[发明专利]基于分层式MPC的燃料电池混合动力系统控制方法

权利要求书

1.一种基于分层式MPC的燃料电池混合动力系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于燃料电池系统和锂离子电池建立燃料电池混合动力系统模型；

在步骤S1中，所述燃料电池混合动力系统模型包括燃料电池系统、锂离子电池和DC/DC转换器，所述燃料电池系统和锂离子电池用于为车辆提供动力，所述DC/DC转换器用于计算锂离子电池的总线电压和燃料电池系统需要的净输出电流，调节燃料电池系统和锂离子电池对应的输出功率；

所述燃料电池系统包括空气压缩机模型、进气歧管模型和电堆阴极模型，所述燃料电池系统的工作过程为：

所述空气压缩机模型根据燃料电池系统的输入变量控制空气压缩机模型的转速得到空气压缩机模型流出的空气质量流量和流出的空气温度，并计算得到当前时刻空气压缩机模型消耗的寄生功率；空气继续向后流入进气歧管模型，空气经进气歧管模型增湿和冷却后继续流入电堆阴极模型内部，并在电堆阴极模型处与氢气反应产生能量，以此计算得到燃料电池系统实际输出功率；

在所述燃料电池混合动力系统模型中，所述DC/DC转换器的动态特性表示为：

其中：L_in,C_out分别为DC/DC转换器中电感器和电容器的值，为固定取值；I_net为燃料电池系统的净输出电流；V_st为燃料电堆阴极的输出电压；d为占空比；V_bus为锂离子电池的总线电压；P_req为车辆行驶工况的需求功率；I_bt为锂离子电池的输出电流；

所述锂离子电池的动态特性表示为：

其中：SOC为锂离子电池的荷电状态；q_bt为锂离子电池的电池容量；η_bt为锂离子电池的充电效率；

所述燃料电池系统中空气压缩机模型的动态特性表示为：

其中：ω_cp为空气压缩机模型的转速；J_cp为空气压缩机与电机的总惯量；τ_cm为空气压缩机的电机转矩；τ_cp为空气压缩机的负载转矩；

所述燃料电池系统中进气歧管模型的动态特性表示为

其中：p_sm为进气歧管模型内的压力；R为理想气体常数；T_cp为流入进气歧管模型的气体温度；M_atm为进气歧管模型内空气的摩尔质量；V_sm为进气歧管模型的总容积；W_cp为流入进气歧管模型的气体质量流量；W_ca,in为流出进气歧管模型的空气质量流量；

所述燃料电池系统中电堆阴极模型的动态特性表示为

其中：分别为电堆阴极模型内氧气和氮气的分压力；R为理想气体常数；T_st为电堆阴极模型的温度；分别为电堆阴极模型中氧气和氮气的摩尔质量；V_ca为电堆阴极模型的总容积；分别为流入电堆阴极模型的氧气和氮气的质量流量；分别为流出电堆阴极模型的氧气和氮气的质量流量；为电堆阴极反应消耗的氧气质量流量；

S2：对所述燃料电池混合动力系统模型进行简化以及线性化处理；

S3：基于简化后的燃料电池混合动力系统模型构建包含有上层控制器和下层控制器的分层式MPC控制模型；

S4：所述上层控制器根据当前时刻的行驶工况的需求功率以及锂离子电池的荷电状态，计算得到该时刻燃料电池系统的期望净输出功率；

S5：所述下层控制器根据当前时刻燃料电池系统的期望净输出功率、实际净输出功率和净输出电流以及燃料电池系统在当前时刻的状态，计算得到燃料电池系统的输入变量和占空比，以调节燃料电池系统和锂离子电池输出功率的分配。