燃料電池超級(jí)電容混合動(dòng)力機(jī)車參數(shù)匹配優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種燃料電池超級(jí)電容混合動(dòng)力機(jī)車參數(shù)匹配優(yōu)化方法。首先根據(jù)混合動(dòng)力機(jī)車動(dòng)力性能指標(biāo)要求，確定系統(tǒng)的混合度范圍，然后以某工況下的整車動(dòng)力性、整車成本和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，并采用高速群體智能優(yōu)化算法對(duì)其求解，將目標(biāo)函數(shù)取最小值的匹配組合作為機(jī)車系統(tǒng)的最佳參數(shù)匹配結(jié)果。然后采用負(fù)荷分配算法對(duì)不同動(dòng)力源進(jìn)行負(fù)荷工況分配，再根據(jù)所分配工況和各部件工作效率，在參數(shù)匹配優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立基于能量流的目標(biāo)函數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的能量流進(jìn)行優(yōu)化，并采用高速群體智能優(yōu)化算法求解該帶約束條件的全局優(yōu)化問(wèn)題，降低氫氣消耗量，延長(zhǎng)各電源的循環(huán)使用壽命，達(dá)到改善整車性能的目的。
【專利說(shuō)明】燃料電池超級(jí)電容混合動(dòng)力機(jī)車參數(shù)匹配優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大功率燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力機(jī)車技術(shù)，尤其是混合動(dòng)力機(jī)車能量管理優(yōu)化控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]具有中等運(yùn)量的機(jī)車是對(duì)地鐵、輕軌、公交系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，是形成生態(tài)化、一體化交通體系的重要組成部分，可作為大城市的骨干線、近郊聯(lián)絡(luò)線，以及中小城市的主干線。雖然無(wú)接觸網(wǎng)機(jī)車技術(shù)可避免架設(shè)全線接觸網(wǎng)，但無(wú)法擺脫牽弓I供電系統(tǒng)，仍需配備牽引變電站、受流站點(diǎn)等。燃料電池技術(shù)是一種清潔能源技術(shù)，具有高效、環(huán)保等特點(diǎn)，被稱為是21世紀(jì)最有前途的“綠色能源”技術(shù)，已受到世界各國(guó)的高度重視，在我國(guó)屬國(guó)家能源領(lǐng)域的重點(diǎn)研發(fā)技術(shù)。燃料電池機(jī)車是國(guó)外正在研究的最新機(jī)車技術(shù)，其特點(diǎn)是完全擺脫牽引供電系統(tǒng)，且燃料電池通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，產(chǎn)物只有水，做到了真正意義的零排放。同時(shí)，燃料電池是通過(guò)溫和的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程，系統(tǒng)電效率高達(dá)45?50 %。
[0003]因此，燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力機(jī)車技術(shù)，將采用清潔、環(huán)保、高效的氫能作為動(dòng)力，超級(jí)電容又可回收利用電車的再生制動(dòng)能量，推動(dòng)機(jī)車技術(shù)朝著綠色、高效、無(wú)牽引供電系統(tǒng)方向發(fā)展，具有良好的節(jié)能減排效果。
[0004]燃料電池系統(tǒng)輸出功率變化需要實(shí)時(shí)調(diào)整氫氣和空氣供應(yīng)系統(tǒng)以及水循環(huán)散熱系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對(duì)較慢，持續(xù)發(fā)電能量強(qiáng)。而超級(jí)電容動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好，峰值功率高，但持續(xù)放電時(shí)間短。將二者通過(guò)耦合構(gòu)建混合動(dòng)力系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮燃料電池和超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)，用以驅(qū)動(dòng)機(jī)車實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸網(wǎng)運(yùn)行。然而，對(duì)于混合動(dòng)力機(jī)車在啟動(dòng)、加速、平穩(wěn)運(yùn)行、制動(dòng)、停車等不同工況條件下，如何根據(jù)工況條件和動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行燃料電池系統(tǒng)和超級(jí)電容系統(tǒng)之間能量調(diào)度，使燃料電池保持平穩(wěn)、高效運(yùn)行的同時(shí)，確保超級(jí)電容充放電安全管理和有效的制動(dòng)能量回收，避免超級(jí)電容過(guò)充過(guò)放，是一個(gè)復(fù)雜而又極其重要的問(wèn)題。必須針對(duì)不同工況設(shè)定不同控制方法，考慮混合動(dòng)力機(jī)車的制動(dòng)能量有效回收、燃料經(jīng)濟(jì)性、燃料電池使用壽命，保證機(jī)車安全、平穩(wěn)運(yùn)行。
[0005]現(xiàn)有的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量管理控制方法大多采用基于規(guī)則策略中的邏輯門限方法，是以保護(hù)蓄電池或超級(jí)電容為主要目的。另外一種功率分配策略，其總體原則是通過(guò)限制蓄電池或超級(jí)電容的充放電功率實(shí)現(xiàn)不同電源間的功率分配，即將蓄電池或超級(jí)電容的充放電功率限制在一定范圍內(nèi)。這些方法的優(yōu)點(diǎn)在于執(zhí)行速度較快，但規(guī)則的制定通常依賴于專家經(jīng)驗(yàn)、已知系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果等，不能保證車內(nèi)能量流獲得最佳匹配，無(wú)法獲得最佳燃料經(jīng)濟(jì)性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，本發(fā)明旨在提供一種基于混合度參數(shù)匹配的燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力機(jī)車能量管理優(yōu)化控制方法，提高各電源的工作效率，延長(zhǎng)各電源的循環(huán)使用壽命，改善整車性能。
[0007]燃料電池超級(jí)電容混合動(dòng)力機(jī)車參數(shù)匹配優(yōu)化方法，以所給工況條件和動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行燃料電池系統(tǒng)和超級(jí)電容系統(tǒng)之間能量調(diào)度，使燃料電池保持平穩(wěn)高效運(yùn)行的同時(shí)確保超級(jí)電容充放電安全管理和有效的制動(dòng)能量回收，提高各電源的工作效率，延長(zhǎng)各電源的循環(huán)使用壽命，改善整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，包括如下主要步驟:
[0008]I)燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力機(jī)車參數(shù)匹配優(yōu)化方法
[0009]首先在某工況條件下，根據(jù)最高車速需求功率Pv、最大爬坡度需求功率Pp最大加速度需求功率Pa確定動(dòng)力源最大總功率pmax，即
[0010]Pmax = max {Pv, Pi, PJ (I)
[0011]其中，Pv、P1、Pa表示為與整車質(zhì)量M相關(guān)的形式。
[0012]混合度的最大邊界條件是燃料電池系統(tǒng)最大功率的最小值Pfe min能夠滿足機(jī)車在巡航和爬坡兩種狀態(tài)下行駛所需要的功率需求；混合度的最小邊界條件由超級(jí)電容的最大功率取最小值來(lái)確定，要求超級(jí)電容具有瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率Pue—min。
[0013]燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力機(jī)車系統(tǒng)的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)為多目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題，各目標(biāo)之間相互制約，優(yōu)化結(jié)果通常為多目標(biāo)之間的折衷結(jié)果，即允許存在多個(gè)優(yōu)化結(jié)果，而不必僅尋求針對(duì)某單一優(yōu)化目標(biāo)的唯一的最優(yōu)解。本發(fā)明采用加權(quán)求和的方法來(lái)描述多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，屬非線性規(guī)劃問(wèn)題，即將每一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化并建模為多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題中的一個(gè)約束項(xiàng)，這樣多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換成多個(gè)單一目標(biāo)的加權(quán)求和問(wèn)題。
[0014]根據(jù)燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力機(jī)車的混合度范圍，只能確定燃料電池和超級(jí)電容容量的大致范圍，由于追求的性能目標(biāo)不同，所配置的參數(shù)也會(huì)相應(yīng)改變。因此，本發(fā)明以某工況下的整車動(dòng)力性、整車成本和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量這三個(gè)指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，將燃料電池系統(tǒng)、超級(jí)電容的容量和數(shù)量作為設(shè)計(jì)變量，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配進(jìn)行尋優(yōu)。
[0015]本發(fā)明定義目標(biāo)函數(shù)F如下:
[0016]F (Pfc, Cuc, Nuc) = α β?+ a 2Ta+ a 3Yn (2)
[0017]約束條件為:

【權(quán)利要求】
1.燃料電池超級(jí)電容混合動(dòng)力機(jī)車參數(shù)匹配優(yōu)化方法，以所給工況條件和動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行燃料電池系統(tǒng)和超級(jí)電容系統(tǒng)之間能量調(diào)度，使燃料電池保持平穩(wěn)高效運(yùn)行的同時(shí)確保超級(jí)電容充放電安全管理和有效的制動(dòng)能量回收，提高各電源的工作效率，延長(zhǎng)各電源的循環(huán)使用壽命，改善整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，包括如下主要步驟: 1)燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力機(jī)車參數(shù)匹配優(yōu)化，首先根據(jù)最高車速需求功率、最大爬坡度需求功率、最大加速度需求功率確定動(dòng)力性能指標(biāo)，再結(jié)合成本指標(biāo)作為混合度的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定混合度的邊界范圍；然后以所給工況下的整車動(dòng)力性、整車成本和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量三個(gè)指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，將燃料電池系統(tǒng)、超級(jí)電容的容量和數(shù)量作為設(shè)計(jì)變量，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配進(jìn)行尋優(yōu)，得到基于混合度的系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果; 2)基于負(fù)荷分配和混合度參數(shù)匹配的燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力機(jī)車能量管理策略，首先采用負(fù)荷分配算法對(duì)不同動(dòng)力源進(jìn)行負(fù)荷工況分配，再計(jì)算燃料電池系統(tǒng)、超級(jí)電容以及DC/DC變換器效率；然后根據(jù)所分配工況和各部件工作效率，計(jì)算燃料電池系統(tǒng)、超級(jí)電容的容量范圍、和由I)所得基于混合度的系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果，選取燃料電池系統(tǒng)需求功率和超級(jí)電容剩余能量作為系統(tǒng)狀態(tài)變量，以燃料經(jīng)濟(jì)性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立基于運(yùn)行能量的目標(biāo)函數(shù)，并引入SOC懲罰項(xiàng)對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行修正，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)最低氫耗量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之方法，其特征在于，在所述2)步驟計(jì)算燃料電池系統(tǒng)效率時(shí)，采用基于最優(yōu)效率策略的燃料電池系統(tǒng)多工況控制方法，保證燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行在高效區(qū)，進(jìn)而提高DC/DC變換器的工作效率，以便對(duì)系統(tǒng)能量流進(jìn)行全面的分析和優(yōu)化。
【文檔編號(hào)】B60L15/32GK104071033SQ201310675104
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2013年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月7日
【發(fā)明者】李奇, 陳維榮, 劉志祥, 戴朝華, 張雪霞, 郭愛(ài), 劉述奎 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué), 成都瑞頂特科技實(shí)業(yè)有限公司