燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及混合动力驱动技术，特别是涉及一种燃料电池与蓄电池混合动力驱动 系统控制方法的技术。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。因此，对以燃料电池为基础构 成的混合动力系统的研究具有积极意义。
[0004] 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，提高燃料电池的耐久性，并根据运行工况快速多变的要求将负载功率需 求实现在燃料电池与辅助储能装置间的合理分配，实现多能源系统的功率平衡控制，保证 系统在各种工况下平稳高效运行，是其控制中的难点与关键。
【发明内容】
[0005] 针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能改善 燃料电池的动态响应特性，提高燃料电池的耐久性，且能实现功率平衡控制，保证系统在各 种工况下平稳高效运行的燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种燃料电池与蓄电池混合动力驱动系 统控制方法，涉及配置有燃料电池、蓄电池及DC/DC变换器的混合动力驱动系统，其特征在 于：采用方法1控制燃料电池，采用方法2控制蓄电池，采用方法3控制DC/DC变换器；
[0007] 方法1 :燃料电池控制
[0008] 1. 1)根据负载功率需求Pd_n^混合动力驱动系统当前的工作状态，分配燃料电 池和蓄电池的输出功率，得到燃料电池的输出功率Pw;
[0009] 1. 2)根据燃料电池的输出功率Pw与实时采集得到的燃料电池的输出电压Uf。计 算出燃料电池的期望输出电流If。，作为负载电流的参考给定，具体计算公式为：
[0010] Ifc=Pfuel/Ufc
[0011] 1.3)令蓄电池的输出功率PbJS随负载功率需求Pd_n^燃料电池的输出功率 Pfuel的差值自适应变化，跟随公式为：
[0012] Pbat=Pdemand_Pfuel
[0013] 1. 4)对燃料电池的输出端电流进行限制，使得燃料电池的输出功率在0至额定最 大输出功率之间，并且通过改变DC/DC变换器的占空比的方式，将燃料电池的输出电流调 节为期望输出电流If。；
[0014] 方法2:蓄电池控制
[0015] 计算蓄电池的实时S0C值与预先设定的标准值S0C"f之间的偏差，并根据计算值 对蓄电池进行充放电管理；
[0016] 如果蓄电池的实时S0C值与标准值S0Craf之间的偏差的绝对值大于5 %，且蓄电池 的实时S0C值大于蓄电池的标准值S0C"f，则对蓄电池进行放电，直至蓄电池的实时S0C值 与标准值S0Craf之间的偏差的绝对值小于5% ;
[0017] 如果蓄电池的实时S0C值与标准值S0Craf之间的偏差的绝对值大于5 %，且蓄电池 的实时S0C值小于蓄电池的标准值S0Craf，则对蓄电池进行充电，直至蓄电池的实时S0C值 与标准值S0Craf之间的偏差的绝对值小于5% ;
[0018] 方法3 :DC/DC变换器控制
[0019] 构建可拓控制器，利用可拓控制器对DC/DC变换器进行控制，可拓控制器的构建 步骤如下：
[0020] 3. 1)定义可拓控制器的控制偏差为e，偏差微分为ec，有e=If(：-I，ec=de/dt;
[0021] 其中，If。为燃料电池的期望输出电流；I为DC/DC变换器的输出电流；
[0022] 3. 2)设e与ec的特征平面的原点为S。(0, 0)，则定义：
[0023]
[0024]
[0025] 其中，为经典域的偏差，ec。"为经典域的偏差微分，en为可拓域的偏差，ec"为可 拓域的偏差微分；
[0026] 3. 3)设S(e，ec)为e与ec的特征平面上的任意一点，得到关联函数为：
[0027]
[0028]
[0029] 其中，&为经典域，kpk2为加权系数；[0030] 3. 4)得到可拓控制器的控制模型公式为：
[0031]
[0032]
[0033]
[0034] 其中，t表示对DC/DC变换器的输出电流进行采样的采样时刻，u(t)为可拓控制器 在t时刻的输出值，u(t-l)为可拓控制器在t-Ι时刻的输出值，ε为修正量，I、KP为适当 常数，δ为正小数，uM是大于〇的常数。
[0035] 进一步的，所述方法3中，e。^的典型值为0.001，eCcm的典型值为0.005，Θηι的典型 值为0. 5,eCni的典型值为0. 1，ki的典型值为0. 3,k2的典型值为0. 1，Κ:的典型值为0. 026， KP的典型值为6. 25,δ的典型值为〇. 〇〇2,uM的典型值为1。
[0036] 本发明提供的燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法，燃料电池的功率输 出以负载的稳态功率需求为依据能够跟随负载的稳态输出变化而变化，提高了燃料电池的 耐久性，能实现燃料电池与蓄电池之间功率的合理分配，并以蓄电池的荷电状态为依据对 蓄电池的充放电进行控制，将蓄电池的荷电状态维持在预定区域，将可拓控制应用到DC/DC 变换器的控制中，改善了系统的动态响应特性，即改善了DC/DC变换器对输出电流跟踪的 鲁棒性及动态响应特性，使系统更有效、安全地运行，可以充分发挥燃料电池与蓄电池混合 动力驱动系统的效能。
【附图说明】
[0037] 图1是本发明实施例的燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法中，蓄电池 的S0C值为50时，蓄电池的S0C值变化曲线图；
[0038] 图2是本发明实施例的燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法中，蓄电池 的S0C值为60时，蓄电池的S0C值变化曲线图；
[0039] 图3是本发明实施例的燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法中，蓄电池 的S0C值为70时，蓄电池的S0C值变化曲线图；
[0040] 图4是本发明实施例的燃料电池与蓄电池混合动力驱动系统控制方法中，特征状 态的可拓集合图。
【具体实施方式】
[0041] 以下结合【附图说明】对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限 制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围，本发明 中的顿号均表示和的关系。
[0042] 如图1-图4所示，本发明实施例所提供的一种燃料电池与蓄电池混合动力驱动系 统控制方法，涉及配置有燃料电池、蓄电池及DC/DC变换器的混合动力驱动系统，其特征在 于：采用方法1控制燃料电池，采用方法2控制蓄电池，采用方法3控制DC/DC变换器；
[0043] 方法1 :燃料电池控制
[0044] 1. 1)根据负载功率需求Pd_n^混合动力驱动系统当前的工作状态，分配燃料电 池和蓄电池的输出功率（该分配方法为现有技术），得到燃料电池的输出功率Pfg，燃料电 池和蓄电池的输出功率的分配原则如下；
[0045] 原则1 :由燃料电池的电气特性可知，频繁地大幅度改变燃料电池的输出功率将 会对燃料电池的性能、使用寿命产生较大的影响，因此应当禁止燃料电池的输出功率出现 大幅度的波动；
[0046] 原则2 :为保证蓄电池的安全运行，需对蓄电池的充放电电流进行控制，避免过充 过放；
[0047] 原则3 :应当优先将燃料电池作为满足负载功率需求的能量供给单元，即蓄电池