一种基于凸优化的燃料电池汽车能量管理方法技术

本发明专利技术提供一种基于凸优化的燃料电池汽车能量管理方法，以最小氢耗为目标函数，搭建了一种符合凸函数性质的新型燃料电池动力系统和整车模型，建立了系统模型的增广拉格朗日方程及其缩放形式，满足交替方向乘子法求解的标准范式，首次实现了交替方向乘子法算法在燃料电池汽车能量管理上的系统应用。同时，本文提出了一种循环约束检验策略对燃料电池系统功率进行进一步精确控制，使其满足功率的动态变化约束。与其他算法相比，该算法能够在快速求解问题的同时，保证结果的最优性。保证结果的最优性。保证结果的最优性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于凸优化的燃料电池汽车能量管理方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池汽车的能量管理
，特别涉及一种基于凸优化的燃料电池汽车能量管理方法。

技术介绍

[0002]目前，环境污染和能源短缺已成为汽车产业发展面临的两大难题。燃料电池汽车作为新能源汽车的重要分支，具有高效、清洁、零污染的优势，逐渐成为行业的研究热点。
[0003]受限于燃料电池电堆功率性能的影响，燃料电池汽车通常会匹配一块动力电池与燃料电池发动机协同工作，这样的动力系统其能量管理和控制问题属于非线性、多变量的时变问题。通过整车能量管理实现各动力源功率的合理分配，可以有效提高整车系统性能。在现有的研究中，提出了很多关于燃料电池汽车能量管理的方法，主要分为两类：基于规则的方法和基于优化的方法。
[0004]基于规则的能量管理控制策略主要包括有限状态机控制策略、功率跟随控制策略、模糊规则控制策略和自适应模糊控制策略等。基于规则的能量管理策略因设计简单、计算量小、鲁棒性强等特点，在实车上得到了广泛的应用，但该种策略不能保证结果的最优性。
[0005]基于优化的控制策略是在工况已知的情况下，借助优化算法求解各动力源能量的最优分配，主要算法包括庞特里亚金最小值原理、动态规划、模型预测控制和凸优化等。总体而言，基于优化的能量管理策略虽然保证了结果的最优性，但是计算量大，难以实现实时控制。
[0006]凸优化是求解目标函数为凸函数、可行域为凸集的一种优化算法，使局部最优解与全局最优解保持一致，将求解过程进行了极大的简化。目前，很多学者已将凸优化方法应用到了混合动力汽车的能量管理问题中，但在燃料电池汽车能量管理中运用较少。
[0007]上述研究虽然利用凸优化方法实现了燃料电池汽车实时能量管理，但尚未探索交替方向乘子法在燃料电池能量管理问题上的可行性，提高能量管理算法的实时性，同时为了简化优化问题，忽略了燃料电池动态响应约束。
[0008]凸优化是求解目标函数为凸函数、可行域为凸集的一种优化算法，使局部最优解与全局最优解保持一致，将求解过程进行了极大的简化。目前，很多学者已将凸优化方法应用到了混合动力汽车的能量管理问题中，但在燃料电池汽车能量管理中运用较少。
[0009]上述研究虽然利用凸优化方法实现了燃料电池汽车实时能量管理，但尚未探索交替方向乘子法在燃料电池能量管理问题上的可行性，提高能量管理算法的实时性，同时为了简化优化问题，忽略了燃料电池动态响应约束。

技术实现思路

[0010]本专利技术针对现有技术的缺陷，提供了一种基于凸优化的燃料电池汽车能量管理方法，解决了现有技术中存在的缺陷。
[0011]本专利技术提出将凸优化方法中的交替方向乘子法运用到燃料电池汽车的能量管理中，用于提高燃料电池汽车能量管理的算法实时性和动态响应特性。目前，将交替方向乘子法运用到燃料电池汽车能量管理中的研究尚不深入。燃料电池汽车相对于混合动力汽车除动力系统结构不同之外，由于水、热、气控制的原因，存在燃料电池动态响应较慢的问题。本专利技术提出利用循环约束检验策略控制燃料电池的功率，使其满足功率的升降约束。通过仿真结果证明，本专利技术提出的算法在求解燃料电池汽车的能量管理问题时既能满足实时性，又能得到近似最优解。
[0012]本专利技术所定义的技术名称如下：SoC: 蓄电池剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，其取值范围为0
‑
1。
[0013]转凸处理：指通过一些技术手段对已经建立的数学模型进行凸化处理，使模型的中的函数和可行域均满足凸优化算法的基本要求，从而达到利用凸优化算法求解问题的目的。
[0014]为了实现以上专利技术目的，本专利技术采取的技术方案如下：本专利技术提出了一种基于交替方向乘子法求解燃料电池汽车能量管理问题的方法。以最小氢耗为目标函数，搭建了一种符合凸函数性质的新型燃料电池动力系统和整车模型，建立了系统模型的增广拉格朗日方程及其缩放形式，满足交替方向乘子法求解的标准范式，首次实现了交替方向乘子法在燃料电池汽车能量管理上的系统应用。同时，本专利技术提出了一种循环约束检验方法对燃料电池系统功率进行进一步精确控制，使其满足功率的动态变化约束。与其他算法相比，该算法能够在快速求解问题的同时，保证结果的最优性。
[0015]具体步骤如下：一种基于凸优化的燃料电池汽车能量管理方法，包括以下步骤：S1、结合车辆纵向动力学及燃料电池汽车的动力系统结构，建立燃料电池车辆纵向动力学模型，及三个系统之间的能量传递关系式；S2、结合燃料电池汽车的动力系统结构及燃料电池系统特性、电机系统特性和动力系统特性，建立燃料电池系统模型、电机系统模型和动力电池系统模型；S3、对所建立的燃料电池系统模型、电机系统模型和动力电池系统模型进行转凸处理，形成可用于凸优化算法的燃料电池汽车能量管理的凸模型；S4、根据车辆的动力系统结构及车辆的运动模式，结合S3步骤中的凸模型中的各动力系统的表达式，计算燃料电池系统的燃氢功率，并建立以最小氢耗为目标的代价函数；S5、根据凸函数的基本性质，对S4中以最小氢耗为目标的代价函数进行凸性证明；S6、对完成S5步骤中凸性证明的代价函数进行可行域分析，确定代价函数的可行域；S7、建立经过S5、S6步骤的代价函数满足交替方向乘子法的标准范式，形成适用于交替方向乘子法的新的代价函数；S8、建立S7步骤中代价函数的缩放形式，并利用交替方向乘子法对其进行迭代求解；S9、采用循环约束检验方法对S8步骤求解的燃料电池系统功率或燃料电池系统输出功率进行进一步精确控制，使其满足功率的动态变化约束。
[0016]进一步地，所述步骤S3中三个系统模型的转凸处理方法，包括以下步骤：
S3.1、燃料电池系统模型的转凸处理方法为结合燃料电池系统的工作效率，将燃料电池系统在时刻的燃氢释放功率拟合成关于其输出功率的二次函数：其中为拟合项系数，均为常数，且；S3.2、电机系统的转凸处理方法为结合电机的工作效率及特性曲线，将电机系统在时刻的输入功率拟合成关于其输出功率和电机转速的二次函数：其中为拟合项系数随着电机的转速发生变化，且；S3.3、动力电池系统的转凸处理方法为将电池简化为一阶等效电路，通过动力电池开路电压和电池内阻，将时刻动力电池化学能拟合成与电能有关的函数：数：代表动力电池化学能与电能有关的函数的反函数。
[0017]进一步地，所述步骤S4中建立以最小氢耗为目标的代价函数，包括以下步骤：S4.1、根据车辆的需求功率和燃料电池的工作状态，将车辆行驶模式分为三种。
[0018]S4.2、在步骤S4.1的三种模式中，当时，且燃料电池开启时，燃料电池系统的输出功率可表示为：再结合步骤S2中的凸模型公式，燃料电池系统功率可以表示为：。
[0019]S4.3、结合氢气的低热值，车辆行驶的总耗氢量即目标函数可表达为：
其中， 和分别为动力电池的最大功率和最小功率， 和为燃料电池系统的最大功率和最小输出功率， 和为电机的最大功率和最小功率；代表氢气的低热值； ， 为 的变化率；动力电池能量 可表示为 ，动力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于凸优化的燃料电池汽车能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、结合车辆纵向动力学及燃料电池汽车的动力系统结构，建立燃料电池车辆纵向动力学模型，及三个系统之间的能量传递关系式；S2、结合燃料电池汽车的动力系统结构及燃料电池系统特性、电机系统特性和动力系统特性，建立燃料电池系统模型、电机系统模型和动力电池系统模型；S3、对所建立的燃料电池系统模型、电机系统模型和动力电池系统模型进行转凸处理，形成可用于凸优化算法的燃料电池汽车能量管理的凸模型；S4、根据车辆的动力系统结构及车辆的运动模式，结合S3步骤中的凸模型中的各动力系统的表达式，计算燃料电池系统的燃氢功率，并建立以最小氢耗为目标的代价函数；S5、根据凸函数的基本性质，对S4中以最小氢耗为目标的代价函数进行凸性证明；S6、对完成S5步骤中凸性证明的代价函数进行可行域分析，确定代价函数的可行域；S7、建立经过S5、S6步骤的代价函数满足交替方向乘子法的标准范式，形成适用于交替方向乘子法的新的代价函数；S8、建立S7步骤中代价函数的缩放形式，并利用交替方向乘子法对其进行迭代求解；S9、采用循环约束检验方法对S8步骤求解的燃料电池系统功率或燃料电池系统输出功率进行进一步精确控制，使其满足功率的动态变化约束。2.根据权利要求1所述的一种基于凸优化的燃料电池汽车能量管理方法，其特征在于，所述步骤S3中三个系统模型的转凸处理方法，包括以下步骤：S3.1、燃料电池系统模型的转凸处理方法为结合燃料电池系统的工作效率，将燃料电池系统在时刻的燃氢释放功率拟合成关于其输出功率的二次函数：其中为拟合项系数，均为常数，且；S3.2、电机系统的转凸处理方法为结合电机的工作效率及特性曲线，将电机系统在时刻的输入功率拟合成关于其输出功率和电机转速的二次函数： 其中为拟合项系数随着电机的转速发生变化，且；S3.3、动力电池系统的转凸处理方法为将电池简化为一阶等效电路，通过动力电池开路电压和电池内阻，将时刻动力电池化学能拟合成与电能有关的函数：数：代表动力电池化学能与电能有关的函数的反函数。
3.根据权利要求2所述的一种基于凸优化的燃料电池汽车能量管理方法，其特征在于，所述步骤S4中建立以最小氢耗为目标的代价函数，包括以下步骤：S4.1、根据车辆的需求功率和燃料电池的工作状态，将车辆行驶模式分为三种；S4.2、在步骤S4.1的三种模式中，当时，且燃料电池开启时，燃料电池系统的输出功率表示为：；再结合步骤S2中的凸模型公式，燃料电池系统功率表示为：；S4.3、结合氢气的低热值，车辆行驶的总耗氢量即目标函数可表达为：其中， 和分别为动力电池的最大功率和最小功率， 和为燃料电池系统的最大功率和最小输出功率， 和为电机的最大功率和最小功率；代表氢气的低热值； ， 为 的变化率；...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏小栋，孙超，孙逢春，任强，周飞鲲，
申请(专利权)人：广州汽车集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：