[发明专利]一种车载燃料电池混合动力系统设计方法和装置

说明书

技术领域

本申请涉及燃料电池混合动力应用技术领域，尤其涉及一种车载燃料电池混合动力系统设计方法和装置。

背景技术

城市交通拥堵和汽车尾气排放引起的环境污染问题已经成为困扰每个大中城市的难题。发展城市公共交通，尤其是城市轨道交通，以及新能源应用，是解决城市拥堵和空气污染的一种有效途径。国家“十二五”规划明确指出，国家将重点发展大运量高速载运、新能源载运等技术与装备，有序推进地铁、轻轨、有轨电车等城市轨道交通建设。因此，基于新能源的城市轨道交通已成为国家重点发展方向。

燃料电池是一般以氢氧作为反应物质、通过电化学反应把化学能转换成电能的发电装置，由于其发电过程不涉及燃料的燃烧，因而不受卡诺循环限制，发电效率高达40～50％，而且产物只有水，不会产生氮、硫、碳等氧化物，极其清洁高效，具有功率密度和能量密度高、功率范围广的优点。燃料电池有轨电车自身携带主动力源，与内燃机车辆一样灵活，完全摆脱了线路牵引供电系统，能够大幅降低有轨电车线路初期建设投资，又没有内燃机车辆的污染问题，属于有轨电车供电技术发展的先进代表，发展潜力巨大。

城轨车辆燃料电池供电技术目前国内外均尚处于发展初期。在现有车载燃料电池混合动力系统，特别是轨道交通燃料电池混合动力系统研究中，主要涉及混合动力系统的能量管理，针对混合动力系统优化设计的研究极少。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种车载燃料电池混合动力系统设计方法和装置，以实现车载燃料电池混合动力系统的优化设计。

为了达到上述发明目的，本申请采用了如下技术方案：

一种车载燃料电池混合动力系统设计方法，包括：

获取有轨电车线路设计参数、车辆设计参数和运行指标参数、燃料电池参数、单体动力电池参数和超级电容模组参数；

根据所述有轨轨电车线路设计参数、车辆设计参数和运行指标参数计算混合动力系统动态循环运行工况下的需求功率和需求能量；

向燃料电池混合动力系统设计优化模型中输入所述燃料电池参数、单体动力电池参数和超级电容模组参数以及所述混合动力系统动态循运行工况下的需求功率和需求能量；

求解燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量的Pareto非支配解集；所述Pareto非支配解集包括至少一个满足所有约束条件的非支配解；

根据所述Pareto非支配解集与其对应的目标函数值构成Pareto前沿；所述ParetoPareto前沿为设计人员提供车载燃料电池混合动力系统的参考设计方案；

其中，所述燃料电池混合动力系统设计优化模型是以混合动力系统的全寿命周期经济性、体积和重量中的至少一个为优化目标，以电压约束、最大电流约束、燃料电池出力爬坡约束、动力电池/超级电容最大充放电电流约束、动力电池/超级电容荷电状态SOC约束、故障续驶能力约束、混合动力系统最大体积约束、混合动力系统最大重量约束和混合动力系统动态响应与电力电量平衡约束中的至少一个为约束条件构建得到。

可选地，所述求解燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量的Pareto非支配解集，具体包括：

确定燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量的优化搜索区间；

利用优化算法计算满足所有约束条件的控制变量的非支配可行解，得到控制变量的Pareto非支配解集。

可选地，所述燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量为燃料电池额定功率、单体动力电池的数量和超级电容模组的数量。

可选地，所述确定燃料电池混合动力系统设计优化模型的控制变量的优化搜索区间，具体包括：

根据混合动力系统的平均功率确定燃料电池额定功率；

分别确定单体动力电池的数量和超级电容模组的数量的优化搜索区间；

所述利用优化算法计算满足所有约束条件的控制变量的非支配可行解，得到控制变量的Pareto非支配解集，具体包括：

利用优化算法计算满足所有约束条件的单体动力电池的数量和超级电容模组的数量的非支配可行解，得到单体动力电池的数量和超级电容模组的数量的Pareto非支配解集。

可选地，所述燃料电池混合动力系统设计优化模型为：

目标函数f＝{f₁,f₂,f₃}：

约束条件：