多堆氢燃料电池系统功率管理方法
阅读说明：本技术 多堆氢燃料电池系统功率管理方法 (Power management method for multi-stack hydrogen fuel cell system ) 是由 庄伟超 牛俊严 殷国栋 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多堆氢燃料电池系统功率管理方法,包括以下步骤：获取车辆速度、加速度和油门踏板实时信息；计算车辆实时功率需求P-(d)；获取多堆燃料电池系统和动力电池的实时状态信息；根据所述功率需求P-(d)和所述实时状态信息,通过滞后控制策略确定每一时刻的多堆氢燃料电池系统中燃料电池堆的开启数量,然后根据每个燃料电池堆的累计运行时间,依据工作时间均匀分布的原则确定开启哪些燃料电池堆,实现动力电池和多堆氢燃料电池系统的功率流分配。本发明的电池系统功率管理方法缩短了每个燃料电池堆的有效工作时间,减少了启停次数,延长了使用寿命；保证了各燃料电池堆的老化程度相近,便于维护。(The invention relates to a power management method of a multi-stack hydrogen fuel cell system, which comprises the following steps: acquiring vehicle speed, acceleration and accelerator pedal real-time information; calculating vehicle real-time power demand P d (ii) a Acquiring real-time state information of a multi-stack fuel cell system and a power cell; according to said power demand P d And the real-time state information determines the starting number of the fuel cell stacks in the multi-stack hydrogen fuel cell system at each moment through a hysteresis control strategy, and then determines which fuel cell stacks are started according to the accumulated running time of each fuel cell stack and the principle of uniform distribution of working timeThe fuel cell stack realizes the power flow distribution of the power cell and the multi-stack hydrogen fuel cell system. The power management method of the battery system shortens the effective working time of each fuel cell stack, reduces the starting and stopping times and prolongs the service life; the aging degree of each fuel cell stack is ensured to be similar, and the maintenance is convenient.)
技术领域
本发明涉及电动汽车电池系统功率管理技术领域，尤其是一种多堆氢燃料电池系统功率管理方法。
背景技术
传统的单堆燃料电池发电系统存在耐用性差、成本高以及可靠性差的缺点，严重制约了当前燃料电池发电系统的普及使用。目前，多堆燃料电池系统成为解决这一问题的首选。但多堆燃料电池系统在提高燃料电池耐用性和可靠性的同时也增加了控制的复杂度。针对此，国内外研究者开展了大量理论和实验探讨，如何更好地分配多个燃料电池堆和动力电池之间的功率流，延长燃料电池的寿命成为需要解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种多堆氢燃料电池系统功率管理方法，目的是平衡燃料电池堆和动力电池之间的功率流、延长燃料电池的使用寿命。
本发明采用的技术方案如下：
一种多堆氢燃料电池系统功率管理方法，所述多堆氢燃料电池系统和动力电池配合为电动汽车提供动力，所述多堆氢燃料电池系统包括多个燃料电池堆，所述功率管理方法包括以下步骤：
步骤1)：获取车辆速度、加速度和油门踏板行程实时信息；
步骤2)：根据所述实时信息和车辆行驶动力学方程计算车辆实时功率需求Pd；
步骤3)：获取所述多堆氢燃料电池系统和所述动力电池的实时状态信息，所述实时状态信息包括每个燃料电池堆的累计运行时间、动力电池的荷电状态；
步骤4)：根据所述功率需求Pd和步骤3)所得实时状态信息，通过滞后控制策略确定每一时刻的多堆氢燃料电池系统中燃料电池堆的开机数量Nf，实现动力电池和多堆氢燃料电池系统的功率流分配；
步骤5)：根据所述步骤4)所得的开机数量Nf、每个燃料电池堆的累计运行时间，依据工作时间均匀分布的原则确定开启哪些燃料电池堆，并通过相应电控程序执行相关动作。
其进一步技术方案为：
所述步骤3)中，根据实际应用场景，设定动力电池的最高充电状态SOCupper、最低充电状态SOClow、最高荷电状态SOCmax和最低荷电状态SOCmin，满足SOCmin＜SOClow＜SOCupper＜SOCmax；选定所述多堆氢燃料电池系统中的燃料电池堆的总数n和每个燃料电池堆的固定输出功率Pfc；
所述步骤4)中，所述滞后控制策略如下：
初选k+1时刻的燃料电池的开机数为Nd(k+1)，Nd(k+1)满足：Nd(k+1)Pfc≤Pd(k+1)≤(Nd(k+1)+1)Pfc的条件，Pd(k+1)代表k+1时刻车辆的功率需求，然后作如下逻辑判断：
如果Nd(k+1)≥n，则k+1时刻燃料电池堆的开机个数Nf(k+1)＝n；
如果Nd(k+1)＜n，且k时刻动力电池的荷电状态SOC(k)≤SOClow，则Nf(k+1)＝Nd(k+1)+1；
如果Nd(k+1)＜n，且k时刻动力电池的荷电状态SOC(k)≥SOCupper，则Nf(k+1)＝Nd(k+1)；
如果Nd(k+1)＜n，且SOClow≤SOC(k)≤SOCupper，且k时刻燃料电池堆的开机个数Nf(k)≤Nd(k+1)，则Nf(k+1)＝Nd(k+1)；
如果Nd(k+1)＜n，且SOClow≤SOC(k)≤SOCupper，且k时刻燃料电池堆的开机个数Nf(k)＞Nd(k+1)，则Nf(k+1)＝Nd(k+1)+1。
本发明的有益效果如下：
本发明方法功率分配策略简单有效，便于实时检测和应用。通过确定合适的燃料电池堆的开机数，合理分配功率，电池耐用性得到了明显提升，燃料电池系统的可靠性得到了明显提升。本发明通过对燃料电池堆的开关控制，使得各燃料电池堆的有效运行时间相近，老化程度相近，便于维护。
附图说明
图1为本发明具体实施例的方法流程图。
图2为本发明具体实施例的滞后控制策略流程示意图。
图3为本发明具体实施例的开关控制原理示意图。
图4为本发明具体实施例的电动汽车供电系统结构示意图。
图中：1、燃料电池堆；2、氢气供应模块；3、空气供应模块；4、多堆氢燃料电池子系统；5、动力电池组；6、DC/AC变换器；7、电机。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
本申请的一种多堆氢燃料电池系统功率管理方法，利用于电动汽车的供电系统：包括多堆氢燃料电池系统和动力电池，两者配合为电动汽车供电。多堆燃料电池系统由多个燃料电池堆连接而成，多个燃料电池堆的连接方式包括串联、并联或混联；动力电池可采用钛酸锂电池；所述动力电池荷电状态(SOC)估计方法可采用开路电压法。如图4所示，本申请的多堆氢燃料电池系统中n个燃料电池堆1(图中的燃料电池堆1、燃料电池堆2……燃料电池堆n)连接后组成多堆氢燃料电池子系统4，其与动力电池组5并联连接后与DC/AC变换器6串联，然后与电机7串联，为电动汽车供电。其中的各燃料电池堆均和氢气供应模块2、空气供应模块3连接构成氢燃料电池。
本申请的多堆氢燃料电池系统功率管理方法，可参考图1，包括以下流程：
第一步，分别使用速度传感器、加速度传感器和油门踏板位置传感器获得车辆速度、加速度和油门踏板行程实时信息。
第二步，根据第一步所得实时信息和车辆行驶动力学方程计算车辆实时功率需求Pd。
第三步，获取多堆氢燃料电池系统和动力电池的实时状态信息：可采用计时器记录每个燃料电池堆的累计运行时间、采用开路电压法实时监控动力电池的荷电状态(SOC)；
根据实际应用场景，确定燃料电池堆的总数n和每个燃料电池堆的固定输出功率Pfc，设定动力电池最高充电状态SOCupper、最低充电状态SOClow、最高荷电状态SOCmax和最低荷电状态SOCmin，且满足SOCmin＜SOClow＜SOCupper＜SOCmax。
第四步，在功率需求Pd和实时监控所得的动力电池的荷电状态信息的基础上，通过滞后控制策略确定每一时刻的燃料电池堆的开启数量即最佳开机数，实现动力电池和多堆氢燃料电池系统的功率流分配。如图2所示，具体流程如下：
首先，初选k+1时刻的燃料电池堆的开机数Nd(k+1)，其中“开机”是指燃料电池堆处于工作运行状态，燃料电池堆的开关机操作由相应电控系统执行。初选时，使Nd(k+1)满足Nd(k+1)Pfc≤Pd(k+1)≤(Nd(k+1)+1)Pfc的条件，其中Pd(k+1)代表k+1时刻，车辆的功率需求。即满足k+1时刻初选燃料电池的开机数量满足不大于该时刻下车辆的功率需求，同时比初选开机数再多开一个燃料电池之后则满足不小于该时刻下车辆的功率需求。
然后作如下判断：
如果Nd(k+1)≥n，则K+1时刻燃料电池堆的开机个数Nf(k+1)＝n；
如果Nd(k+1)＜n，当K时刻动力电池的荷电状态SOC(k)≤SOClow(动力电池处于极低荷电状态，没有提供功率的能力，有回收功率的能力)，则K+1时刻燃料电池堆的实际的开机个数Nf(k+1)应等于初选个数Nd(k+1)再加1，即Nf(k+1)＝Nd(k+1)+1；此时，燃料电池提供的功率一部分用于满足k+1时刻电动汽车的功率需求Pd(k+1)，另一部分用于动力电池充电，其中燃料电池系统提供功率为Pf(k+1)＝(Nd(k+1)+1)Pfc，动力电池接收功率为Pb(k+1)＝Pf(k+1)-Pd(k+1)；
如果Nd(k+1)＜n，当K时刻动力电池的荷电状态SOC(k)≥SOCupper(动力电池处于极高荷电状态，有提供功率的能力，没有回收功率的能力)，则K+1时刻燃料电池堆的实际开机个数Nf(k+1)应等于初选个数Nd(k+1)，即Nf(k+1)＝Nd(k+1)，此时动力电池放电，和燃料电池系统共同提供k+1时刻电动汽车的功率需求Pd(k+1)，其中燃料电池系统提供功率为Pf(k+1)＝Nd(k+1)Pfc，动力电池提供功率为Pb(k+1)＝Pd(k+1)-Pf(k+1)；
如果Nd(k+1)＜n，当SOClow＜SOC(k)＜SOCupper(动力电池荷电状态合理，既有提供功率的能力也有回收功率的能力)，且K时刻燃料电池堆的实际开机个数Nf(k)小于等于K+1时刻燃料电池堆的初选开机个数Nd(k+1)，即Nf(k)≤Nd(k+1)，此时为了满足电动汽车的功率需求Pd(k+1)，并使燃料电池堆的开机次数最少，K+1时刻燃料电池堆的实际开机个数Nf(k+1)应等于初选开机数Nd(k+1)，即Nf(k+1)＝Nd(k+1)，此时，动力电池将放电，与燃料电池系统共同提供电动汽车所需功率Pd(k+1)，其中燃料电池系统需提供的功率为Pf(k+1)＝Nd(k+1)Pfc，动力电池需提供的功率为Pb(k+1)＝Pd(k+1)-Pf(k+1)；
如果Nd(k+1)＜n，当SOClow≤SOC(k)≤SOCupper(动力电池荷电状态合理，既有提供功率的能力也有回收功率的能力)，且K时刻燃料电池堆开机个数Nf(k)大于K+1时刻燃料电池堆的初选开机个数Nd(k+1)，即Nf(k)＞Nd(k+1)，此时为了满足电动汽车的功率需求Pd(k+1)并使燃料电池堆的关机次数最少，K+1时刻燃料电池堆的实际开机个数Nf(k+1)应等于初选开机数Nd(k+1)+1，即Nf(k+1)＝Nd(k+1)+1，此时，动力电池将被充电，燃料电池系统提供功率为Pf(k+1)＝(Nd(k+1)+1)Pfc，动力电池接收功率为Pb(k+1)＝Pf(k+1)-Pd(k+1)。
上述流程体现了本申请为了实现延长燃料电池堆寿命这一目标所采用的滞后控制策略：当动力电池的SOC在SOClow与SOCupper之间，动力电池既有提供功率的能力也有回收功率的能力时，使得K+1时刻的燃料电池堆的实际开机数Nf(k+1)与K时刻的燃料电池堆开机数Nf(k)尽可能相等，从而减少燃料电池堆开关机次数。
第五步，根据上述滞后控制策略得出K+1时刻应该开启的燃料电池堆的数量Nf(k+1)后，还需要确定应该开启n个燃料电池堆中的哪Nf(k+1)个，即再依据各燃料电池堆的累计运行时间以及运行时间均匀分布的原则选择K+1时刻需要开机(或关机)的燃料电池堆，并通过相应电控系统执行相关动作。如图3所示，具体流程如下：
如果K+1时刻需要开机的燃料电池堆个数Nf(k+1)与k时刻实际开机的燃料电池堆个数Nf(k)相同，只需保持k时刻已经开机的Nf(k)个燃料电池堆仍开机即可；如果K+1时刻需要开机的燃料电池堆个数Nf(k+1)小于k时刻实际开机的燃料电池堆个数Nf(k)，则只需从Nf(k)个已经开机的燃料电池堆中关闭Nf(k)-Nf(k+1)个累计运行时间较长的燃料电池堆即可；如果K+1时刻需要开机的燃料电池堆个数Nf(k+1)大于k时刻实际开机的燃料电池堆个数Nf(k)，则只需从n-Nf(k)个关机的燃料电池堆中开启Nf(k+1)-Nf(k)个累计运行时间较短的燃料电池堆即可。
其中，运行时间的判断、开启关闭的控制及执行是常规的方法，不再赘述。
本申请的多堆氢燃料电池系统功率管理方法，通过滞后控制，缩短了每个燃料电池堆的有效工作时间，减少了各燃料电池堆的启停次数，延长了使用寿命；通过运行时间均匀分布的原则保证了各燃料电池堆的老化程度相近，便于维护。
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