一种考虑铂退化的混合动力系统能量管理方法技术方案

本发明专利技术属于燃料电池系统领域，具体涉及一种考虑铂退化的混合动力系统能量管理方法，其以锂电池的SOC为系统的状态变量，以燃料电池的输出功率为系统的控制变量，以燃料消耗和寿命衰减最小为优化目标，构建能量管理优化模型，采用极小值原理求解该优化问题，损失函数包括氢气消耗和铂退化两部分，铂退化又分解为工作电压变化引起的退化和高电势引起的退化，前者退化使用当前电压与前一时刻电压的变化量进行估算；后者采用指数的形式进行估算；根据实际管理倾向调整各部分的权重系数，使得能量管理方法具有一定的倾向性，本发明专利技术在传统策略仅考虑燃料最优的基础上改进为综合考虑燃料最少和燃料电池寿命衰减最小两个目标，延缓动力源的性能退化。动力源的性能退化。动力源的性能退化。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑铂退化的混合动力系统能量管理方法


[0001]本专利技术属于燃料电池系统领域，更具体地，涉及一种考虑铂退化的混合动力系统能量管理方法。

技术介绍

[0002]氢能源作为替代化石能源的一种绿色能源，被认为是一种解决世界能源危机的可行途径。作为氢能源的代表，质子交换膜燃料电池(PEMFC)相较于其他类型的燃料电池，具有更良好的启动性能以及可以在常温条件下工作的优势，因此在一些燃料电池汽车(FCV)上面已经有了许多应用的案例。
[0003]但是燃料电池具有动态响应缓慢、无法应对高频大幅变载工况和无法回收制动能量的问题，将其作为主动力源，与锂电池辅助能源搭配构成混合动力系统是解决此问题的一种行之有效的方式。目前已有很多学者研究混合动力系统，研究方向主要集中在能量管理策略，但传统的能量分配策略往往只是从经济性和动力性出发，仅追求能量的高效分配与数值上的最优，对于氢燃料电池的性能损耗和内部退化机理认识等方面考虑却不够充分，而混合动力系统的性能衰减是限制其寿命延长的关键因素，因此从内部衰减机理出发，在功率分配的过程中进行管控策略的优化，来避免或者延缓动力源的性能退化具有重要意义。
[0004]在PEMFC当中，催化剂由金属铂(Pt)和碳(C)载体组成，通常用于催化缓慢的氧化还原反应，其中铂离子(Pt
2+
)提供催化的活性，而碳载体提供高电导率。由于铂的稀缺性，其价格昂贵。为了减少铂负载降低成本，同时提高铂催化剂的性能，金属铂被制成纳米颗粒分散在碳载体上，以实现最大的催化活性表面积。然而频繁的氧化和还原反应，使得铂纳米颗粒发生退化，引起电化学表面积(ECSA)损失，会导致燃料电池电压的损失，最终限制PEMFC的寿命。目前，从铂退化角度来表征燃料电池性能衰减的研究较少，为了更好地理解铂退化机制和减轻ECSA损失，构建描述退化过程的数学模型，进一步分析燃料电池在不同电压下的衰减规律，从而为能量管理策略的优化提供思路就显得极为重要。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种考虑铂退化的混合动力系统能量管理方法，其目的在于解决现有对混合动力系统进行能量管理时未充分考虑燃料电池性能退化，缺乏对燃料电池内在衰减机理的认识，从而对能量管理具有一定局限性的问题。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种考虑铂退化的混合动力系统能量管理方法，包括：
[0007]S1、以动力电池的SOC为混合动力系统的状态变量x(t)，以燃料电池的输出功率P
fc
为混合动力系统的控制变量u(t)，以燃料消耗和寿命衰减最小为优化目标，构建能量管理优化模型，表示为：其中，L[x(t),u(t),t]＝f1(t)+f2(t)，f1(t)表示氢气消
耗，f2(t)表示电堆铂退化，且(t)表示电堆铂退化，且表示电堆铂退化指标被分解为工作电压变化引起的退化和高电势引起的退化，表示燃料电池的氢气消耗量，RUL表示燃料电池的剩余使用寿命，U
fc
(t)表示当前燃料电池的输出电压；c1、c2、c3分别表示相应项的权重系数，根据实际管理倾向设定三者的相对大小，增加某一项对应的系数，会导致求解算法在寻优过程中更多地考虑抑制该项造成的损失，从而放宽对其它项的约束；
[0008]S2、求解所述能量管理优化模型，得到系统最优的燃料电池输出功率曲线，完成混合动力系统能量管理。
[0009]进一步，所述燃料电池的等效氢气消耗量包括燃料电池电堆本身消耗的氢气量和锂电池放电的等效氢气消耗量表示为
[0010][0011]式中，I
b
表示锂电池的电流，U
b
表示锂电池的电压，LHV表示氢气的低热值，η
fc
表示燃料电池的平均效率，n表示燃料电池的电池片数，表示氢气的摩尔质量，I
fc
表示燃料电池的输出电流，F表示法拉第常数，表示氢气的利用率。
[0012]进一步，采用极小值原理求解所述能量管理优化模型，具体实现方式为：
[0013]状态初始条件：
[0014]SOC(t0)＝SOC(t
f
)＝0.6
[0015]系统状态方程：
[0016][0017]约束条件：
[0018][0019]Hamilton函数如下：
[0020][0021]式中，λ
T
(t)为协态变量；P
fc
(t)表示燃料电池的输出功率，P
fc,max
表示燃料电池的最大输出功率，P
req
(t)表示混合动力系统的需求功率，P
bat,min
表示锂电池的最大充电功率，P
bat,max
表示锂电池的最大放电功率；
[0022]最优轨迹线的状态方程和协态方程分别满足以下等式：
[0023]结合开路电压V
oc
和SOC的关系，求出协态变量的变化率
并根据边界条件确定协态变量的初始值λ0；
[0024]目标函数取最小值也就是Hamilton函数取的极小值，而Hamilton函数取极小值的条件为：则最优控制变量u*(t)是所有可行域u∈U中使得Hamilton函数取得极小值的一个：
[0025]进一步，所述能量管理优化模型的构建方式为：
[0026](1)构建混合动力系统中的质子交换膜燃料电池阴极催化层中Pt退化的一维动态模型；
[0027](2)基于所述Pt退化的一维动态模型，研究不同电压参数对ECSA的影响，所述不同电压参数包括不同电压周期、不同电压循环下限以及不同电压波动幅值，并总结得出Pt退化衰减规律，即高电压的工作状态对催化层的退化不利，会增加催化层中的铂质量损失；同时，频繁的变载对催化层的寿命有不利影响，会使得熟化现象导致的退化增加；其中，采用功率模式进行研究不同电压参数对ECSA的影响，即通过调整电势循环的占空比来将不同电压特性电势循环输出的平均功率固定在同一水平；
[0028](3)根据所述Pt退化衰减规律，构建得到所述能量管理优化模型，使得所述能量管理优化模型中考虑高电势引起的电堆铂退化和电压变化引起的电堆铂退化。
[0029]进一步，所述Pt退化一维动态模型包括：铂溶解再沉积/氧化还原模型和铂离子扩散模型；
[0030]在构建所述Pt退化一维动态模型时，沿阴极催化层厚度方向将整个催化层划分为不同的分区，建立每个分区的铂粒子溶解再沉积/氧化还原模型，相邻分区之间建立铂离子转移模型。
[0031]进一步，所述铂溶解再沉积/氧化还原模型的构建方式为：
[0032]假设在每个分区区域i中有M个离散的颗粒尺寸组，j代表其中的一个颗粒组的编号，每个颗粒组的直径为d
i,j
，每个颗粒组的氧化物覆盖率θ
i,j
，每个颗粒组内的铂颗粒个数Num
i,j
，每个颗粒组的铂离子浓度为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑铂退化的混合动力系统能量管理方法，其特征在于，包括：S1、以动力电池的SOC为混合动力系统的状态变量x(t)，以燃料电池的输出功率P
fc
为混合动力系统的控制变量u(t)，以燃料消耗和寿命衰减最小为优化目标，构建能量管理优化模型，表示为：其中，L[x(t),u(t),t]＝f1(t)+f2(t)，f1(t)表示氢气消耗，f2(t)表示电堆铂退化，且表示电堆铂退化指标被分解为工作电压变化引起的退化和高电势引起的退化，表示燃料电池的氢气消耗量，RUL表示燃料电池的剩余使用寿命，U
fc
(t)表示当前燃料电池的输出电压；c1、c2、c3分别表示相应项的权重系数，根据实际管理倾向设定三者的相对大小，增加某一项对应的系数，会导致求解算法在寻优过程中更多地考虑抑制该项造成的损失，从而放宽对其它项的约束；S2、求解所述能量管理优化模型，得到系统最优的燃料电池输出功率曲线，完成混合动力系统能量管理。2.根据权利要求1所述的混合动力系统能量管理方法，其特征在于，所述燃料电池的等效氢气消耗量包括燃料电池电堆本身消耗的氢气量和锂电池放电的等效氢气消耗量表示为式中，I
b
表示锂电池的电流，U
b
表示锂电池的电压，LHV表示氢气的低热值，η
fc
表示燃料电池的平均效率，n表示燃料电池的电池片数，表示氢气的摩尔质量，I
fc
表示燃料电池的输出电流，F表示法拉第常数，表示氢气的利用率。3.根据权利要求1所述的混合动力系统能量管理方法，其特征在于，采用极小值原理求解所述能量管理优化模型，具体实现方式为：状态初始条件：SOC(t0)＝SOC(t
f
)＝0.6系统状态方程：约束条件：构建的Hamilton函数如下：式中，λ
T
(t)为协态变量；P
fc
(t)表示燃料电池的输出功率，P
fc,max
表示燃料电池的最大输出功率，P
req
(t)表示混合动力系统的需求功率，P
bat,min
表示锂电池的最大充电功率，
P
bat,max
表示锂电池的最大放电功率；最优轨迹线的状态方程和协态方程分别满足以下等式：结合开路电压V
oc
和SOC的关系，求出协态变量的变化率和SOC的关系，求出协态变量的变化率并根据边界条件确定协态变量的初始值λ0；目标函数取最小值也就是Hamilton函数取的极小值，而Hamilton函数取极小值的条件为：则最优控制变量u*(t)是所有可行域u∈U中使得Hamilton函数取得极小值的一个：4.根据权利要求1至3任一项所述的混合动力系统能量管理方法，其特征在于，所述能量管理优化模型的构建方式为：(1)构建混合动力系统中的质子交换膜燃料电池阴极催化层中Pt退化的一维动态模型；(2)基于所述Pt退化的一维动态模型，研究不同电压参数对ECSA的影响，所述不同电压参数包括不同电压周期、不同电压循环下限以及不同电压波动幅值，并总结得出Pt退化衰减规律，即高电压的工作状态对催化层的退化不利，会增加催化层中的铂质量损失；同时，频繁的变载对催化层的寿命有不利影响，会使得熟化现象导致的退化增加；其中，采用功率模式进行研究不同电压参数对ECSA的影响，即通过调整电势循环的占空比来将不同电压特性电势循环输出的平均功率固定在同一水平；(3)根据所述Pt退化衰减规律，构建得到所述能量管理优化模型，使得所述能量管理优化模型中考虑高电势引起的电堆铂退化和电压变化引起的电堆铂退化。5.根据权利要求4所述的混合动力系统能量管理方法，其特征在于，所述Pt退化一维动态模型包括：铂溶解再沉积/氧化还原模型和铂离子扩散模型；在构建所述Pt退化一维动态模型时，沿阴极催化层厚度方向将整个催化层划分为不同的分区，建立每个分区的铂粒子溶解再沉积/氧化还原模型，相邻分区之间建立铂离子转移模型。6.根据权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李曦，盛闯，郭子昂，李贝佳，单新凯，邓忠华，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：