[发明专利]电动汽车复合电源燃料电池混合能量系统功率分流方法

摘要

本发明提供了一种电动汽车复合电源燃料电池混合能量系统功率分流方法，步骤一，燃料电池控制器在燃料电池开机时采集初始时刻的燃料电池电压和初始时刻的燃料电池电流,并在接下来的每一时刻采集燃料电池电压和复合电源电压；步骤二，建立复合电源燃料电池混合能量系统的离散化预测模型确定燃料电池在下一时刻的功率，步骤三，进一步确定下一时刻蓄电池参考输出功率和下一时刻超级电容的参考输出功率，实现功率分流；本方法通过对整车需求功率的优化分流，弥补了燃料电池动态响应慢的不足，同时减少了复合电源功率损失，提高了复合电源工作效率，满足车辆的动力性要求，提高车辆的续驶里程。

主权项

1.电动汽车复合电源燃料电池混合能量系统功率分流方法，基于一种电动汽车复合电源燃料电池混合能量系统，该复合电源燃料电池混合能量系统包括燃料电池单元、超级电容单元、蓄电池单元，将蓄电池与超级电容并联组成复合电源，复合电源与燃料电池并联为车辆提供动力；该复合电源燃料电池混合能量系统还包括燃料电池控制器和复合电源控制器，燃料电池控制器实现燃料电池和复合电源的功率分流，由于复合电源的功率由蓄电池和超级电容共同提供，因此还需要由复合电源控制器实现蓄电池和超级电容的功率分流，其特征在于，本方法具体步骤如下：步骤一，燃料电池控制器在燃料电池开机时采集初始时刻的燃料电池电压Vfc(0)和初始时刻的燃料电池电流Ifc(0),并在接下来的每一时刻k，采集k时刻的燃料电池电压Vfc(k)、k时刻复合电源电压Vbat‑sc(k)；步骤二，建立复合电源燃料电池混合能量系统的离散化预测模型，复合电源燃料电池混合能量系统的离散化预测模型状态空间表达式如下：x(k+1)＝A·x(k)+B·u(k)y(k)＝C·x(k)+D·u(k)系统矩阵A和控制矩阵B分别如下：其中：Cfc为燃料电池容量；Cbat‑sc为复合电源容量；ts为时间常数，即所采用的燃料电池控制器的采样时间；Vdbusref(k)为k时刻总线参考电压；Vfcref(k)为k时刻燃料电池参考电压；Vbat‑scref(k)为k时刻复合电源参考电压；输出矩阵C和直接传递矩阵D分别如下：由该复合电源燃料电池混合能量系统的离散化预测模型计算得到的k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)和k时刻燃料电池参考电压Vfcref(k)作为控制量，即该复合电源燃料电池混合能量系统的离散化预测模型在k时刻的控制量空间u(k)包括k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)和k时刻燃料电池参考电压Vfcref(k)；该复合电源燃料电池混合能量系统的离散化预测模型在k时刻的控制量空间u(k)为：状态空间x(k)包括k时刻的燃料电池电压Vfc(k)、k时刻复合电源电压Vbat‑sc(k)以及在k‑1时刻计算得到k‑1时刻的燃料电池参考电流Ifcref(k‑1)和k‑1时刻复合电源参考电流Ibat‑scref(k‑1)，状态空间x(k+1)为k+1时刻的燃料电池电压Vfc(k+1)、k+1时刻复合电源电压Vbat‑sc(k+1)以及在k时刻计算得到k时刻的燃料电池参考电流Ifcref(k)和k时刻复合电源参考电流Ibat‑scref(k)；在k时刻的状态空间x(k)为：k+1时刻的状态空间x(k+1)为：复合电源燃料电池混合能量系统的离散化预测模型在k时刻的中间量空间y(k)包括k时刻燃料电池电压Vfc(k)、k时刻复合电源电压Vbat‑sc(k)和复合电源燃料电池混合能量系统的离散化预测模型计算得到的k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)的微分dIfcref(k)和k时刻复合电源参考电流Ibat‑scref(k)的微分dIbat‑scref(k)以及k时刻总线参考电流的微分dIdcbus(k)，k时刻总线参考电流Ifcref(k)的微分dIdcbus(k)是燃料电池参考电流Ifcref(k)的微分dIfcref(k)和复合电源参考电流Ibat‑scref(k)的微分dIbat‑scref(k)的和，即dIdcbus(k)＝dIfcref(k)+dIbat‑scref(k)；复合电源燃料电池混合能量系统的离散化预测模型在k时刻的中间量空间y(k)为：将上述复合电源燃料电池混合能量系统的离散化预测模型进行在线求解即可得到k+1时刻的控制量：k+1时刻燃料电池参考电流Ifcref(k+1)和k+1时刻燃料电池参考电压Vbat‑scref(k+1)；复合电源燃料电池混合能量系统的离散化预测模型是滚动向前计算的过程，即初始时刻的燃料电池电压Vfc(0)和初始时刻的燃料电池电流Ifc(0)已经确定的情况下，可以根据当前时刻即初始时刻复合电源燃料电池混合能量系统状态空间得到下一时刻燃料电池参考电流Ifcref(1)和下一时刻燃料电池参考电压Vbat‑scref(1)，进一步地，该预测模型可由k时刻燃料电池参考电流Ifcref(k)和k刻燃料电池参考电压Vfcref(k)，根据当前时刻即k时刻复合电源燃料电池混合能量系统状态空间得到k+1时刻燃料电池参考电流Ifcref(k+1)和k+1时刻燃料电池参考电压Vbat‑scref(k+1)；得到k+1刻燃料电池参考电流Ifcref(k+1)和k+1时刻燃料电池参考电压Vbat‑scref(k+1)后，由此确定k+1时刻燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)和k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat‑scref(k+1)，k+1时刻的燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)为：Pfcref(k+1)＝Ifcref(k+1)×Vfcref(k+1)从整车控制器中读取k时刻整车需求功率P(k)，车辆在行驶过程中，假定在采用时间间隔内整车需求功率不变，即k+1时刻整车需求功率P(k+1)＝P(k)，本方法最终要达到的目的是对纯电动汽车复合能量系统对k+1时刻整车需求功率P(k+1)进行分流，上述复合电源燃料电池混合能量系统的离散化预测模型可以计算出k+1时刻的燃料电池输出功率，而k+1时刻整车需求功率P(k+1)是由k+1时刻燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)和k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat‑scref(k+1)共同提供，且燃料电池和复合电源并联，即P(k+1)＝Pfcref(k+1)+Pbat‑scref(k+1)，所以k+1时刻复合电源的参考功率Pbat‑scref(k+1)为：Pbat‑scref(k+1)＝P(k+1)‑Ifcref(k+1)×Vfcref(k+1)，其中：P(k+1)＝P(k)；步骤三，步骤二中确定了k+1时刻燃料电池参考输出功率Pfcref(k+1)和k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat‑scref(k+1)，由于k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat‑scref(k+1)由蓄电池和超级电容共同提供，复合电源由蓄电池和超级电容并联，即k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat‑scref(k+1)＝Pbatref(k+1)+Pscref(k+1)，因此还需进一步确定k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)和k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)；进一步确定k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)和k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)的过程如下：复合电源控制器读取燃料电池控制器得到的k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat‑scref(k+1)，并从整车控制器读取超级电容SOC和蓄电池SOC，k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat‑scref(k+1)的功率分配原则具体如下：a：若超级电容SOC大于0.8，蓄电池SOC小于0.2，说明超级电容存储电量充足，蓄电池存储电量不足，此时，k+1时刻复合电源参考输出功率全部由超级电容提供，即k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)＝0，k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)＝Pbat‑scref(k+1)；b：若超级电容SOC小于0.2，蓄电池SOC大于0.8，说明蓄电池电量充足，超级电容电量不足，此时，k+1时刻复合电源参考输出功率全部由蓄电池提供，即k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)＝Pbat‑scref(k+1)，k+1时刻超级电容的参考输出功率Pscref(k+1)＝0；c：若蓄电池SOC大于0.2，超级电容SOC大于0.2，此时，蓄电池和超级电容的电量均处于充足状态，此时k+1时刻复合电源需求功率由蓄电池和超级电容联合提供，通过基于瞬时最优算法的复合电源控制器优化蓄电池和超级电容的功率分配从而实现复合电源损失功率最小，过程如下：(1)建立功率损失模型及瞬时最优的寻优函数：复合电源总功率损失：其中：蓄电池功率损失：其中：Ebat为蓄电池的开路端电压；Ibat为蓄电池内部的电流；Rbat为蓄电池内部的等效电阻；Pbat为蓄电池的输出功率；超级电容功率损失：其中：Esc为超级电容的开路端电压；Isc为超级电容内部的电流；Rsc为超级电容内部的等效电阻；Psc为超级电容的对外输出功率；DC‑DC功率损失：其中：η为DC‑DC效率；实现复合电源功率损失最小的瞬时最优的寻优函数：(2)选取复合电源输出功率的最大值Pmax，定义Pmax为复合电源额定功率Pm的1.25倍，即Pmax＝1.25Pm，在0与复合电源输出功率的最大值Pmax之间等距离散出n个点，分别为P1，P2，P3……Pn，初始化i＝0，其中，i作为计数变量；(3)初始化a＝0，b＝Pi，作为寻优的边值；(4)设定分配系数Xa和Xb，其中：Xa＝a+0.382(b‑a)Xb＝a+0.618(b‑a)并根据建立的复合电源总功率损失模型计算当复合电源分配给蓄电池的功率分别为X_a、X_b时，复合电源的总功率损失(5)若则表明两个边值相差足够小，即寻优边值选择合理，取P_{i_bat}＝(X_a+X_b)/2作为复合电源需求功率为P_i时分配给蓄电池的功率值，即当k+1复合电源参考输出功率P_{bat‑scref(k+1)}＝P_i时，目标层寻优输出模式下蓄电池输出功率P_{i_bat}＝(X_a+X_b)/2；若需更新寻优的边值，当时，取b＝X_b；当时，取a＝X_a，同时返回步骤(4)继续计算，直到即两个边值相差足够小，取P_i‑bat＝(X_a+X_b)/2为复合电源需求功率为P_i时分配给蓄电池的功率值，即当k+1复合电源参考输出功率P_{bat‑scref(k+1)}时，寻优输出模式下蓄电池输出功率P_i‑bat＝(X_a+X_b)/2；(6)重复步骤5可计算复合电源需求功率为P1，P2，P3……Pn情况下，应当分配给蓄电池的最优功率P1‑bat，P2‑bat，P3‑bat……Pn‑bat，并将其做出二维数表；(7)在寻优模式下，针对不同的k+1时刻复合电源参考输出功率Pbat‑scref(k+1)，通过遍历该二维表或通过插值计算获得分配给蓄电池的最优功率Pi‑bat，即k+1时刻蓄电池参考输出功率Pbatref(k+1)＝Pi_bat,k+1时刻超级电容的参考输出功率Pi_sc＝Pbat‑scref(k+1)‑Pi_bat；d：若蓄电池SOC小于0.2，超级电容SOC小于0.2时，此时整车控制器向燃料电池控制器发出开机命令，同时复合电源燃料电池混合能量系统停止对外输出功率，燃料电池用于给复合电源充电。