本发明属于混合动力车辆技术领域，特别是涉及一种燃料电池混合动力车辆多目标优化控制方法。
背景技术：
目前在轨道交通领域，燃料电池技术的应用与燃料电池混合动力机车的应用推广是近年来研究的热点。燃料电池具有持续的发电能力，但其动态响应相对迟缓，无法满足机车加速过程瞬时大功率的需求等，于是增加动力电池为辅助动力源和储能设备，弥补燃料电池动态响应的不足，有效避免机车加速能力较差等问题，尽可能回收机车在制动时由电机反转回馈回来的制动能量。
燃料电池混合动力系统的能量管理方法是燃料电池混合动力领域研究的热点和关键。其主要目标在于研究如何协调多动力源间的功率输出配比情况以提升燃料电池和锂电池的耐久性，使二者具有更长的使用寿命；提升整车经济性，降低燃料消耗量，降低运维成本。
现有燃料电池混合动力系统的能量管理方法可分类为在线使用和离线规划两种。其中在线使用包括基于状态机原理、模糊规则、庞特里亚金极小值原理、等效氢耗最小原则等的多种方法；离线规划则包括了基于动态规划思想在内的多种优化方法。动态规划讲究在任意状态下均取到目标函数的极小值，即性能最优点，而在实际中并不要求，也并不能够一定取得的性能最优。
现有燃料电池混合动力轨道交通车辆在长期运行中存在的动力源耐久性较差，服役寿命较短，燃料消耗量尚有优化空间，缺乏科学的运行工况设计规划等问题。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提出了一种燃料电池混合动力车辆多目标优化控制方法，能够解决燃料电池混合动力轨道交通车辆在长期运行中存在的动力源耐久性较差，服役寿命较短，燃料消耗量尚有优化空间，缺乏科学的运行工况设计规划等问题。本发明通过引入满意优化思想，重新建立优化框架，将各独立指标的满意度加权，建立综合满意度函数，并以此为目标函数，可反映不同的负荷功率分配下的综合效益情况；根据逐级优化方法，可得功率分配可行域，然后在任意时刻的实时控制中采用pmp方法进行负荷功率分配，pmp方法具有实时性、易实现、简单的特点；利用该方法最终得到的负荷分配可得到更优地整车经济性、动力源耐久性，可更科学地规划运行全程的工况情况。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池混合动力车辆多目标优化控制方法，包括步骤：
s100建立燃料电池混合动力车辆的全体功率可行域；
s200通过满意优化，进一步精确可行域范围；
s300通过最优控制优化，确定负荷功率的最优分配。
进一步的是，所述步骤s100中，建立燃料电池混合动力车辆的全体功率可行域，包括步骤：
输入运行全程的实测工况pload-t曲线，并等距将pload-t曲线离散化，得到任意时刻k下的负载功率pload(k)；
将第k时刻的pload(k)代入方程pfc(k)+pbat(k)＝pload(k)，并以pfcmax、pfcmin为边界约束，可得该时刻下所有满足动力性能要求的[pfc,pbat]分配组合。
进一步的是，所述[pfc,pbat]分配组合的获得过程，包括步骤：
为得到全体满足需求功率的燃料电池、锂电池功率分配情况，将第k时刻的pload(k)代入方程pfc(k)+pbat(k)＝pload(k)，并以pfcmax、pfcmin为边界约束，以pfc为横轴、pbat为纵轴，建立直角坐标系，绘制pfc(k)+pbat(k)＝pload(k)，并取所有可行方案备用；
上式可化为标准方程：pbat(k)＝-pfc(k)+pload(k)，即绘制的图象应为一条斜率为1，截距为pload(k)的直线；
由所述直线获得[pfc,pbat]分配组合。
进一步的是，所述步骤s200中，通过满意优化，进一步精确可行域范围，包括步骤：
分别建立满意度函数，获得满意度值；
建立耐久性综合满意度函数，获取满意组合；
获取受约束的可行域范围。
进一步的是，所述建立满意度函数获得满意度值，包括步骤：将所有满足动力性能要求的[pfc,pbat]分配组合代入燃料电池输出功率变化率满意度函数δ1和锂电池充放电电流满意度函数δ2中进行计算，分别得到两个满意度值。以表征任意时刻对燃料电池和锂电池耐久性的满意程度。
对满意度函数的设置可采取“0-1”设置法或采用分段函数的方法，以缓冲满意度的下降趋势，避免优化无解出现的可能。
进一步的是，考虑到燃料电池功率变化率和锂电池充放电大电流对二者耐久性的负面影响，甚至会对电源带来不可逆转的破坏，在设置燃料电池输出功率变化率满意度函数δ1和锂电池充放电电流满意度函数δ2时，分别取(pfc(k)-pfc(k-1))为函数δ1的自变量，取ibat(k)为函数δ2的自变量，函数值域范围限制在0-1范围内，以满足满意优化的基本原理。
进一步的是，所述建立耐久性综合满意度函数获取满意组合，包括步骤：通过权衡对燃料电池耐久性和锂电池耐久性侧重的程度，分别对燃料电池输出功率变化率满意度函数δ1和锂电池充放电电流满意度函数δ2进行线性加权，得综合满意度函数δ；并取综合满意度函数值δ在μ以上的[pfc1,pbat1]组合为满意组合，否则视为失控。调节燃料电池输出功率以提升其耐久性，改善其服役性能。
进一步的是，所述μ取值0.85-0.95。
进一步的是，所述获取受约束的可行域范围时，将满足综合满意度要求的[pfc1,pbat1]组合记录下来，作为负荷分配组合为满足燃料电池耐久性和锂电池耐久性的参数组合，即为受约束的可行域范围。
进一步的是，所述步骤s300中，通过最优控制优化，确定负荷功率的最优分配，包括步骤：
以所述满意组合作为可行域，将燃料电池输出功率设置为控制变量，将锂电池soc设置为状态变量；
基于燃料电池等效氢耗最小原则采用pmp算法对工况负载进行离线的功率分配；对哈密尔顿函数进行可行域内的遍历寻优，最终获得燃料电池最优输出参考功率。
采用本技术方案的有益效果：
本发明通过引入满意优化思想，重新建立优化框架，将各独立指标的满意度加权，建立综合满意度函数，并以此为目标函数，可反映不同的负荷功率分配下的综合效益情况；根据逐级优化方法，可得功率分配可行域，然后在任意时刻的实时控制中采用pmp方法进行负荷功率分配，pmp方法具有实时性、易实现、简单的特点；利用该方法最终得到的负荷分配可得到更优地整车经济性、动力源耐久性，可更科学地规划运行全程的工况情况；
本发明能够提升燃料电池耐久性，有效延长燃料电池使用寿命及性能；同时为避免过度重视燃料电池耐久性而可能导致的经济性不佳的问题，将燃料经济性，即氢耗量，作为优化的核心和重点；
本发明将满意优化思想应用于燃料电池混合动力系统优化与控制领域，构建了燃料电池混合动力系统多目标满意优化模型，提出了基于耐久性的燃料电池输出功率变化率/锂电池充放电电流满意度函数；
本发明采用优先级自高而低的分层递进优化框架，其中，高优先级为系统硬约束，任何情况下都必须满足该约束，系统才能正常工作，因此高优先级指标将作用于优化过程的任一时刻；中优先级设置为辅助控制指标，对二级控制目标的优化过程中不再强求最优解，而以满意优化的思想代替最优，以获得更宽的可行域和控制自由度；低优先级为主控制指标，当优化进行到该级别时，需在满意优化得到的可行域中进行pmp算法寻优，得到该负荷状态下的最优功率分配，确保整个优化解的唯一性。
附图说明
图1为本发明的一种燃料电池混合动力车辆多目标优化控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的负荷需求功率-时间曲线；
图3为本发明实施例的所有满足负荷功率需求的pfc-pbat联合可行域。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种燃料电池混合动力车辆多目标优化控制方法，包括步骤：
s100建立燃料电池混合动力车辆的全体功率可行域；
s200通过满意优化，进一步精确可行域范围；
s300通过最优控制优化，确定负荷功率的最优分配。
作为上述实施例的优化方案，所述步骤s100中，建立燃料电池混合动力车辆的全体功率可行域，包括步骤：
输入运行全程的实测工况pload-t曲线，并等距将pload-t曲线离散化，得到任意时刻k下的负载功率pload(k)；可得n个离散的需求功率点；记作pload(k)，k＝1,2……n。
为得到全体满足需求功率的燃料电池、锂电池功率分配情况，将第k时刻的pload(k)代入方程pfc(k)+pbat(k)＝pload(k)，并以pfcmax、pfcmin为边界约束，可得该时刻下所有满足动力性能要求的[pfc,pbat]分配组合。
其中，所述[pfc,pbat]分配组合的获得过程，包括步骤：
为得到全体满足需求功率的燃料电池、锂电池功率分配情况，将第k时刻的pload(k)代入方程pfc(k)+pbat(k)＝pload(k)，并以pfcmax、pfcmin为边界约束，以pfc为横轴、pbat为纵轴，建立直角坐标系，绘制pfc(k)+pbat(k)＝pload(k)，并取所有可行方案备用；
上式可化为标准方程：pbat(k)＝-pfc(k)+pload(k)，即绘制的图象应为一条斜率为1，截距为pload(k)的直线；
由所述直线获得[pfc,pbat]分配组合。
具体实施例为：
取典型运行全程的实测工况pload-t如图2所示，并将曲线上的数据离散化，每两个功率点间时间间隔为0.2s；目标全程共708s，功率点共计3540个。
设定系统的直流母线电压为60v，负荷需求功率变化幅值约在-5kw至7kw之间，按照混合度50％的原则对系统进行参数匹配。因此选择燃料电池额定功率为3kw，锂电池容量为30ah。为避免燃料电池系统的频繁启停机，设定燃料电池最小工作功率为其额定功率的10％，即300w，为保护燃料电池性能，减少衰减程度，设置燃料电池最大输出功率为其额定功率，即3kw。
为得到全体满足需求功率的燃料电池、锂电池功率分配情况，将第k时刻的pload(k)代入方程pfc(k)+pbat(k)＝pload(k)，并以pfcmax、pfcmin为边界约束，以pfc为横轴、pbat为纵轴，建立直角坐标系，绘制pfc(k)+pbat(k)＝pload(k)。
本实施例在此取任意一点pload＝1823.1w，对所有满足需求功率的[pfc,pbat]进行寻找，如图3所示，以具体说明上述图象。
作为上述实施例的优化方案，所述步骤s200中，通过满意优化，进一步精确可行域范围，包括步骤：
分别建立满意度函数，获得满意度值；
建立耐久性综合满意度函数，获取满意组合；
获取受约束的可行域范围。
作为上述实施例的优化方案，所述建立满意度函数获得满意度值，包括步骤：将所有满足动力性能要求的[pfc,pbat]分配组合代入燃料电池输出功率变化率满意度函数δ1和锂电池充放电电流满意度函数δ2中进行计算，分别得到两个满意度值。以表征任意时刻对燃料电池和锂电池耐久性的满意程度。
对满意度函数的设置可采取“0-1”设置法或采用分段函数的方法，以缓冲满意度的下降趋势，避免优化无解出现的可能。
考虑到燃料电池功率变化率和锂电池充放电大电流对二者耐久性的负面影响，甚至会对电源带来不可逆转的破坏，在设置燃料电池输出功率变化率满意度函数δ1和锂电池充放电电流满意度函数δ2时，分别取(pfc(k)-pfc(k-1))为函数δ1的自变量，取ibat(k)为函数δ2的自变量，函数值域范围限制在0-1范围内，以满足满意优化的基本原理。
作为上述实施例的优化方案，所述建立耐久性综合满意度函数获取满意组合，包括步骤：通过权衡对燃料电池耐久性和锂电池耐久性侧重的程度，分别对燃料电池输出功率变化率满意度函数δ1和锂电池充放电电流满意度函数δ2进行线性加权，得综合满意度函数δ；并取综合满意度函数值δ在μ以上的[pfc1,pbat1]组合为满意组合，否则视为失控。调节燃料电池输出功率以提升其耐久性，改善其服役性能。
其中，所述μ取值0.85-0.95。
为避免优化无解的情况出现，弱化满意与失控的边界，该多目标优化控制方法设计的满意度函数采用了模糊决策，以缓冲失控区间的满意度下降程度。
作为上述实施例的优化方案，所述获取受约束的可行域范围时，将满足综合满意度要求的[pfc1,pbat1]组合记录下来，作为负荷分配组合为满足燃料电池耐久性和锂电池耐久性的参数组合，即为受约束的可行域范围。
具体实施例：
采用的燃料电池额定输出功率为3kw，设定400w/s，600w/s为较满意区域和失控区域转折点，1500w/s为极限值。因此燃料电池输出功率变化率满意度函数δ1表达式为：
本专利通过考察锂电池输出电流值以间接衡量对锂电池耐久性的满意程度高低。本实施例采用的燃料电池额定输出功率为30ah，设定充电时15a为失控区域转折点，45a为极限值；设定放电时75a为失控区域转折点，120a为极限值。取充放电对应的电流值分别为负、正，因此锂电池充放电电流满意度函数δ2表达式为：
本专利设定综合满意度函数γ为：
上式中，γ＝1表示中优先级的控制目标达到了期望的综合满意度，即此时对应的功率分配结果[pfc,pbat]应保留，反之，若γ＝0则表示中优先级的控制目标未达到期望的综合满意度，即此时对应的功率分配结果[pfc,pbat]应舍弃。
作为上述实施例的优化方案，所述步骤s300中，通过最优控制优化，确定负荷功率的最优分配，包括步骤：
以所述满意组合作为可行域，将燃料电池输出功率设置为控制变量，将锂电池soc设置为状态变量；
基于燃料电池等效氢耗最小原则采用pmp算法对工况负载进行离线的功率分配；对哈密尔顿函数进行可行域内的遍历寻优，最终获得燃料电池最优输出参考功率。
具体实施过程：燃料电池混合动力系统由燃料电池和锂电池组成，该混合动力系统的能量管理策略可简化为单自由度的控制问题，即以燃料电池的输出功率为系统的控制变量u(t)，电池的荷电状态(stateofcharge,soc)为系统的状态变量x(t)，以燃料电池的燃料消耗量为控制目：
ch2:代表燃料电池的瞬时氢耗量，其值一般与燃料电池的输出功率成正比，即
ch2＝a·pfc+b；
tf：代表终止时刻。
系统的状态方程为：
上式中，ibat代表电池充放电电流，并以正负分别代表放电与充电过程，pbat为锂电池充放电功率，rint为电池充放电内阻，一般在相同soc下，充放电内阻不尽相同，voc为电池的开路电压。
根据庞特里亚金极小值原理，为将带约束的求系统极小值的问题转化为无约束问题，需构建哈密尔顿函数。
哈密尔顿函数的一般形式为：
h(x,u,λ,t)＝l(x,u,t)+λf(x,u,t)；
该系统中，哈密尔顿函数为：
所要求取的每时刻燃料电池最优输出功率，可通过求取上式的极小值而获得，即
上式中，r为控制变量的容许可达集，即得到可行域范围。
得到pfc-opt(k)之后，与pload(k)相减，即燃料电池最优输出功率与负荷需求功率的差值部分，即为锂电池应输出的功率，记为pbat-opt(k)。
至此可得每任意时刻的最优负荷功率分配。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。