[发明专利]燃料电池混合动力汽车的预测性能量管理方法

说明书

一种燃料电池混合动力汽车的预测性能量管理方法，属于新能源汽车电源技术领域。本发明的目的是在保持锂电池SOC处在参考值附近的同时，保证燃料电池以高效率运行，在满足上述条件的情况下使氢气消耗达到最小的燃料电池混合动力汽车的预测性能量管理方法。本发明步骤是：混合动力系统的拓扑结构；燃料电池混合动力汽车模型建立；车速预测与车辆驾驶模式识别；基于模型预测控制的燃料电池混合动力汽车在线能量管理方法设计。本发明达到了经济性、荷电状态和燃料电池效率三者之间的相对最优。设计了多目标的燃料电池混合动力汽车能量管理方法。在稳定保持锂电池SOC的前提下，大幅度提高了燃料电池效率，显著降低了氢气消耗量。

技术领域

本发明属于新能源汽车电源技术领域。

背景技术

随着国家“双碳”目标的提出，汽车的排放将面临更苛刻的限制，当下汽车的电动化、低排放化是不可逆转的发展趋势。在各种车载电源类型中，燃料电池具有零排放，高效率，高能量密度，续航时间长的特点，故而是一个良好的车载电源选择。但是，由于燃料电池依靠电化学反应产生电能，且作为反应物的空气要经过空压机和进气歧管才能被输送到电堆参与反应，所以单一的燃料电池电源往往存在响应慢的特点，难以应对变化快速的车辆能量需求。通过建立燃料电池和锂电池的混合动力系统，整个动力系统的能量响应能够得到很大改善，在供电过程中锂电池将起到回收制动能量的作用、并在燃料电池动力不足时充当辅助电源，极大提升车辆动力性能。

在燃料电池和锂电池混合动力系统中，燃料电池是主要的能量来源，可以平稳输出电能，锂电池是可以充当辅助电源的储能装置。在燃料电池混合动力汽车行驶过程中，驱动电机所需电能是由车速和车辆参数决定的，由燃料电池和锂电池一同提供。如果燃料电池的输出过大，会导致氢气的消耗量过多，使混合动力系统的经济性变差；若锂电池输出过大，则会导致锂电池的SOC(荷电状态，State of Charge)过低，影响车辆续航能力。显然，在车辆行驶过程中，合理的能量管理方法能够提高混动系统的经济性和车辆的动力性能。因此需要制定有效的能量管理方法，来解决燃料电池和锂电池之间实时的能量分配优化问题。

通常来说，混合动力汽车的能量管理方法分为两种，基于规则的能量管理方法和基于优化的能量管理方法。基于规则的方法根据汽车行驶工况的不同种类和锂电池SOC的不同范围，按照预先设计好的能量管理规则分配燃料电池和锂电池的功率。基于规则的方法简单易行，运算量低，但能量管理规则的制定往往依赖于专家经验，且无法得出能量分配的最优解。基于优化的方法又可以细分为离线优化方法和在线优化方法。动态规划、极小值原理和诸如遗传算法的一系列仿生优化算法都属于离线优化方法，可以得到能量分配的全局最优解，但离线优化方法在实际应用中有较大局限性。而在线优化方法得到的是局部最优解，并在系统每个采样周期内实时更新，与全局优化相比，在线优化方法的优化解能够实时更新，更贴合工程实际，是目前和将来的发展趋势，但在线优化的能量管理方法还存在着诸多问题亟待解决：

1、在优化目标的设计上，传统方法往往只考虑到了锂电池SOC，是单目标优化，并没有从经济性的角度去设计能量管理方法，这会增加不必要的氢气消耗量。

2、燃料电池内部存在着欧姆极化、活化极化和浓差极化现象，有着自身的能量-效率特性关系。当燃料电池运行于低效率区时，极化现象会导致较大的电压损失，进而降低能量利用率。

3、在遵循滚动时域优化原则的方法中，在每个采样周期求取的是未来短时域内的局部最优解。而在实际应用中，未来车速信息是无法预知的。针对这一问题传统的处理方法是假设车辆匀速行驶，将当前时刻车速作为未来车速进行计算，这显然会导致优化效果变差。

在建立车速预测模型过程中，建立转移概率矩阵是重要的一步。由于不同路况下车辆的行驶数据差别很大，所以传统方法所建立的转移概率矩阵往往发散程度很高，从而导致预测精度的不足。

发明内容

本发明的目的是在保持锂电池SOC处在参考值附近的同时，保证燃料电池以高效率运行，在满足上述条件的情况下使氢气消耗达到最小的燃料电池混合动力汽车的预测性能量管理方法。