燃料电池混合动力汽车的预测性能量管理方法

摘要

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。

说明书

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。

本发明步骤是：

S1、混合动力系统的拓扑结构；

S2、燃料电池混合动力汽车模型建立；

S3、车速预测与车辆驾驶模式识别

一、车辆驾驶路况识别

采用随机数法截取行驶工况段

T

其中，T

在每个采样片段中提取特征向量

l(k)＝[v

其中，v

对特征向量进行归一化处理

其中，l

将数据集的加速度和速度离散划分为有限长序列

其中

转移概率矩阵为

其中，

采用最大似然估计来计算

其中，

S4、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

定义电池SOC的性能指标

其中，

定义第二个性能指标

其中，N-1为预测时域的长度；

定义第三个性能指标

其中，η

根据上述性能指标和约束条件，最终目标函数为

其中，x

求解上述目标函数，得到控制序列

其中，

本发明有益效果为：

1、本发明中的方法达到了经济性、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；

2、通过引入车速预测的方法，解决了最优控制问题求解中未来车辆能量需求缺失的问题，进一步提升能量管理方法的经济性；

3、在车速预测中引入路况识别方法，将行驶信息数据库分为三类，分别建立三个转移概率矩阵，使车速预测的精度得到提升。

附图说明

图1为混合动力系统的拓扑结构图；

图2为转移概率矩阵图；

图3为路况识别精度测试循环图；

图4为路况识别结果图；

图5为车速预测结果图；

图6为预测性能量管理方法实施流程图；

图7为车辆行驶过程中的氢气消耗量图；

图8为车辆行驶过程中SOC变化曲线图；

图9为传统方法中燃料电池的运行效率图；

图10为本发明中燃料电池的运行效率图。

具体实施方式

本发明要解决的是现有能量管理方法经济性不够好、燃料电池效率低和缺失未来车速信息的问题。

现有燃料电池混合动力汽车能量管理方法存在诸多不足，本发明旨在解决在传统能量管理方法中存在的问题：1、没有考虑到能量管理方法的经济性，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，然后进行计算，这显然会导致优化效果变差；4、建立转移概率矩阵是建立车速预测模型过程中的重要的一步。由于不同路况下车辆的行驶信息差别很大，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。

本发明分为四个部分阐述：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。

混合动力系统的拓扑结构：燃料电池、锂电池与总线的连接方式。

燃料电池混合动力汽车模型建立：建立包括车辆纵向动力学模型，驱动电机模型、燃料电池模型和锂电池内阻模型的燃料电池混合动力汽车的整体模型。

车速预测与车辆驾驶模式识别：为了解决传统能量管理方法缺乏未来车速的问题，根据车辆历史行驶信息建立车速与加速度的转移概率矩阵预测未来车速。考虑到不同路况下车辆行驶信息差别很大，会导致转移概率矩阵发散程度过大，故将车辆行驶的路况分为三类：高速公路路况、城市拥堵路况、城市畅通路况，又设计了一种车辆行驶模式识别方法，根据三种路况分别建立三个对应不同路况的转移概率矩阵，采用先识别后预测的方式提高了车速预测的精度。

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：为了解决传统能量管理方法没有考虑到燃料电池经济性和效率的问题，设计了一种多目标的优化方法。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的消耗达到最小。

结合附图，对本发明所提出的技术方案进行进一步阐述和说明：

1、混合动力系统的拓扑结构

在燃料电池混合动力汽车内，燃料电池、锂电池和驱动电机间通过总线连接。依照燃料电池与总线的连接方式，燃料电池-锂电池混合动力系统的拓扑结构可以分为两种：第一种是直接混动，第二种是间接混动。本发明采用的是间接混动的方式，混动系统的拓扑结构如图1所示，燃料电池与总线通过单向DC-DC变换器连接，锂电池直接与总线相连。通过控制DC-DC变换器的占空比可以实现对燃料电池电堆电流的控制。

2、燃料电池混合动力汽车模型建立

一、车辆纵向动力学模型

车辆纵向动力学模型描述了车辆的受力情况与车速的关系。车辆在行驶过程中，其受力情况为

F

其中，F

F

F

其中，m为车辆的半载质量，f为车轮滚阻系数，θ为行驶路面坡度，A

由此可见，驱动力是跟车速有关的变量，即

F

则汽车车轮所受力矩T

T

其中，r为车轮半径。

二、驱动电机模型

驱动电机的建模方法，一般可以分为根据驱动原理搭建的理论模型和根据查表方法的效率模型。电机的理论模型一般用于研究电机的工作特性和控制性能，需要知道电机较为详细的参数信息，建模较为复杂；而根据查表方法的效率模型主要基于电机的Map图，仿真速度较快，适用于研究整车能量管理方法。由于本发明研究重点不是驱动电机的工作原理，而是燃料电池混合动力汽车能量分配，因此选择基于查表的效率模型搭建电机模型。其中，电机Map表格信息由厂家提供或由实车实验提供，可将其看作是电机输出特性的查表函数，即

η

其中，T

根据整车动力学可知，电机转矩和转速可由下式得到

ω

其中，i

则电机的机械功率P

其中，P

三、动力电池模型

在本发明中，我们采取内阻模型进行动力蓄电池系统的建模。蓄电池系统可以等效为电源与内阻的串联电路，以此来模拟其在充放电过程中端电压和SOC的动态过程。

根据电路原理，可将模型表示为

V

其中，V

电池SOC用来表征电池的剩余电量情况，用公式表示为

其中，Q代表电池剩余电量，Q

在内阻模型中，SOC的估计选择安时积分法，其公式化表达为

其中，I为电池充放电电流，I≥0表示放电，I＜0表示充电，Q

由于存在电池容量的限制，因此其最大充放电功率可表示为

其中，P

四、燃料电池模型

因为本发明中能量管理方法的优化目标包括提高燃料电池效率和减小氢气消耗量，所以燃料电池系统模型建立主要描述氢气消耗速率和燃料电池功率、效率的对应关系，其中氢气消耗速率为

其中，η

直流变换器(DC-DC)的作用的输出功率P

P

其中，η

则燃料电池-锂电池的混合动力系统各部件间的功率平衡关系为

P

其中，P

3、车速预测与车辆驾驶模式识别

一、车辆驾驶路况识别

一般来说，汽车的行驶场景包括高速公路和城市道路。城市道路上的汽车可能会遇到交通堵塞，或者一路畅通。不同的驾驶场景会产生不同的驾驶数据，可据此对汽车的驾驶模式进行分类。分类后的驾驶数据包含了不同驾驶场景的特征，使得车辆速度的预测更加容易。本发明将汽车的行驶模式分为三种类型：高速公路路况、城市拥堵路况和城市畅通路况。

面对小样本低维数的分类问题，支持向量机具有训练速度快、识别速度快、准确率高的特点。因此本发明采用支持向量机(Support Vector Machine，SVM)来解决分类问题。值得一提的是，SVM只能解决二元分类问题，而本文的分类问题是三元分类问题。因此，本发明采用一对一的方法来解决这一问题。一对一的方法是训练三个支持向量机，对三种模式中的任意两个进行分类，最后采用举手表决的方式，得票多的模式为分类结果。

在本发明中，整个数据集包括600个150秒长的标准循环工况片段，这些片段被分为10个包，一个包作为测试集，其余包作为训练集。在每个训练包中截取30个片段。采用随机数法截取行驶工况段

T

其中，T

在每个采样片段中提取特征向量

l(k)＝[v

其中，v

由于每个特征之间的数量级有所不同，所以要对特征向量进行归一化处理

其中，l

二、车速预测

在已知车辆行驶路况的前提下，就可以针对不同的路况分别进行车速预测。目前已有多种速度预测方法，如神经网络预测方法、马尔可夫预测方法、深度学习方法和基于多源信息融合的方法。在这些方法中，马尔可夫预测器具有精度高、效率高的优点。为了提高速度预测的准确性，本发明已经设计了路况识别方法。这一部分针对三种不同的行驶路况(高速公路、城市拥堵、城市流动)设计马尔可夫预测器，并以六种标准驾驶工况为数据库构建转移概率矩阵。将数据集的加速度和速度离散划分为有限长序列

其中

转移概率矩阵为

其中，

采用最大似然估计来计算

其中，

建立好的转移概率矩阵如图2所示。

为验证路况识别的有效性，设计了如图3所示的自定义驾驶循环，循环由三种代表性的标准循环工况构成。识别结果如图4所示，纵轴类别中1代表高速公路路况、2代表城市拥堵路况、3代表城市畅通路况。本发明提出的路况识别方法精度能达到95％以上，识别错误的片段基本只出现在模式切换时，在不发生模式切换时，识别结果和真实路况的契合度很好。准确的路况识别结果为车速预测提供了保证。图5为高速公路路况下的车速预测结果。可以看到虽然预测车速与真实车速存在一定误差，但预测车速与实际车速的趋势是大致相同的。

4、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节给出能量管理方法的具体设计过程。首先以公式形式描述本发明中的三个优化目标。为了保证汽车在行驶过程中电池不会耗尽电量，定义电池SOC的性能指标

其中，

考虑到混合动力系统的经济性，氢消耗应尽可能小，因此定义了第二个性能指标

其中，N-1为预测时域的长度。这样的性能指标能够保证每个预测时域内的氢耗量最低。

为了提高燃料电池的效率，延长电堆的使用寿命，定义了第三个性能指标

其中，η

燃料电池混合动力汽车电力系统中的设备存在一定的物理约束。考虑到元件的安全性和使用寿命，有必要在最优控制器的设计过程中加入这些约束条件。质子交换膜燃料电池系统由空气压缩机等辅助设备组成，为了保护空气压缩机的电机，应限制燃料电池的功率变化率。此外，为防止空压机频繁启动和关闭，还应限制燃料电池功率的界限。根据上述性能指标和约束条件，最终目标函数为

其中，x

求解上述目标函数，得到控制序列

其中，

仿真过程及结果

1、车辆驾驶模式识别：

第一步建立SVM训练所需数据库。数据来源是标准循环工况，其中高速公路路况数据来自循环：US06_HWY，HWFET；城市畅通路况数据来自循环：UDDS，INDIA_URBAN_SAMPLE；城市拥堵路况数据来源：MANHATTAN，NYCC。对于以上六个循环，每个循环用随机数法截取100个长度为150s的驾驶数据片段。然后对这600个片段进行特征提取，特征向量有四维，包括平均速度、最大加速度、最小加速度、怠速时间比。由于各特征间量纲不统一，因此还要对其进行归一化处理。这一步是离线进行的。

第二步是SVM训练。由于单一的SVM只能解决二分类问题，而本发明涉及到的是三分类问题，因此要训练三个SVM，对三个模式中的任意两个进行两两识别，并使用k折交叉验证的方法优化训练过程。这一步也是离线进行的。

第三步就是识别过程，这一步是在线进行的。假设当前时刻为第k秒，首先截取第k-150到第k-1秒的驾驶片段，对截取出的驾驶片段进行特征提取、归一化处理，最后进行识别。

识别结果如说明书中的图3和图4所示。其中图3是自定义驾驶循环的速度曲线，图4是对图3的驾驶模式识别结果。纵轴类别中1代表高速公路路况、2代表城市拥堵路况、3代表城市畅通路况。本发明提出的路况识别方法精度能达到95％以上，识别错误的片段基本只出现在模式切换时，在不发生模式切换时，识别结果和真实路况的契合度很好。准确的路况识别结果为车速预测提供了保证。

2、车速预测

第一步建立车速预测所需数据库。数据来源是标准循环工况，其中高速公路路况数据来自循环：US06_HWY，HWFET；城市畅通路况数据来自循环：UDDS，INDIA_URBAN_SAMPLE；城市拥堵路况数据来源：MANHATTAN，NYCC。对以上六个循环，将其加速度与速度离散化为整数。这一步是离线进行的。

第二步是建立转移概率矩阵。本发明分路况进行车速预测，建立三个转移概率矩阵，每种路况对应一个转移概率矩阵。建立1s的转移概率矩阵，建立过程如公式(24)-(27)描述。这一步也是离线进行的。

第三步是车速预测，这一步是在线进行的。假设当前时刻为第k秒，计算当前时刻车辆加速度和速度，然后结合上面的驾驶模式识别结果选择对应的转移概率矩阵。通过搜索匹配计算得出未来t秒的预测车速序列。

车速预测结果见说明书中图5。可以看到虽然预测车速与真实车速存在一定误差，但预测车速与实际车速的趋势是大致相同的。

3、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仿真流程如说明书中图6所示。假设当前时刻为第k秒，首先截取第k-150到第k-1秒的驾驶片段，对截取出的驾驶片段进行特征提取、归一化处理，最后进行驾驶模式识别。然后计算当前时刻车辆加速度和速度，结合上面的驾驶模式识别结果选择对应的转移概率矩阵。通过搜索匹配计算得出未来t秒的预测车速序列。将未来t秒的预测车速序列代入模型中，得出未来t秒的车辆能量需求序列。然后将来t秒的车辆能量需求序列代入目标函数进行最优控制问题求解，求出数值解序列，序列中的第一个元素即为下一时刻的能量分配方案。

仿真结果见说明书中图7-图10。如图7和图8所示，公式(31)中取λ