[发明专利]一种多堆燃料电池混合动力系统分层控制方法

说明书

本发明公开一种多堆燃料电池混合动力系统分层控制方法，本发明将不同的燃料电池工况造成的每个电堆的性能衰退程度整合成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健康度统一为氢气消耗度。利用具有强健康意识的优化方法，并根据氢气消耗度为性能指标求解最佳燃料电池输出功率序列。得出了最优状态变量序列SOC和离线工况序列Pload的分类，调取规则。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，以达到延长多堆燃料电池系统整体耐久性的目的。

技术领域

本发明属于多堆燃料电池技术领域，特别是涉及一种多堆燃料电池混合动力系统分层控制方法。

背景技术

氢能是人类应对能源短缺最为重要的手段之一，而氢燃料电池由于能量转化率高，清洁无污染的特点受到了世界的欢迎，各位学者对氢燃料电池及其应用的研究也日益广泛和深入。我国于2008年开始对氢燃料电池混合动力机车开始进行研究，现已有部分正式投入商业化应用。然而，列车的功率需求极大，甚至达到MW级别，单一的燃料电池电堆无法满足其功率需求，因此常常将多个燃料电池电堆组合为多堆燃料电池供电系统为机车提供能量。

对实际工程而言，往往采用规则的能量管理策略分配多堆燃料电池混合动力系统的能量，虽然基于规则的分配方法实时性强，实施便利，但其经济性和燃料电池的使用寿命往往无法达到商业化的要求，基于优化的能量管理方法经济效益更好但计算复杂，实时性较差。因此平衡两类能量管理方法的关系是目前亟待解决的问题，并且，传统的基于规则的能量管理方法几乎均未考虑燃料电池的寿命衰减带来的经济性影响。

以往对多堆燃料电池的研究往往集中于其内部拓扑结构及如何提升整体效率，很少考虑因不同电堆的性能差异导致某一电堆提前退役，从而造成多堆燃料电池系统的整体更换或大修。对多堆燃料电池系统的健康度的描述也较为模糊，未对其进行量化。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种多堆燃料电池混合动力系统分层控制方法，不仅考虑了商用燃料电池机车的实用性问题，并延长了多堆燃料电池系统的使用寿命、提高了其经济性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多堆燃料电池混合动力系统分层控制方法，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。

进一步的是，多堆燃料电池混合动力系统的控制系统包括底层部分、顶层部分和健康度计算部分，三个部分的互相协调控制和配合完成分层控制方法；