[发明专利]一种基于健康管控的混合动力能量分配方法

权利要求书

1.一种基于健康管控的混合动力能量分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立PEMFC内部水含量分布模型：

假设在扩散层到催化层存在一个气态水和液态水的分界面，计算气液分界面的位置，气液分界面位置计算公式为：

其中x_interface是气液分界面位置，C_sat是饱和水蒸气浓度，J_water为净水通量，一般认为是i/2F，D_v是指蒸汽扩散率，ε_gdl表示气体扩散层的孔隙率，

C_{v_gc}是扩散层与气体流道分界面的水蒸气浓度；

C_{v_gc}的计算公式为：

C_{v_gc}＝J_water/h_v+C_gcC_{v_gc}＝J_water/h_v+C_gc

公式中的h_v为水蒸气对流传质系数，C_gc是稳态时气体流道内水蒸气浓度；

C_gc的计算公式为：

C_gc＝(J_waterL_ch/H_ch+V_{g_in}C_{v_in})/V_{g_out}C_gc＝(J_waterL_ch/H_ch+V_{g_in}C_{v_in})/V_{g_out}

公式中，J_water为净水通量，L_ch表示流道的长度，H_ch表示流道的厚度，V_{g_in}表示入口处气体流速，V_{g_out}表示出口处气体流速，C_{v_in}表示进口水蒸气浓度，进出口流速和进口水蒸气浓度均会影响电堆内部的水含量；

步骤2，分析催化层水含量建模机理，在催化层存在三种形态的水：气态水、液态水、膜中水，膜中水指的是与电解质结合的水，这三中形态的水之间可以相互转化；其中膜中水和电堆内部液态水之间的转化公式为：

公式中，M_H2O表示水分子量，ε_cl表示催化层孔隙率，ρ_mem表示干膜密度，M_ew指干膜的等效摩尔质量，s_ccl指的是阴极催化层液态水饱和度，λ_ccl表示阴极催化层所在位置的膜中水含量，λ_{eq_l}表示液态平衡水含量，D_nmw表示膜内水的扩散系数，i_fc指的是电流密度，r_lconv指液态水凝结系数；

气态水与膜中水之间的相互转化公式为：

其中r_vconv表示气态水凝结系数，λ_{eq_sat}表示饱和平衡水含量，λ_{eq_v}表示催化层气态平衡水含量；

对于膜中水和电堆内部液态水之间的转化公式和气态水与膜中水之间的相互转化公式中的液态水饱和度s_ccl，可由s_ccl公式求得

其中θ_c指的是扩散层接触角，这里取110°，对s_ccl公式进行积分得s_ccl积分公式：

可得到液态水饱和度的稳态分布解，取x＝L_gdl+L_cl即可得到催化层液态水饱和度s_ccl；

对于膜中水和电堆内部液态水之间的转化公式和气态水与膜中水之间的相互转化公式中的平衡水含量λ_eq可根据λ_eq公式求取：

其中a为催化层中的水活度，即

a＝C_{v_cl}/C_sat

公式中C_sat表示饱和水蒸气浓度，公式中的C_gc可由所述C_gc的计算公式求取，C_{v_cl}指的是催化层水蒸气浓度，可通过C_{v_cl}公式计算而得：

综合膜中水和电堆内部液态水之间的转化公式和气态水与膜中水之间的相互转化公式，可得气态水、液态水与膜中水之间的转化公式：

由气态水、液态水与膜中水之间的转化公式可求得气态水和液态水与膜中水之间得转化量J_{ion_cl}，进而将其带入催化层水含量公式：

步骤3，进行催化层中铂粒子团聚对水含量影响的机理建模：

首先计算阴极催化层的孔隙率ε_cl，ε_cl的计算公式如下：

ε_cl＝1-ε_pt/c-wε_cl＝1-ε_pt/c-w

其中ε_cl即为催化层孔隙率，ε_pt/c表示支撑铂的碳载体的体积分数，w表示电解质体积分数；

碳载体的体积分数ε_pt/c可通过ε_pt/c计算公式计算而得：

其中，m_pt表示阴极单位面积铂粒子的质量载荷，δ_cl是指催化层厚度，ρ_pt表示铂的密度，Ratio_pt/c表示单位体积内Pt和C的比例，Ratio_pt/c的计算公式如下：

Ratio_pt/c＝m_pt/(m_pt+m_c)

其中，m_pt表示阴极单位面积铂粒子的质量载荷，m_c表示阴极单位面积碳的质量载荷；

ε_cl的计算公式中的电解质体积分数w可由w计算公式计算而得：

其中w_agg表示团聚体体积分数，一般是一个定值；δ_m表示催化层中电解质膜厚度，N表示单位体积的团聚体数量；r_agg表示团聚体半径，团聚半径r_agg计算公式如下：

其中r_t,agg指的是t时刻团聚体半径，r_0,agg表示团聚体的初始半径，R_0,pt表示铂粒子初始半径，k_d计算公式如下：

其中，Ω_pt表示铂的摩尔体积；D_pt,i表示铂粒子单体相中的铂扩散系数；R为气体摩尔常数；T为温度；C_{∞_pt}表示离子聚物相中稳定铂粒子的溶质浓度，C_{∞_pt}计算公式如下：

其中，R_t,pt表示t时刻铂粒子半径；γ_pt表示铂的界面能量表面密度；V_ave表示平均电压；E_rev,pt表示铂分解反应的可逆电压，E_rev,pt的计算公式如下：

E_{rev_pt}(T)＝1.188+3.2376×10^-4(T-298)E_{rev_pt}(T)

＝1.188+3.2376×10^-4(T-298)

结合以上公式，即可搭建考虑催化层铂粒子团聚影响的PEMFC水含量模型；步骤4，估计锂电池SOC：

锂电池SOC估计的详细过程如下：

电流的计算公式为：

其中U_p、C_p均是可以表征锂电池运行特性的参数；

锂电池SOC的计算公式为：

其中SOC(t₀)指的是初始时刻的SOC，η表示锂电池效率，Q_N指锂电池的容量；联合电流的计算公式和锂电池SOC的计算公式可得到锂电池的状态空间方程，如下所示：

U_load,k＝U_oc(SOC_k)-U_p,k-I_kR_0,k+v_kU_load,k＝U_oc(SOC_k)-U_p,k-I_kR_0,k+v_k即是：

X_k＝f(X_k-1,u_k-1)+w_k-1

Y_k＝h(X_k,u_k)+v_kX_k＝f(X_k-1,u_k-1)+w_k-1

Y_k＝h(X_k,u_k)+v_k

其中u_k是模型的输入，此处为电流I_k，w_k为模型噪声，v_k为测量噪声；

步骤5，UKF算法联合估计锂电池SOC的步骤如下：

(1)变量的初始化，此处对变量维度进行了扩展，状态变量为：SOC、U_p、R₀、R_p和C_p

X₀＝E(x(0))X₀＝E(x(0))

P₀＝E[(x(0)-X₀)(x(0)-X₀)^T]P₀＝E[(x(0)-X₀)(x(0)-X₀)^T]

(2)计算采样点sigmma点

其中L为状态值的维度，λ计算公式如下：

λ＝α²(L+κ)-Lλ＝α²(L+κ)-L

α决定了sigmma点的扩散，并被设置为一个较小的正值(0.1，0.01，

0.001)，κ取为0；

(3)状态更新

sigmma点值更新:

状态值更新：

计算出估计的状态值的协方差

公式中的Q为协方差矩阵，公式中的权重值计算公式如下：

其中β＝2

(4)更新测量值

计算测量值协方差和交互协方差

其中R为测量噪声协方差

(5)状态值和协方差的修正

K＝P_xy(P_y)^-1K＝P_xy(P_y)^-1

步骤6，在混合动力功率分配的过程中，同时对PEMFC的水含量和锂电池SOC进行管控。