[发明专利]一种多堆燃料电池混合动力系统分层控制方法

权利要求书

1.一种多堆燃料电池混合动力系统分层控制方法，其特征在于，包括底层部分和顶层部分，底层部分为多堆燃料电池供电系统，顶层部分包括混合工况模块、强健康意识优化方法模块、最优规则制定模块和顶层能量分配模块；

包括步骤：

S10,将不同的燃料电池工况造成的每个电堆的性能衰退程度以性能衰退因子表示，并将其整合成性能健康度用以表示每个燃料电池的性能；将多堆燃料电池系统和蓄电池的等效氢气消耗及性能健康度统一为氢气消耗度，构成多堆燃料电池混合动力系统的目标函数；

S20,将蓄电池的SOC和系统离线工况离散化，利用强健康意识优化方法，根据所述氢气消耗度为性能指标的多堆燃料电池混合动力系统的目标函数求解最佳燃料电池输出功率序列；

S30,根据最佳燃料电池输出功率序列获得最优状态变量序列SOC和离线工况序列Pload通过数据密度聚类中心自确定法分别确定其聚类中心，并将相邻的聚类中心的平均值作为其分类的边界值，分别得出了最优状态变量序列SOC和离线工况序列Pload的分类；

S40,对各类最优状态变量序列SOC和离线工况序列Pload进行规则提取，并随时对规则进行修剪；

S50,顶层部分采用得到的规则分配燃料电池系统和蓄电池的功率；底层部分则实时采集多堆燃料电池系统中每个电堆的健康度，实时分配不同电堆的功率；

其中，随燃料电池和蓄电池使用时间的增加，燃料电池和蓄电池均有不同程度的性能衰退，以多堆燃料电池供电系统中每个燃料电池的健康度H_i和整体蓄电池的健康度H_bat定义其性能衰退程度；

每个燃料电池根据各自的衰退因子计算其健康度，根据当前燃料电池电堆输出功率所属区间求得各电堆对应的衰退T_i，从而计算各电堆的健康度，其表示了燃料电池性能衰退的程度；

蓄电池则通过当前输出电流计算其健康度；

每个燃料电池的健康度H_i和整体蓄电池的健康度H_bat的计算公式为：

其中，N为蓄电池的循环次数，c为蓄电池电能损失量，Tc为蓄电池总温度，Q为蓄电池总容量，ibat为蓄电池当前电流；

根据当前燃料电池电堆输出功率所属区间求得各电堆对应的衰退T_i；每个燃料电池的健康度包括变载衰减因子T_change、平稳衰退因子T_usual、启停衰退因子T_on/off、高功率衰退因子T_high和低功率衰退因子T_low；当燃料电池在高功率区运行时，根据当前燃料电池电堆输出功率P_fci计算该燃料电池电堆的高功率衰退因子T_high；当燃料电池在低功率区运行时，根据当前燃料电池电堆输出功率P_fci计算该燃料电池电堆的低功率衰退因子T_low；当燃料电池启停时，计算每个电堆的启停衰退因子T_on/off；当燃料电池正常工作时，根据当前燃料电池电堆输出功率P_fci计算该燃料电池电堆的变载衰减因子T_change和平稳衰退因子T_usual；

表述公式为：

式中，β₁、β₂、β₃和β₄为经过长期老化实验所得参数，P_fci为当前燃料电池电堆输出功率，P_highlim为燃料电池高功率运行下界，P_lowlim为燃料电池低功率运行上界，P_fcmax和P_fcmin分别为每个燃料电池电堆允许输出的最大功率和最低功率；δ_delay和N(c,T_c)分别为燃料电池输出功率波动率和蓄电池性能损失函数；

所述δ_delay和N(c,T_c)分别为燃料电池输出功率波动率和蓄电池性能损失函数的表达式为：

其中，ξ为进行长期老化实验得出的燃料电池输出功率波动单位情况下的功率波动性能衰退率，P_fci|t和P_fci|t-1为当前每一个燃料电池电堆输出功率和前一时刻输出功率，ΔP_fcmax为当前每一个燃料电池电堆功率变化率的最大值；Q为蓄电池容量、c为蓄电池电能损失量，M(c)为容量损失百分率，E_a(c)为活化能，T_C为蓄电池总温度,R_C为蓄电池内阻；

多堆燃料电池系统和蓄电池的等效氢气消耗表达式为：

其中，C_fc为多堆燃料电池系统整体氢气消耗，C_bat为蓄电池氢气消耗，C_system为系统等效氢气消耗；η_dis为蓄电池放电效率，η_chg为蓄电池充电效率，这两个参数通过拟合蓄电池输出功率P_bat和荷电状态SOC得到；a₁、a₂、b₁、b₂均为常数；

将多堆燃料电池系统和蓄电池的等效氢气消耗及性能健康度统一为氢气消耗度，表达式为：

C_fc-life为多堆燃料电池系统氢气消耗度，C_bat-life为蓄电池氢气消耗度；

构建多堆燃料电池混合动力系统的目标函数为：

J_k[u_k(s_k)，s_k]＝C_system+C_fc-life+C_bat-life。