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原文传递计及全寿命周期性能的燃料电池汽车优化设计

论文题名：	计及全寿命周期性能的燃料电池汽车优化设计
关键词：	燃料电池汽车;寿命衰减;参数优化;动态规划;等效消耗最小策略
摘要：	在传统化石燃料转型升级为可再生清洁能源的过程中，燃料电池汽车作为新能源汽车的分支和重要补充形式，其研发和商业化在汽车行业内受到重视。其中，与动力电池或/和超级电容等辅助能量源混合使用的多能量源燃料电池汽车能够有效克服燃料电池动态响应能力不足、启停时间长、无法回收制动能量等缺点，具有较好的应用前景。但是，多能量源系统存在多控制自由度、多工作模式和复杂的耦合关系，为了实现其构型优势，需要对其做出包括部件参数配置和系统能量管理策略两方面的优化设计。此外，燃料电池的寿命衰减增加了其使用成本，成为其在大规模推广时的限制，因此，其优化设计有必要放眼于燃料电池的全寿命周期。本文以三能量源燃料电池汽车为优化设计对象，具体的研究内容如下：　　首先搭建整车经济性仿真评价平台，包括能耗仿真模型仿真和面向离散时域控制的燃料电池、电池寿命衰减模型，从能耗成本和部件寿命衰减成本两方面评价整车经济性，为后文的优化设计提供了仿真验证基础。　　其次，综合整车设计要求和工况运行统计数据对能量源提出的性能指标要求，以及能量源初始购置成本的约束，完成能量源部件的参数配置可行域划分。采用动态规划算法（DP），将参数配置优化与能量管理策略优化的组合问题进行解耦，在保证能量管理策略达到全局最优的情况下，独立进行参数配置的优化。针对于多能量源燃料电池可以存在的三种构型，在各自的参数配置可行域中划分离散参数配置方案，使用动态规划算法逐一计算各方案下的车辆全局最优经济性。仿真验证了三能量源构型具有最优的极限经济能力，并选择其参数配置极值点为后文三能量源构型的能量源参数。　　最后，设计一种基于规则框架的二维等效消耗最小（ECMS）能量管理策略，旨在通过规则和算法的优势互补，获得兼顾可实施性、系统稳定性和更优控制效果的复合式能量管理策略。其中，基于规则的能量管理策略在主能量源、辅助能量源控制的框架上通过一系列滤波方法、工作模式划分、逻辑变量计算和逻辑关系设定等实现对需求功率的分配，仿真结果显示该策略具有良好的工况适应性和部件状态适应性，同时验证了超级电容起到的提升整车经济性的作用。基于规则框架的二维ECMS能量管理策略则是在规则的基础上，用ECMS算法代替滤波模块，形成两条功率分配路线，分别是基于二维ECMS的三能量源功率分配和基于规则的燃料电池功率分配+基于一维ECMS的辅助能量源功率分配，根据燃料电池是否处于原有规则的特定模式来决定分配路线的使用。仿真结果显示该策略相比于基于规则的能量管理策略在降低运行成本方面具有更好的优化性能。
作者：	张耀
专业：	车辆工程
导师：	王云成
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023