增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构及能量分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构及能量分配方法。本发明专利技术通过确定该汽车拓扑结构并介绍工作模式，然后建立增程式氢燃料电池混合动力汽车模型，包括对氢燃料电池、锂电池、超级电容以及整车运动学模型的搭建，最后根据所公布的能量管理策略对整车模型的不同模式进行单独训练，利用所训练智能体在不同工况下进行能量分配。本发明专利技术所公开以燃料电池为增程器的新型拓扑结构和工作模式能够解决短距离行驶功率和长距离里程担忧问题；本发明专利技术能够提升锂电池和燃料电池寿命以及燃料电池系统效率。及燃料电池系统效率。及燃料电池系统效率。

【技术实现步骤摘要】
增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构及能量分配方法


[0001]本专利技术涉及增程式燃料电池汽车领域，特别涉及一种增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构及能量分配方法。

技术介绍

[0002]传统燃料汽车排放的大量污染气体加剧了全球气候变暖，这些危害性促进科学界向可持续能源转型。目前，电动汽车的普及和氢燃料电池汽车的逐步落地为全球日益严重的温室效应提供了一个有希望的解决方案。增程式燃料电池混合动力汽车，可以克服传统油车排放大量污染气体的缺点、纯电动汽车的里程担忧的缺点和纯燃料电池汽车动力不足的缺点。因此增程式燃料电池混合动力汽车的拓扑结构和工作模式对企业和用户都至关重要。
[0003]燃料电池混合动力汽车因多能量源更能够在能量需求和功率需求上得到满足，但也直接导致系统变得更加复杂，故需要一种高效强大的能量分配方法对汽车进行能量分配。而目前对于混合动力汽车能量管理算法中基于规则和基于优化的算法而言，前者需要凭借丰富的专业知识、工程知识来制定，后者存在实时性差、易陷入局部最优的困境。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，提供一种增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构及能量分配方法。本专利技术能够解决新能源汽车短距离行驶功率和长距离里程担忧问题，此外，本专利技术还能够提高训练策略网络的效率并提升汽车的燃油经济性。
[0005]本专利技术的技术方案：增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构，包括氢燃料电池、锂电池和超级电容；所述氢燃料电池通过单向 DC
‑
DC转换器与直流母线相连，所述锂电池通过双向DC
‑
DC转换器与直流母线相连，所述超级电容作为辅助能源通过双向DC
‑
DC转换器与直流母线相连。
[0006]上述的增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构的能量分配方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、确定工作模式，所述工作模式包括纯电模式和增程模式，所述纯电模式是当锂电池的SoC大于30％时，汽车使用锂电池电量；所述增程模式是当锂电池的SoC小于30％时，氢燃料电池作为增程器介入为汽车提供电量；
[0008]步骤2、建立氢燃料电池动态模型、锂电池模型、超级电容等效电路模型以及整车运动学模型；
[0009]步骤3、建立基于确定性策略梯度的算法模型，针对不同工作模式，将能量源产生的费用作为重要评定标准设置奖励值，将能量源功率输出的比例作为动作输出；
[0010]步骤4：使用先前输出动作来对智能体进行经验引导，得到输出动作引导的奖励函数；
[0011]步骤5：对两种不同的工作模式分别训练，确定策略梯度算法智能体后获取两个智
能体的网络策略，再根据不同工作模式的使用相应的网络策略进行能量管理。
[0012]前述的增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构的能量分配方法，步骤1中，当锂电池的SoC低于30％时，氢燃料电池启动提供动力，当氢燃料电池提供的动力大于需求功率时，盈余电量将会回收进电池组，让锂电池的SoC维持在30％的阈值，当锂电池的SoC低于25％时，锂电池停止输出。
[0013]前述的增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构的能量分配方法，步骤2中，所述氢燃料电池动态模型的单体电压计算公式为：
[0014]V
cell
＝E
Nernst
‑
V
act
‑
V
ohm
‑
V
conc
；
[0015]式中：V
cell
为氢燃料电池单体电压，E
Nernst
为能彻斯特电压，V
act
为活化极化损耗电压，V
ohm
为欧姆极化损耗电压，V
conc
为浓度极化损耗电压；
[0016]氢燃料电池的净输出功率计算如下：
[0017]P
FC
(t)＝n
st
V
cell
I
st
‑
P
comp
(t)
‑
P
FC_aux
(t)
‑
P
FC_losses
(t)；
[0018]式中：P
FC
是氢燃料电池的净输出功率，P
comp
为空气压缩机消耗功率，P
FC_aux
为水循环泵辅助设备的消耗功率，P
FC_losses
是燃料电池损耗功率，t是时间，n
st
氢燃料电池数量，I
st
为堆电流，
[0019]所述锂电池模型通过内阻模型来表征电池的动态特性，关系公式如下：
[0020][0021]式中：V
BT_OC
表示开路电压，R
BT
表示锂电池总内阻，P
BT
表示锂电池输出功率，I
BT
表示锂电池电流，
[0022]锂电池的SoC是关于V
BT_OC
、R
BT
、P
BT
和时间的函数，通过安时积分法求得，计算公式如下：
[0023][0024]式中，SoC(0)为锂电池初始SoC，η
BT
为锂电池充放电效率， C
BT
为锂电池标称容量；
[0025]所述超级电容模型的SoC通过超级电容器电压V
SC
和超级电容器电流I
SC
的关系得到，计算公式如下：
[0026][0027]式中，V
SC_max
为超级电容最大电压，R
SC
为超级电容内阻；
[0028]所述整车运动学模型如下所示：
[0029][0030]式中，P
dem
是总需求功率，η
all
是总转换效率，F
gra
为非水平道路上行驶时的重力，F
aero
为空气阻力，F
roll
为滚动摩擦力，v为车辆速度，δ表示车辆旋转质量系数，m表示车辆总质量。
[0031]前述的增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构的能量分配方法，步骤3中，建立基于确定性策略梯度的算法模型的状态在纯电模式下和增程模式下分别是：
[0032]s
t1
＝{SoC
BT
，SoC
SC
，P
dem
，a
t1
}；
[0033]s
t2
＝{SoC
BT
，SoC
SC
，P
dem
，P
FC
，Eff
FCS
，a
t2
}；
[0034]式中：s
t1
，s
t2
分别表示表示纯电模式的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构，其特征在于：包括氢燃料电池、锂电池和超级电容；所述氢燃料电池通过单向DC
‑
DC转换器与直流母线相连，所述锂电池通过双向DC
‑
DC转换器与直流母线相连，所述超级电容作为辅助能源通过双向DC
‑
DC转换器与直流母线相连。2.根据权利要求1所述的增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构的能量分配方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、确定工作模式，所述工作模式包括纯电模式和增程模式，所述纯电模式是当锂电池的SoC大于30％时，汽车使用锂电池电量；所述增程模式是当锂电池的SoC小于30％时，氢燃料电池作为增程器介入为汽车提供电量；步骤2、建立氢燃料电池动态模型、锂电池模型、超级电容等效电路模型以及整车运动学模型；步骤3、建立基于确定性策略梯度的算法模型，针对不同工作模式，将能量源产生的费用作为重要评定标准设置奖励值，将能量源功率输出的比例作为动作输出；步骤4：使用先前输出动作来对智能体进行经验引导，得到输出动作引导的奖励函数；步骤5：对两种不同的工作模式分别训练，确定策略梯度算法智能体后获取两个智能体的网络策略，再根据不同工作模式的使用相应的网络策略进行能量管理。3.根据权利要求2所述的增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构的能量分配方法，其特征在于：步骤1中，当锂电池的SoC低于30％时，氢燃料电池启动提供动力，当氢燃料电池提供的动力大于需求功率时，盈余电量将会回收进电池组，让锂电池的SoC维持在30％的阈值，当锂电池的SoC低于25％时，锂电池停止输出。4.根据权利要求1所述的增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构及能量分配方法，其特征在于：步骤2中，所述氢燃料电池动态模型的单体电压计算公式为：V
cell
＝E
Nernst
‑
V
act
‑
V
ohm
‑
V
conc
；式中：V
cell
为氢燃料电池单体电压，E
Nernst
为能彻斯特电压，V
act
为活化极化损耗电压，V
ohm
为欧姆极化损耗电压，V
conc
为浓度极化损耗电压；氢燃料电池的净输出功率计算如下：P
FC
(t)＝n
st
V
cell
I
st
‑
P
comp
(t)
‑
P
FC_aux
(t)
‑
P
FC_losses
(t)；式中：P
FC
是氢燃料电池的净输出功率，P
comp
为空气压缩机消耗功率，P
FC_aux
为水循环泵辅助设备的消耗功率，P
FC_losses
是燃料电池损耗功率，t是时间，n
st
氢燃料电池数量，I
st
为堆电流，所述锂电池模型通过内阻模型来表征电池的动态特性，关系公式如下：式中：V
BT_OC
表示开路电压，R
BT
表示锂电池总内阻，P
BT
表示锂电池输出功率，I
BT
表示锂电池电流，锂电池的SoC是关于V
BT_OC
、R
BT
、P
BT
和时间的函数，通过安时积分法求得，计算公式如下：
式中，SoC(0)为锂电池初始SoC，η
BT
为锂电池充放电效率，C
BT
为锂电池标称容量；所述超级电容模型的SoC通过超级电容器电压V
SC
和超级电容器电流I
SC
的关系得到，计算公式如下：式中，V
SC_max
为超级电容最大电压，R
SC
为超级电容内阻；所述整车运动学模型如下所示：式中，P
dem
是总功率需求，η
all
是总转换效率，F
gra
为非水平道路上行驶时的重力，F
aero
为空气阻力，F
roll
为滚动摩擦力，v为车辆速度，δ表示车辆旋转质量系数，m表示车辆总质量。5.根据权利要求4所述的增程式氢燃料电池混合动力汽车拓扑结构及能量分配方法，其特征在于：步骤3中，建立基于确定性策略梯...

【专利技术属性】
技术研发人员：玄东吉，黄寅，胡浩钦，谈佳淇，卢陈雷，刘胜南，康泽豪，毛旭平，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：