1.本发明涉及能量管理技术领域，提供了一种在线燃料电池能量管理方法、系统及汽车。
背景技术：2.由于能源需求的日益增长，化石燃料的消耗与co2排放总量快速上升，“清洁、低碳、安全、高效”的能源变革已是大势所趋。氢是一种洁净的二次能源载体，能方便地转换成电和热，转化效率较高，有多种来源途径。采用可再生能源实现大规模制氢，通过氢气的桥接作用，既可为燃料电池提供氢源，也可绿色转化为液体燃料，从而有可能实现由化石能源顺利过渡到可再生能源的可持续循环，催生可持续发展的氢能经济。
3.但燃料电池作为动力源用于车辆中时，并不能持续响应高负荷需求功率。因此，对于燃料电池的输出电流具有一定的限制。燃料电池由于输出特性软，动态性能较差，因此传输功率速度较慢，需要与诸如锂离子动力电池等辅助能量源共同使用。如何根据预测路况、汽车功率需求、电池荷电状态(stage of charge,soc)等信息来确定车辆应处的工作模式以尽可能地减少等效燃油消耗量，成为解决能量管理控制策略的关键。
4.目前，基于动态规划dp算法的能量管理控制策略可以得到理论上全局最优的燃油经济性，作为衡量其它控制策略节能效果的标准。由于动态规划控制策略的实现需要依靠已知的驾驶工况信息，且算法计算负荷大，无法实现实时控制。
技术实现要素：5.本发明提供了一种在线燃料电池能量管理方法，旨在实现燃料电池能量的在线管理。
6.本发明是这样实现的，一种在线燃料电池能量管理方法，所述方法具体包括如下步骤：
7.s1、基于动力电池当前时刻k的soc值预测动力电池在时刻k+s的soc下界值及soc上界值，soc下界值及soc上界值构成可行电量区间；
8.s2、对所有时刻的可行电量区间进行离散，获取所有时刻在可行电量区间内的离散soc状态点，并放入对应时刻的离散电量序列；
9.s3、计算上一时刻的各个离散soc状态点转移到下一时刻各个离散soc状态点的转移成本及其对应的燃料电池输出功率，进而计算出从时刻k+s到时刻k所有转移路径的总转移成本及其对应燃料电池输出功率序列；
10.s4、输出最小总转移成本对应的燃料电池输出功率序列，控制燃料电池以该燃料电池输出功率序列中对应时刻的功率值进行功率输出。
11.进一步的，动力电池在时刻k+s的soc下界值soc
low
(k+s)及soc上界值soc
up
(k+s)的获取方法具体如下：
12.s11、基于动力电池在当前时刻k的soc下界值soc
low
(k)及soc上界值soc
up
(k)预测
出下一时刻k+1的soc下界值soc
low
(k+1)及soc上界值soc
up
(k+1)；
13.s12、基于时刻k+1的soc下界值soc
low
(k+1)及soc上界值soc
up
(k+1)预估下一时刻k+2的soc下界值soc
low
(k+2)及soc上界值soc
up
(k+2)，以此类推，直至获取时刻k+s的soc下界值soc
low
(k+s)及soc上界值soc
up
(k+s)。
14.进一步的，动力电池在当前时刻k的soc下界值soc
low
(k)等于soc上界值soc
up
(k)，等于当前时刻k的动力电池电量值soc(k)。
15.进一步的，时刻k+2的soc下界值soc
low
(k+2)计算公式具体如下：
[0016][0017]
式中，v
oc
(soc
low
(k+1))表示k+1时刻动力电池电量处于下界值时的开路电压；p
dmd
(k+1)表示k+1时刻驱动电机的需求功率，r0(soc
low
(k+1))表示k+1时刻动力电池电量处于下界值时的动力电池内阻，q
nom
表示动力电池的容量，p
fc,min
(k+1)为k+1时刻容许的最小燃料电池功率。
[0018]
进一步的，k+1时刻容许的最小燃料电池功率p
fc,min
(k+1)表示如下：
[0019]
p
fc,min
(k+1)＝max(p
fc
(k)-δp
fc
,0)
[0020]
式中，δp
fc
为当前时刻燃料电池1秒内可下降的最大功率量，p
fc
(k)表示k时刻燃料电池输出功率下限。
[0021]
进一步的，时刻k+2的soc上界值soc
up
(k+2)计算公式具体如下：
[0022][0023]
式中，v
oc
(soc
up
(k+1))表示k+1时刻动力电池电量处于上界值时的开路电压；p
dmd
(k+1)表示k+1时刻驱动电机的需求功率；r0(soc
up
(k+1))表示k+1时刻动力电池电量处于上界值时的动力电池内阻；q
nom
表示动力电池的容量，p
mc,max
(k+1)为k+1时刻容许的最大燃料电池功率。
[0024]
进一步的，k+1时刻容许的最大燃料电池功率p
mc,max
(k+1)表示如下：
[0025]
p
mc,max
(k+1)＝max(p
mc
(k)-δp
fc
,0)
[0026]
式中，δp
fc
为当前时刻燃料电池1秒内可下降的最大功率量，p
mc
(k)表示k时刻燃料电池输出功率上限。
[0027]
进一步的，其特征在于，从k+s时刻至当前时刻k的转移路径的总移成本l，计算公式具体如下：
[0028][0029][0030]
式中，p
apu
(t)为k时刻的燃料电池实际输出功率,单位w，m(h2)为氢气摩尔质量，单位g/mol，f为法拉第常数，单位c/mol，u
fc
为当当前时刻的燃料电池电压，单位v,η
fc
为燃料电池工作效率。l0为终端约束转化的成本，x
n-1
(k+s)表示k+s时刻第n-1个离散soc状态点。
[0031]
本发明还提供一种在线燃料电池能量管理系统，所述系统包括：
[0032]
燃料电池，燃料电池与燃料电池控制系统fcs通讯连接；
[0033]
能量管理模块ems，与燃料电池控制系统fcs、电机控制器mcu、电池管理系统bms及dc/dc转换器通讯连接，电池管理系统bms用于管理动力电池，电机控制器mcu用于控制驱动电机；
[0034]
燃料电池通过dc/dc变换器与动力电池电、驱动电机电连接，
[0035]
燃料电池控制系统fcs将燃料电池在当前时刻的电池电压、输出功率下限及上限及1秒内可下降的最大功率量发送至能量管理模块ems；电池管理系统bms将动力电池当前时刻电量处于下界值、上界值时的开路电压及电池内阻发送至能量管理模块ems；电池管理系统bms将当前时刻驱动电机的需求功率发送至能量管理模块ems；能量管理模块ems基于上述在线燃料电池能量管理方法获取下一时刻的燃料电池输出功率值，并将输出信号发送至dc/dc转换器，从而控制燃料电池的输出功率。
[0036]
本发明还提供一种汽车，所述汽车上集成有上述在线燃料电池能量管理系统。
[0037]
本发明提供的能量管理方法在动态规划算法基础之上，减小算法复杂程度，将离线计算所得的工况需求功率序列作为预测域所需的功率序列；在预测域内采用前向动态规划算法，以动力电池soc为状态量，氢气消耗量为代价函数求解最优控制问题；把所得的最优控制序列中的第一个值作为燃料电池输出功率控制指令输出，最后预测域向前移动，重复执行前述步骤步，实现滚动优化，即实现燃料电池能量的在线管理。
附图说明
[0038]
图1为本发明实施例提供的在线燃料电池能量管理方法流程图；
[0039]
图2为本发明实施例提供的在线燃料电池能量管理系统的结构示意图；
[0040]
图3为本发明实施例提供的电量及输出功率预测示意图。
具体实施方式
[0041]
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0042]
图1为本发明实施例提供的在线燃料电池能量管理方法流程图，该方法具体包括如下步骤：
[0043]
s1、基于动力电池当前时刻k的soc值预测动力电池在时刻k+s的soc下界值及soc上界值，soc下界值及soc上界值构成可行电量区间；
[0044]
动力电池在时刻k+s的soc下界值soc
low
(k+s)及soc上界值soc
up
(k+s)的获取方法具体如下：
[0045]
s11、基于动力电池在当前时刻k的soc下界值soc
low
(k)及soc上界值soc
up
(k)预测出下一时刻k+1的soc下界值soc
low
(k+1)及soc上界值soc
up
(k+1)；
[0046]
在本发明实施例中，动力电池在当前时刻的soc下界值等于soc上界值，两者的取值为当前时刻k的动力电池电量值soc(k)，即soc
low
(k)＝soc
up
(k)＝soc(k)。
[0047]
s12、基于时刻k+1的soc下界值soc
low
(k+1)及soc上界值soc
up
(k+1)预估下一时刻k+2的soc下界值soc
low
(k+2)及soc上界值soc
up
(k+2)，以此类推，直至获取时刻k+s的soc下界
值soc
low
(k+s)及soc上界值soc
up
(k+s)。
[0048]
在本发明实施例中，按下式(1)、(2)计算k+2时刻的soc下界值soc
low
(k+2)：
[0049][0050]
式中，v
oc
(soc
low
(k+1))表示k+1时刻动力电池电量处于下界值时的开路电压；p
dmd
(k+1)表示k+1时刻驱动电机的需求功率，r0(soc
low
(k+1))表示k+1时刻动力电池电量处于下界值时的动力电池内阻，q
nom
表示动力电池的容量，p
fc,min
(k+1)为k+1时刻容许的最小燃料电池功率，表示为
[0051]
p
fc,min
(k+1)＝max(p
fc
(k)-δp
fc
,0) (2)
[0052]
式中，δp
fc
为当前时刻燃料电池1秒内可下降的最大功率量，p
fc
(k)表示k时刻燃料电池输出功率下限。
[0053]
在本发明实施例中，按下式(3)、(4)计算时刻k+2的soc上界值soc
up
(k+2)：
[0054][0055]
式中，v
oc
(soc
up
(k+1))表示k+1时刻动力电池电量处于上界值时的开路电压；p
dmd
(k+1)表示k+1时刻驱动电机的需求功率；r0(soc
up
(k+1))表示k+1时刻动力电池电量处于上界值时的动力电池内阻；q
nom
表示动力电池的容量，p
mc,max
(k+1)为k+1时刻容许的最大燃料电池功率，其表示为：
[0056]
p
mc,max
(k+1)＝max(p
mc
(k)-δp
fc
,0)
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0057]
式中，δp
fc
为当前时刻燃料电池1秒内可下降的最大功率量，p
mc
(k)表示k时刻燃料电池输出功率上限。
[0058]
基于当前时刻的soc下界值及soc上界值的下一时刻的soc下界值及soc上界值预估方法均采用公式(1)至(4)来实现。
[0059]
s2、对所有时刻的可行电量区间进行离散，获取所有时刻在可行电量区间内的离散soc状态点，放入对应时刻的离散电量序列；
[0060]
s3、计算上一时刻的各个离散soc状态点转移到下一时刻各个离散soc状态点的转移成本及其对应的燃料电池输出功率，进而计算出从时刻k+s到时刻k的所有转移路径的总转移成本及其对应燃料电池输出功率序列，图3为转移路径上各soc状态点及其燃料电池输出功率的示意图；
[0061]
从时刻k+s到时刻k的每条转移路径均由s+1个soc状态点组成，s+1个soc状态点分别来自s+1个时刻对应的离散电量序列，假定s取值为2，即存在时刻k、时刻k+1及时刻k+2，假定每个时刻对应的离散电量序列均存在2个soc状态点，那么从时刻k+2到时刻k的存在条转移路径。
[0062]
s4、输出最小总转移成本对应燃料电池输出功率序列，控制燃料电池以该燃料电池输出功率序列中对应时刻的功率值(第一个功率值)进行功率输出；
[0063]
对于第k+s步(对应k+s时刻)第i个离散soc状态点xi(k+s)，根据状态方程逆向计算其在离散控制量作用下能转移到的第k+s-1步的各离散soc状态点，以第k+s-1步的第j个离散soc状态点xj(k+s-1)表示：
[0064][0065]
其中，表示状态方程逆向计算，u表示燃料电池功率的取值范围，基于下列状态方程来进行逆向计算，获取从第k+s步第i个离散soc状态点xi(k+s)转移至第k+s-1步的第j个离散soc状态点xj(k+s-1)所需的燃料电池的输出功率p
apu
(k+s-1)：
[0066][0067]
式中，v
oc
(xj(k+s-1))表示k+s-1时刻第j个离散soc状态点对应的开路电压；p
dmd
(k+s-1)表示k+s-1时刻驱动电机的需求功率，r0(xj(k+s-1))表示k+s-1时刻第j个离散soc状态点对应的动力电池内阻，q
nom
表示动力电池的容量。
[0068]
计算从k+s时刻至当前时刻k的转移路径的总移成本l，具体如下：
[0069][0070][0071]
式中，p
apu
(t)为k时刻的燃料电池实际输出功率,单位w，m(h2)为氢气摩尔质量，单位g/mol，f为法拉第常数，单位c/mol，u
fc
为当当前时刻的燃料电池电压，单位v,η
fc
为燃料电池工作效率，为设定值，基于试验来确定。
[0072]
l0为终端约束转化的成本，x
n-1
(k+s)表示k+s时刻第n-1个离散soc状态点，即示k+s时刻对应离散电量序列的最后一个离散soc状态点；x
n-1
(k+s)满足约束条件，则其对应的成本l0为零，x
n-1
(k+s)不满足约束条件，则认为成本l0无穷大，对其赋一个很大的成本值106。
[0073]
图2为本发明实施例提供的在线燃料电池能量管理系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。
[0074]
该系统包括：
[0075]
燃料电池，燃料电池与燃料电池控制系统fcs通讯连接；
[0076]
能量管理模块ems，与燃料电池控制系统fcs、电机控制器mcu、电池管理系统bms及dc/dc转换器通讯连接，电池管理系统bms用于管理动力电池，电机控制器mcu用于控制驱动电机；
[0077]
燃料电池通过dc/dc变换器与动力电池电、驱动电机电连接，
[0078]
燃料电池控制系统fcs将燃料电池在当前时刻的电池电压、输出功率下限及上限及1秒内可下降的最大功率量发送至能量管理模块ems；电池管理系统bms将动力电池当前时刻电量处于下界值、上界值时的开路电压及电池内阻发送至能量管理模块ems；电池管理系统bms将当前时刻驱动电机的需求功率发送至能量管理模块ems；能量管理模块ems基于上述在线燃料电池能量管理方法获取下一时刻的燃料电池输出功率值，并将输出信号发送至dc/dc转换器，从而控制燃料电池的输出功率。
[0079]
燃料电池与驱动电机、动力电池的之间增加dc/dc变换器，用以提升燃料电池电压并与母线电压相匹配；由于dc/dc变换器输出端与输入端功率不变(不考虑损耗)，且电流与电压呈反比关系，因此在dc/dc变换器输出端提升了输出电压并降低输出电流。由于燃料电
池电压得到提升并且维持稳定状态，进而可由dc/dc变换器通过控制输出电流来控制燃料电池的输出功率，实现功率分配；该混合动力系统采用燃料电池为主，锂离子动力电池为辅的方式运行。
[0080]
本发明还提供了一种汽车，该汽车上集成有上述在线燃料电池能量管理系统。
[0081]
本发明提供的在线燃料电池能量管理方法在实现了动态规划寻求氢耗率最小的燃料电池输出功率的基础之上，完成了算法的在线应用，解决了动态规划算法因其需要提前预知运行工况、计算量大而难以应用于在线能量管理的问题。同时此方法是短时域开环优化求解问题，其控制量的求解公式中包含了基于参考量的前馈、基于测量值的反馈，因此预测控制具有前馈-反馈控制结构，说明了此算法具有良好的控制鲁棒性。
[0082]
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种在线燃料电池能量管理方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：s1、基于动力电池当前时刻k的soc值预测动力电池在时刻k+s的soc下界值及soc上界值，soc下界值及soc上界值构成可行电量区间；s2、对所有时刻的可行电量区间进行离散，获取所有时刻在可行电量区间内的离散soc状态点，并放入对应时刻的离散电量序列；s3、计算上一时刻的各个离散soc状态点转移到下一时刻各个离散soc状态点的转移成本及其对应的燃料电池输出功率，进而计算出从时刻k+s到时刻k所有转移路径的总转移成本及其对应燃料电池输出功率序列；s4、输出最小总转移成本对应的燃料电池输出功率序列，控制燃料电池以该燃料电池输出功率序列中对应时刻的功率值进行功率输出。2.如权利要求1所述在线燃料电池能量管理方法，其特征在于，动力电池在时刻k+s的soc下界值soc
low
(k+s)及soc上界值soc
up
(k+s)的获取方法具体如下：s11、基于动力电池在当前时刻k的soc下界值soc
low
(k)及soc上界值soc
up
(k)预测出下一时刻k+1的soc下界值soc
low
(k+1)及soc上界值soc
up
(k+1)；s12、基于时刻k+1的soc下界值soc
low
(k+1)及soc上界值soc
up
(k+1)预估下一时刻k+2的soc下界值soc
low
(k+2)及soc上界值soc
up
(k+2)，以此类推，直至获取时刻k+s的soc下界值soc
low
(k+s)及soc上界值soc
up
(k+s)。3.如权利要求2所述在线燃料电池能量管理方法，其特征在于，动力电池在当前时刻k的soc下界值soc
low
(k)等于soc上界值soc
up
(k)，等于当前时刻k的动力电池电量值soc(k)。4.如权利要求2所述在线燃料电池能量管理方法，其特征在于，时刻k+2的soc下界值soc
low
(k+2)计算公式具体如下：式中，v
oc
(soc
low
(k+1))表示k+1时刻动力电池电量处于下界值时的开路电压；p
dmd
(k+1)表示k+1时刻驱动电机的需求功率，r0(soc
low
(k+1))表示k+1时刻动力电池电量处于下界值时的动力电池内阻，q
nom
表示动力电池的容量，p
fc,min
(k+1)为k+1时刻容许的最小燃料电池功率。5.如权利要求4所述在线燃料电池能量管理方法，其特征在于，k+1时刻容许的最小燃料电池功率p
fc,min
(k+1)表示如下：p
fc,min
(k+1)＝max(p
fc
(k)-δp
fc
,0)式中，δp
fc
为当前时刻燃料电池1秒内可下降的最大功率量，p
fc
(k)表示k时刻燃料电池输出功率下限。6.如权利要求2所述在线燃料电池能量管理方法，其特征在于，时刻k+2的soc上界值soc
up
(k+2)计算公式具体如下：式中，v
oc
(soc
up
(k+1))表示k+1时刻动力电池电量处于上界值时的开路电压；p
dmd
(k+1)表示k+1时刻驱动电机的需求功率；r0(soc
up
(k+1))表示k+1时刻动力电池电量处于上界值
时的动力电池内阻；q
nom
表示动力电池的容量，p
mc,max
(k+1)为k+1时刻容许的最大燃料电池功率。7.如权利要求6所述在线燃料电池能量管理方法，其特征在于，k+1时刻容许的最大燃料电池功率p
mc,max
(k+1)表示如下：p
mc,max
(k+1)＝max(p
mc
(k)-δp
fc
,0)式中，δp
fc
为当前时刻燃料电池1秒内可下降的最大功率量，p
mc
(k)表示k时刻燃料电池输出功率上限。8.如权利要求1所述在线燃料电池能量管理方法，其特征在于，从k+s时刻至当前时刻k的转移路径的总移成本l，计算公式具体如下：的转移路径的总移成本l，计算公式具体如下：式中，p
apu
(t)为k时刻的燃料电池实际输出功率，m(h2)为氢气摩尔质量，f为法拉第常数，u
fc
为当当前时刻的燃料电池电压，η
fc
为燃料电池工作效率，l0为终端约束转化的成本，x
n-1
(k+s)表示k+s时刻第n-1个离散soc状态点。9.一种在线燃料电池能量管理系统，其特征在于，所述系统包括：燃料电池，燃料电池与燃料电池控制系统fcs通讯连接；能量管理模块ems，与燃料电池控制系统fcs、电机控制器mcu、电池管理系统bms及dc/dc转换器通讯连接，电池管理系统bms用于管理动力电池，电机控制器mcu用于控制驱动电机；燃料电池通过dc/dc变换器与动力电池电、驱动电机电连接，燃料电池控制系统fcs将燃料电池在当前时刻的电池电压、输出功率下限及上限及1秒内可下降的最大功率量发送至能量管理模块ems；电池管理系统bms将动力电池当前时刻电量处于下界值、上界值时的开路电压及电池内阻发送至能量管理模块ems；电池管理系统bms将当前时刻驱动电机的需求功率发送至能量管理模块ems；能量管理模块ems基于权利要求1至8任一权利要求所述来在线燃料电池能量管理方法获取下一时刻的燃料电池输出功率值，并将输出信号发送至dc/dc转换器，从而控制燃料电池的输出功率。10.一种汽车，其特征在于，所述汽车上集成有如权利要求8所述在线燃料电池能量管理系统。
技术总结本发明提供一种在线燃料电池能量管理方法，体包括如下步骤：S1、基于动力电池当前时刻k的SoC值预测动力电池在时刻k+s的SoC下界值及SoC上界值；S2、对所有时刻的可行电量区间进行离散，获取所有时刻在可行电量区间内的离散SoC状态点，并放入对应时刻的离散电量序列；S3、计算上一时刻的各个离散SoC状态点转移到下一时刻各个离散SoC状态点的转移成本及其对应的燃料电池输出功率，进而计算出从时刻k+s到时刻k所有转移路径的总转移成本及其对应燃料电池输出功率序列；S4、输出最小总转移成本对应的燃料电池输出功率序列，控制燃料电池以该燃料电池输出功率序列中对应时刻的功率值进行功率输出，实现燃料电池能量的在线管理。实现燃料电池能量的在线管理。实现燃料电池能量的在线管理。
技术研发人员：朱志保 朱张玲 段惠芬 何亭 余石留
受保护的技术使用者：安徽普思标准技术有限公司
技术研发日：2022.06.23
技术公布日：2022/11/1
