[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

说明书

本发明公开了一种基于分层式MPC的燃料电池混合动力系统控制方法，包括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；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；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；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；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。

技术领域

本发明涉及燃料电池系统优化控制技术领域，具体公开了一种基于分层式MPC的燃料电池混合动力系统控制方法。

背景技术

当今社会随着能源结构的改组和对生态环境的要求，以氢气为能量源的质子交换膜燃料电池混合动力汽车凭借氢气来源广泛、加氢时间短、零污染排放等优点获得了广泛的关注和研究。

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)由于其存在较强的耦合性和迟滞性，无法满足车辆行驶时极端突变工况下的功率输出要求，因此往往与锂离子电池串联构成混合动力系统结构使用，然而在本就庞大且耦合性强的质子交换膜燃料电池系统基础上增加DC/DC转换器和锂离子电池来构成燃料电池混合动力系统使得本就庞大的系统变的更加复杂，进一步增加了对混合动力系统的控制难度和维护成本。模型预测控制凭借应对多输入多输出系统和可对输入输出变量进行约束等优点而被广泛应用于工业过程中，传统MPC一般用于为单回路控制器生成参考信号，以优化全局性能并对多个输入和输出进行约束。为了完成这一任务，MPC需要整个过程的动态模型来预测优化控制信号。因此，MPC面临着可扩展性和模型维护困难的问题；同时，由于在线解决大规模系统优化问题所带来的计算量等复杂性问题也逐渐增加。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于分层式MPC的燃料电池混合动力系统控制方法，以解决现有技术中燃料电池混合动力系统复杂、控制难度高、可扩展性低以及维护成本高的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于分层式MPC的燃料电池混合动力系统控制方法，具体包括以下步骤：

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；

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。

进一步的，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。

进一步的，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：