制器1的输入参数，第一级模糊控制器1的输出电流为；第二级模糊控制器2的输入参数有三个，分别为第一级模糊控制器1的输出电流、动力电池当前电池电量以及电机需求电流的变化值，第二级模糊控制器2的输出结果为氢燃料电池输出电流的变化值。
33.假设当前时刻氢燃料电池输出电流为，第二级模糊控制器通过上述三个输入参数，计算出氢燃料电池从当前时刻到下一时刻输出电流的变化值。那么与的矢量和便是下一时刻氢燃料电池的输出电流。这样，氢燃料电池的输出电流被限制在预定范围内。
34.第二级模糊控制器的控制逻辑为：当检测到第一级模糊控制器输出的1变化率＞5a/s 时，保持原电流值的输出，，氢燃料电池系统下一时刻的输出电流；当检测到≤5 a/s 时，第二级模糊控制器生效，实时控制，则。当第二级模糊控制器生效时，会根据电机需求电流的变化率，以及动力电池当前电池电量计算氢燃料电池从当前时刻到下一时刻的输出电流变化。
35.两级串联模糊控制器的目的是为了控制电流的输出值，使电流稳定在合理区间里，不引起燃料电池系统的过度放电；粒子群优化是在电流处于合理区间的基础上，进行车辆经济性的优化，使其行驶的里程达到最大。本技术中串联模糊控制器的应用，使电流的输出值既稳定又是最优的。
36.由以上技术方案可以看出，本发明实施例所提供的动力电池辅助的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，基于氢燃料电池系统和动力电池系统建立混合动力系统模型，并基于混合动力模型，根据输入参数获取整车电流需求i_req，用串联模糊控制的方式对氢燃料电池的输出电流i_fc进行实时动态调控，以保证氢燃料电池系统的稳定性，并利用粒子群优化算法以里程数为目标优化模糊控制的隶属度函数及模糊规则权重，以保证车辆行驶的经济性。本发明减少了氢燃料电池工作时输出功率的变化率以及频繁启停的现象，提高了氢燃料电池的耐久性，同时延长了氢燃料电池和动力电池的使用寿命，也提高了车辆的行驶经济性。
37.以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。本领域技术人员应当理解，
本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

技术特征：
1.一种动力电池辅助的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：获取预设参数，根据预设参数完成混合动力系统模型的部件选型，构建动力电池辅助的氢燃料电池汽车混合动力系统模型；对所述混合动力系统模型，采用两级串联模糊控制器实现氢燃料电池系统变载限制与控制，并利用粒子群算法优化两级串联模糊控制器的隶属度函数以及模糊规则权重，实现能量管理。2.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，其特征在于，所述实现能量管理，具体包括：步骤s2，包含第一级模糊控制器和第二级模糊控制器的串联模糊控制器，输出控制信号给混合动力系统；步骤s3，混合动力系统输出里程信息给粒子群优化算法模块；步骤s4，粒子群优化算法模块设置行驶里程为目标函数，计算寻找行驶里程最大值；若没有找到，则优化串联模糊控制器的隶属度函数和模糊规则权重，并将优化后的隶属度值更新到模糊控制器，返回步骤s2；若找到行驶里程最大值，进入步骤s5；步骤s5，输出行驶里程最大值，同时采用此时串联模糊控制器的隶属度函数和模糊规则权重，输出对应的氢燃料电池电流。3.根据权利要求2所述的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，其特征在于，步骤s5所述采用此时串联模糊控制器的隶属度函数和模糊规则权重，输出对应的氢燃料电池电流，具体包括：采用两级控制，当检测到第一级模糊控制器输出电流1的变化率＞5a/s时，当前时刻氢燃料电池系统的输出电流，氢燃料电池系统下一时刻的输出电流；当检测到第一级模糊控制器输出的1变化率≤5a/s时，第二级模糊控制器生效，第二级模糊控制器通过三个输入参数，计算出氢燃料电池从当前时刻到下一时刻输出电流的变化值；氢燃料电池系统下一时刻的输出电流。4.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，其特征在于，所述预设参数包括整车参数、驱动电机参数、动力电池参数和氢燃料电池参数。5.根据权利要求4所述的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，其特征在于，所述氢燃料电池参数包括：氢燃料电池系统最大电流、氢燃料电池系统的额定电压、额定功率。6.根据权利要求4所述的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，其特征在于，所述动力电池参数包括：电机的峰值功率、额定功率、最大转速、额定转速和峰值扭矩。7.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，其特征在于，两极模糊控制器分别为第一级模糊控制器和第二级模糊控制器，将两级模糊控制器串联后，将电机需求电流和动力电池当前电池电量作为第一级模糊控制器的输入参数，第一级模糊控制器的输出电流为；第二级模糊控制器的输入参数有三个，分别为第一级模糊控制器的输出电流、动力电池当前电池电量以及电机需求电流的变化值；第二级
模糊控制器的输出结果为氢燃料电池系统输出电流的变化值。8.根据权利要求1-7任一项所述的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，其特征在于，所述粒子群算法，将里程作为目标函数，每一次迭代判断是否找到行驶里程最大值；若找到最大值，则结束迭代，以当前隶属度函数和模糊规则权重进行两级串联模糊控制器的计算；若否，则继续迭代，更新两级串联模糊控制器的隶属度函数以及模糊规则权重。

技术总结
本发明提供了一种动力电池辅助的氢燃料电池汽车系统能量管理方法，属于汽车控制领域。所述方法首先获取预设参数，根据预设参数完成混合动力系统模型的部件选型，构建动力电池辅助的氢燃料电池汽车混合动力系统模型；对所述混合动力系统模型，采用两级串联模糊控制器实现氢燃料电池系统变载限制与控制，实现能量管理；利用粒子群算法优化两级串联模糊控制器的隶属度函数以及模糊规则权重。本发明减少了氢燃料电池工作时输出功率的变化率以及频繁启停的现象，提高了氢燃料电池的耐久性，同时延长了氢燃料电池和动力电池的使用寿命，也提高了车辆的行驶经济性。提高了车辆的行驶经济性。提高了车辆的行驶经济性。


技术研发人员：程永攀 刘鹏翔 王金新 张海
受保护的技术使用者：北京永氢储能科技有限责任公司
技术研发日：2023.08.29
技术公布日：2023/10/7