一种混合动力驱动系统中的燃料电池输出功率控制方法与流程

本发明涉及燃料电池输出功率的控制技术，尤其是涉及一种混合动力驱动系统中的燃料电池输出功率控制方法。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(pemfc)不受卡诺循环的限制，具有高功率密度、低运行温度、快速启动、高稳定性、清洁、易高度模块化等优点，成为解决能源枯竭和环境污染的主要驱动能源。

燃料电池内部的电化学和热力学反应较为缓慢，动态响应具有一定的时滞，难以满足负载快速变化的要求。然而对于许多的电气设备，如机器人、电动汽车等在运行过程中，运动状态会发生突变，短时间内可能存在较高的脉冲功率需求，导致燃料电池的应用范围受到了限制。为解决此问题，满足制动能量回收的要求，一般采用蓄电池或者超级电容作为辅助储能装置，与燃料电池共同构成多能源混合动力系统。燃料电池混合动力系统中燃料电池作为较为复杂的动态系统，如何改善燃料电池的动态响应特性，提高燃料电池输出功率的稳定性，对提高燃料电池的耐久性，增加燃料电池工作寿命，保证系统在各种工况下平稳高效运行，降低系统整体运行成本具有重要意义。

授权公告号为cn105253139b的发明公开了一种燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法，该方法让燃料电池的功率输出跟随负载的稳态输出变化，实现燃料电池与蓄电池之间功率的合理分配；以蓄电池的荷电状态为依据对蓄电池的充放电进行控制，使蓄电池的soc值在理想范围内变动，并通过对电流控制型dc/dc变换器的控制实现燃料电池的输出功率调节，保持蓄电池的soc在稳定状态，实现对蓄电池的充放电管理，并将可拓控制应用到变换器的控制中，使混合能量系统获得更好的性能。

由此，可通过对dc/dc变换器进行改进来改善燃料电池输出功率控制效果，但目前对dc/dc变换器的开发难度大，且对电子器件精度要求高，成本高。

而最大功率点跟踪控制技术对电子器件要求相对较低，成本低，同样能提高能量转换效率，同时提升燃料电池功率输出的稳定性。因此，对以燃料电池最大功率点跟踪技术的研究具有积极意义。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能降低成本、改善燃料电池的动态响应特性，提升燃料电池功率输出的稳定性和耐久性，保证混合动力系统中燃料电池在各种工况下平稳高效运行的混合动力驱动系统中的燃料电池输出功率控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的出发点在于，根据燃料电池极化曲线，可得出在欧姆极化区内存在的燃料电池最大功率输出点pmpp，最大功率点pmpp可以表示为(impp,umpp)，其中impp燃料电池为最大功率点处的电流，umpp为燃料电池最大功率点处的电压，因此获取燃料电池的最大功率点具有可行性。但当外界环境突变时，燃料电池极化曲线也会发生突变，相应的最大功率点也会出现偏移，因此需要实时对燃料电池的最大功率点进行扫描追踪。

本发明技术方案为一种混合动力驱动系统中的燃料电池输出功率控制方法，应用于配置有燃料电池、辅助储能装置及dc/dc变换器的混合动力驱动系统，该方法包括以下步骤：

s1：实时采集燃料电池的输出电压和输出电流，基于变步长电导增量法，获取燃料电池最大功率点；

s2：基于模拟退火法，对燃料电池的最大功率点进行校正；

s3：基于步骤s2中校正后的最大功率点，通过dc/dc变换器对燃料电池进行调节。

进一步地，所述步骤s2具体包括以下步骤：

s201：将步骤s1中获取的最大功率点作为初始的最优解，基于燃料电池的输出功率，建立目标函数，设定初始温度、最低温度、降温方式和迭代次数；

s202：基于初始的最优解，由产生函数产生一个解空间；

s203：从解空间中随机获取一个新解，分别计算最优解和新解对应的目标函数值，获取能量差，若能量差小于0，则进行步骤s205；否则进行步骤s204；

s204：基于能量差，计算降温概率，若降温概率满足预设的接受准则，则进行步骤s205，否则进行步骤s206；

s205：将新解作为最优解；

s206：判断迭代次数是否满足步骤s201设定的迭代次数值，若满足，则进行步骤s207，否则进行步骤s203；

s207：判断温度是否小于最低温度，若是，则进行步骤s208，否则采用降温方式对温度进行变换，然后进行步骤s203；

s208：输出最大功率点。

进一步地，所述步骤s208进行前还设有检验步骤，该检验步骤具体为：判断最优解是否满足最大功率条件，若满足，则进行步骤s208，否则进行步骤s203，所述最大功率条件的表达式为：

式中，δiup(t)为在t时间节点时的最优解的输出电流，δuup(t)为在t时间节点时的最优解的输出电压，i(t)为步骤s1中获取的在t时间节点内最大功率点的输出电流，α为修正因子，u(t)为燃料电池在t采样点的输出电压。

进一步地，步骤202中，所述产生函数为正态分布函数，所述解空间的表达式为：

式中，u(t)为在t时间节点时的最优解对应的电压值，i(t)为在t时间节点时初始的最优解对应的电流值，n(·,·)为正态分布函数，α为正态分布的数学期望参数，σ为正态分布的方差参数。

进一步地，步骤s203中，能量差的计算表达式为：

δf＝f(pnew(t))-f(p(t))

式中，δf为能量差，f(·)为目标函数，p(t)为在t时间节点时的最优解，pnew(t)为在t时间节点时的新解。

进一步地，步骤s201中，降温方式的表达式为：

tem＝tem1

式中，tem为温度，tem的初始值为步骤s201中设定的初始温度，β为常量。

进一步地，步骤s204中，预设的接收准则的表达式为：

p(δf)＞random(0,1)

δf＝f(pnew(t))-f(p(t))

式中，δf为能量差，f(·)为目标函数，p(t)为在t时间节点时的最优解，pnew(t)为在t时间节点时的新解，random(a,b)为取值范围在a至b间的随机函数，p(δf)为降温概率。

进一步地，所述步骤s1，具体包括以下步骤：

s101：实时采集燃料电池的输出电压和输出电流；

s102：基于实时采集的输出电压和输出电流值，计算输出功率的微分增量；

s103：基于预建立的最大功率点跟踪步长变化方案，获取最大功率点。

进一步地，所述最大功率点跟踪步长变化方案，基于跟踪步长纠正量改变跟踪步长，所述跟踪步长纠正量的表达式为：

δdmax＝max{d(t-1)-d(t)}

式中，n为跟踪步长的缩放系数，由燃料电池的额定功率确定，(例如，500w燃料电池组时，n的取值在(1.5,2)的区间内时具有比较高的跟踪精度)，α为修正因子，取值范围为(1,1.03)，δd为步长纠正量，d(t)为在t时间节点时的步长。

进一步地，所述最大功率点跟踪步长变化方案中，初始步长值的确认如下：

设定uini＝0.00001，iini＝0.00001，当首次的u(1)-uini≥0时，则初始步长为

当首次的u(1)-uini＜0时，则初始步长为

其中，i(1)和u(1)为程序开始后首次采样值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过变步长电导增量法实时搜索燃料电池的最大功率点，具有比较高的搜索跟踪精度，并采用模拟退火法对搜索到的最大功率点进行校正，进一步地提高了获取的最大功率点的准确度，实现了对燃料电池最大功率点持续准确的追踪，使得燃料电池在预热后保持最大功率工作，同时满足负载稳态时的功率需求和锂电池的充电需求，还改善了燃料电池的动态响应特性，提升燃料电池功率输出的稳定性和耐久性，保证混合动力系统中燃料电池在各种工况下的平稳高效运行，充分发挥燃料电池与锂电池混合动力系统中燃料电池的效能。

(2)本发明采用正态分布函数生成解空间，使得获取的新解具有集中性、对称性和均匀变动性，便于需找到更准确的最大功率点。

(3)本发明采用模拟退火法对搜索到的最大功率点进行校正中，该设有检验步骤，确保获取最大功率点在合理的范围内，提高获取结果的准确度。

(4)本发明采用模拟退火法对搜索到的最大功率点进行校正中，通过对温度等除的方式，进行降温，并且参数β可取值为0.98，提高了模拟退火法获取结果的准确度。

(5)本发明通过变步长电导增量法实时搜索燃料电池的最大功率点中，设有跟踪步长纠正量，根据燃料电池的实时功率对步长进行纠正，具有更高的跟踪精度

附图说明

图1为本发明燃料电池输出功率控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1中燃料电池输出功率控制方法的流程示意图；

图3为燃料电池最大功率点的示意图；

图4为负载与燃料电池启动阶段的功率波形示意图；

图5为本发明实施例1中燃料电池工作在稳态时，经过最大功率点位置校正前后的功率波形比较图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图3所示，pemfc表示质子交换膜燃料电池，根据燃料电池极化曲线，得出在欧姆极化区内存在的燃料电池最大功率输出点pmpp，最大功率点pmpp可以表示为(impp,umpp)，其中impp燃料电池为最大功率点处的电流，umpp为燃料电池最大功率点处的电压，因此获取燃料电池的最大功率点具有可行性。但当外界环境突变时，燃料电池极化曲线也会发生突变，相应的最大功率点也会出现偏移，因此需要实时对燃料电池的最大功率点进行扫描追踪。

如图1所示，本实施例为一种混合动力驱动系统中的燃料电池输出功率控制方法，涉及配置有燃料电池、锂电池及dc/dc变换器的混合动力驱动系统，如图2所致，本实施例燃料电池输出功率控制方法包括以下步骤：

s1：实时采集燃料电池的输出电压和输出电流，基于变步长电导增量法，获取燃料电池的最大功率点；

具体包括以下步骤：

1.1)在采样时刻t，采集燃料电池实时输出电压u(t)，实时输出电流i(t)，计算此时燃料电池的输出功率p(t)，输出功率的计算表达式为：

p(t)＝u(t)×i(t)

1.2)计算燃料电池输出电压u(t)、输出电流i(t)、输出功率p(t)的微分增量，输出电压、输出电流和输出功率微分增量的计算表达式为：

δu(t)＝u(t)-u(t-1)

δi(t)＝i(t)-i(t-1)

δp(t)＝p(t)-p(t-1)

其中，δi(t)为燃料电池输出电流在t时间节点时的微分增量，δu(t)为燃料电池输出电压在t时间节点时的微分增量，δp(t)为燃料电池输出功率在t时间节点时的微分增量。

1.3)基于燃料电池最大功率点跟踪步长变化方案，确定最大功率点位置。

最大功率点位置的确定规则包括：

燃料电池输出功率可以表示为如下表达式：

当时，燃料电池输出功率点为最大功率点；

当时，燃料电池输出功率点在最大功率点左侧；

当时，燃料电池输出功率点在最大功率点右侧。

由此，可确定燃料电池最大功率点跟踪步长变化方案为：

当δu(t)≠0时，

若则d(t)＝d(t-1)；

若则d(t)＝d(t-1)-δd；

若则d(t)＝d(t-1)+δd；

当δu(t)＝0时，

若δi(t)＝0，则d(t)＝d(t-1)；

若δi(t)>0，则d(t)＝d(t-1)-δd；

若δi(t)<0，则d(t)＝d(t-1)+δd；

其中，δd为燃料电池最大功率点跟踪步长纠正量，其计算表达式为：

式中，δdmax＝max{d(t-1)-d(t)}，n为跟踪步长的缩放系数，由燃料电池的额定功率确定，本实施例中采用500w的燃料电池，因此n在(1.5,2)内取值，即可具有较高的跟踪精度，α为修正因子，取值为1.02，跟踪步长的初始值d(1)的确认：设定uini＝0.00001，iini＝0.00001，当首次的u(1)-uini≥0时，则初始步长为

当首次的u(1)-uini＜0时，则初始步长为

其中，i(1)和u(1)为程序开始后首次采样值。

s2：基于模拟退火法，对燃料电池的最大功率点进行校正；

具体包括以下步骤：

2.1)将步骤s1中输出的最大功率点作为模拟退火法初始的最优解，基于燃料电池的输出功率，建立目标函数，设定初始温度、最低温度、迭代次数和降温方式；

目标函数的表达式为：

式中，f(·)为目标函数，p(t)为在t时间节点时的最优解。

降温方式的表达式为：

tem＝tem1

式中，tem为温度，tem的初始值为步骤2.1)中设定的初始温度，β为常量，本实施例中取值为0.98。

初始温度和温度下限决定燃料电池最大功率点位置更新后的精度，本实施例中tem的初始值设定为100，最低温度为0.01，迭代次数b为100。

2.2)根据初始的最优解生成一个正态分布的解空间，该解空间的表达式为：

式中，u(t)为最优解对应的电压值，i(t)为最优解对应的电流值，n(·,·)为正态分布函数，α为正态分布的数学期望参数，σ为正态分布的方差参数，本实施例中σ取16。

2.3)从解空间中随机获取一个新解，分别计算最优解和新解对应的目标函数值，获取能量差，若能量差小于0，则进行步骤2.5)；否则进行步骤2.4)；

能量差的计算表达式为：

δf＝f(pnew(t))-f(p(t))

式中，δf为能量差，f(·)为目标函数，p(t)为在t时间节点时的最优解，pnew(t)为在t时间节点时的新解。

2.4)基于能量差，计算降温概率，若降温概率满足预设的接受准则，则进行步骤2.5)，否则进行步骤2.6)；

根据热力学原理，当温度为tem时，出现能量差为δe的降温的概率为p(δe)，其表达式为：

式中，k为玻尔兹曼常数，取值为1.38e-23，exp表示自然指数，且δe<0，因此所以p(δe)的取值范围为(0,1)，即，温度越高出现一次能量差为p(δe)的降温的概率就越大，温度越低，则出现能量差为p(δe)的降温的概率就越小。

因此，本实施例中，降温概率的计算表达式为：

预设的接收准则的表达式为：

p(δf)＞random(0,1)

式中，random(a,b)为取值范围在a至b间的随机函数，p(δf)为降温概率。

2.5)将新解作为最优解；

2.6)判断迭代次数是否满足100次，若满足，则进行步骤2.7)，否则进行步骤2.7)；

2.7)判断此时温度是否小于最低温度0.01，若是，则进行步骤2.8)，否则采用降温方式对温度进行变换，然后进行步骤2.3)；

2.8)判断最优解是否满足最大功率条件，若满足，则进行步骤2.9)，否则进行步骤2.3)，最大功率条件的表达式为：

式中，δiup(t)为在t时间节点时的最优解的输出电流，δuup(t)为在t时间节点时的最优解的输出电压，i(t)为步骤s1中获取的在t时间节点内最大功率点的输出电流。

2.9)输出最大功率点。

s3：基于步骤2)中校正后的最大功率点，通过dc/dc变换器对燃料电池的输出电压和电流进行调节。

循环反复执行步骤s1至步骤s3，保持对最大功率点的追踪，和对燃料电池的调节。

如图4所示，图中power为功率，time为时间，为在负载与燃料电池启动阶段的功率波形，该阶段难以保持输出功率的稳定，但燃料电池经过本发明方法处理后，相较于负载和锂电池的功率变化更为平稳，可直观看出本发明方法实现了改善燃料电池的动态响应特性的目标。

如图5所示，图中power为功率，time为时间，当燃料电池脱离启动阶段后，经过本发明方法最大功率点位置校正后，燃料电池输出功率更为平稳，可直观看出本发明方法实现了提升燃料电池功率输出的稳定性和耐久性，保证混合动力系统中燃料电池在各种工况下平稳高效运行的目标。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。