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原文传递基于随机负载的燃料电池混合动力系统及其控制方法

专利名称：	基于随机负载的燃料电池混合动力系统及其控制方法
摘要：	本发明公开了一种基于随机负载的燃料电池混合动力系统，包括作为主动力源的燃料电池装置、作为辅助动力源的蓄电池装置、电力变换装置和功率预测能量管理控制装置，所燃料电池装置和蓄电池装置均与电力变换装置连接，功率预测能量管理控制装置与燃料电池装置、蓄电池装置和电力变换装置均连接。本发明的系统在面对随机负载或负载变换较大情况的工况时，不仅保证了动力的高效输出，而且保证了主动力源和辅助动力源的健康稳定运行。另外，本发明还公开了一种基于随机负载的燃料电池混合动力系统控制方法。
专利类型：	发明专利
申请人：	武汉理工大学
发明人：	张立炎;张浩然;章子祎;陈启宏;周克亮;肖朋
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
申请号：	CN201911394151.9
公开号：	CN111071073A
代理机构：	武汉开元知识产权代理有限公司
代理人：	刘琳;周艳
分类号：	B60L50/75;B60L58/40;B60L58/32;B60L58/12;B60L58/24;B60L53/22;B;B60;B60L;B60L50;B60L58;B60L53;B60L50/75;B60L58/40;B60L58/32;B60L58/12;B60L58/24;B60L53/22
申请人地址：	430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路122号
主权项：	1.一种基于随机负载的燃料电池混合动力系统，包括作为主动力源的燃料电池装置、作为辅助动力源的蓄电池装置和电力变换装置，所述燃料电池装置和所述蓄电池装置均与所述电力变换装置连接，其特征在于，还包括功率预测能量管理控制装置，所述功率预测能量管理控制装置与所述燃料电池装置、所述蓄电池装置和所述电力变换装置均连接，且所述功率预测能量管理控制装置用于根据所述燃料电池装置的历史输出功率和所述蓄电池装置的历史输出功率之和以及历史气温，通过建立灰色预测模型得到历史时刻点的灰色拟合功率和历史时刻点的灰色拟合温度以及预测时刻点的灰色预测功率和预测时刻点的灰色预测温度，再通过灰色马尔可夫链预测模型以及通过构建功率状态转移概率矩阵和温度状态转移概率矩阵分别获得的历史时刻点的功率修正值和历史时刻点的温度修正值以及预测时刻点的功率修正值和预测时刻点的温度修正值，得到历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合功率和历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合温度以及预测时刻点的灰色马尔可夫链预测功率和预测时刻点的灰色马尔可夫链预测温度，并根据所述历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合温度与平均温度的比值以及所述历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合功率与所述燃料电池装置的对应历史时刻点的输出功率和所述蓄电池装置的对应历史时刻点的输出功率之和的比值之间的关系构建误差状态转移概率矩阵获得预测时刻点的温度误差修正值，用所述预测时刻点的温度误差修正值修正所述预测时刻点的灰色马尔可夫链预测功率得到预测时刻点的温度修正的灰色马尔可夫链预测功率，再将所述预测时刻点的温度修正的灰色马尔可夫链预测功率和从所述蓄电池装置获得的蓄电池荷电状态分别与负载需求功率的功率区间的值和荷电状态区间的值进行比较，根据比较结果控制所述燃料电池装置的输出功率且所述蓄电池装置在所述燃料电池装置的输出功率未稳定前自适应补偿剩余需求输出功率。 2.如权利要求1所述的基于随机负载的燃料电池混合动力系统，其特征在于，所述功率预测能量管理控制装置包括：温度传感单元，用于采集气温；接收单元，与所述燃料电池装置、所述蓄电池装置和所述温度传感单元连接，用于接收所述燃料电池装置的历史输出功率、所述蓄电池装置的历史输出功率和从所述温度传感单元获得的历史气温；累加生成序列构建单元，与所述接收单元连接，用于根据每个历史时刻点的所述燃料电池装置的历史输出功率以及每个对应历史时刻点的所述蓄电池装置的历史输出功率的和，通过灰色GM(1，1)模型构建输出功率原始序列，并根据所述输出功率原始序列构建输出功率的一次累加生成序列，而且根据所述历史气温，通过灰色GM(1，1)模型构建温度原始序列，并根据所述温度原始序列构建温度的一次累加生成序列；灰色预测单元，与所述累加生成序列构建单元连接，用于根据所述输出功率的一次累加生成序列，建立输出功率临近均值生成序列，根据所述输出功率临近均值生成序列建立输出功率发展系数的微分方程，利用最小二乘法求解该微分方程的输出功率发展系数，将所述输出功率发展系数和每个历史时刻点和预测时刻点代入灰色累加序列方程中得到输出功率值，再将所述输出功率值进行累减得到历史时刻点的灰色拟合功率和预测时刻点的灰色预测功率，而且根据所述温度的一次累加生成序列，建立温度临近均值生成序列，根据所述温度临近均值生成序列建立温度发展系数的微分方程，利用最小二乘法求解该微分方程的温度发展系数，将所述温度发展系数和每个历史时刻点和预测时刻点代入灰色累加序列方程中得到温度值，再将所述温度值进行累减得到历史时刻点的灰色拟合温度和预测时刻点的灰色预测温度；状态转移概率矩阵构建单元，与所述灰色预测单元连接，用于计算每个历史时刻点的所述灰色拟合功率与每个对应历史时刻点的所述燃料电池装置的历史输出功率和每个对应历史时刻点的所述蓄电池装置的历史输出功率的和的功率误差值，根据每个历史时刻点的所述功率误差值划分区间，每个区间为一个功率状态，而且计算每个历史时刻点的所述灰色拟合温度与每个对应历史时刻点的历史气温的温度误差值，根据每个历史时刻点的所述温度误差值划分区间，每个区间为一个温度状态，再根据每个功率状态的转移情况构建功率状态转移概率矩阵，而且根据每个温度状态的转移情况构建温度状态转移概率矩阵，所述功率状态转移概率矩阵和所述温度状态转移概率矩阵中的概率对应于每个状态转移到其它状态的概率；最大概率状态计算单元，与所述状态转移概率矩阵构建单元连接，用于选取距离预测时刻点最近的多个历史时刻点，根据历史时刻点与预测时刻点的距离确定功率状态转移步数，在所述功率状态转移步数对应的所述功率状态转移概率矩阵中选取每一步起始状态所对应的行向量为各个状态出现的概率，再对各个状态出现的概率求和得出功率最大概率状态，而且选取距离预测时刻点最近的多个历史时刻点，根据历史时刻点与预测时刻点的距离确定温度转移步数，在所述温度转移步数对应的所述温度状态转移概率矩阵中选取每一步起始状态所对应的行向量为各个状态出现的概率，再对各个状态出现的概率求和得出温度最大概率状态；灰色马尔可夫链预测单元，与所述最大概率状态计算单元连接，用于当功率状态不变时，取所述功率最大概率状态所在区间的中间值作为预测时刻点的功率修正值，当功率状态发生跳变时，取跳变后的功率状态所在区间的边缘值作为历史时刻点的功率修正值，并根据历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合功率＝(历史时刻点的功率修正值历史时刻点的灰色拟合功率)以及预测时刻点的灰色马尔可夫链预测功率＝(预测时刻点的功率修正值预测时刻点的灰色预测功率)，计算得到历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合功率和预测时刻点的灰色马尔可夫链预测功率，而且取所述温度最大概率状态所在区间的中间值作为历史时刻点的温度修正值和预测时刻点的温度修正值，并根据历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合温度＝(历史时刻点的温度修正值历史时刻点的灰色拟合温度)以及预测时刻点的灰色马尔可夫链预测温度＝(预测时刻点的温度修正值预测时刻点的灰色预测温度)，计算得到历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合温度和预测时刻点的灰色马尔可夫链预测温度；误差状态转移概率矩阵构建单元，与接收单元和所述灰色马尔可夫链预测单元连接，用于根据从所述接收单元获取的所述历史气温计算其平均值得到平均温度，根据的值划分误差状态区间，其中，实际输出功率为所述燃料电池装置的对应历史时刻点的历史输出功率和所述蓄电池装置的对应历史时刻点的历史输出功率之和，每个区间为一个误差状态，根据每个误差状态的转移情况，构建误差状态转移概率矩阵；灰色马尔可夫链预测功率修正单元，与所述误差状态转移概率矩阵构建单元连接，用于选取距离预测时刻点最近的多个历史时刻点，根据历史时刻点与预测时刻点的距离确定误差状态转移步数，在所述误差状态转移步数对应的所述误差状态转移概率矩阵中选取每一步起始状态所对应的行向量为各个状态出现的概率，对各个状态出现的概率求和得出误差最大概率状态，并将所述误差最大概率状态所在区间的中间值(预测时刻点的灰色马尔可夫链预测温度/平均温度)的计算结果作为预测时刻点的温度误差修正值，根据预测时刻点的温度修正的灰色马尔可夫链预测功率＝(预测时刻点的温度误差修正值预测时刻点的灰色马尔可夫链预测功率)，计算得到预测时刻点的温度修正的灰色马尔可夫链预测功率；燃料电池输出功率控制单元，与所述电力变换装置和所述灰色马尔可夫链预测功率修正单元连接，用于将负载需求功率划分多个功率区间，将蓄电池荷电状态划分为多个荷电状态区间，并将所述预测时刻点的温度修正的灰色马尔可夫链预测功率和从所述蓄电池装置获得的蓄电池荷电状态分别与所述负载需求功率的功率区间的值和所述荷电状态区间的值进行比较，根据比较结果选择能量分配方式并将所述能量分配方式所确定的输出功率转换为目标电流，以控制燃料电池的输出功率且所述蓄电池装置在所述燃料电池装置的输出功率未稳定前自适应补偿剩余需求输出功率。 3.如权利要求2所述的基于随机负载的燃料电池混合动力系统，其特征在于，所述燃料电池装置包括氢气柜、氢控制器、风机、风机控制器、水泵、风扇、燃料电池和燃料电池控制器，所述氢气柜、所述风机和所述水泵均与所述燃料电池连接，所述氢控制器与所述氢气柜连接，所述风机控制器与所述风机连接，所述风扇设置在所述水泵附近，所述燃料电池控制器与所述燃料电池、所述氢控制器、所述风机控制器和所述功率预测能量管理控制装置的所述燃料电池输出功率控制单元连接，所述氢控制器、所述燃料电池控制器和所述功率预测能量管理控制装置的所述燃料电池输出功率控制单元均与所述蓄电池装置连接，所述风机控制器、所述燃料电池、所述水泵、所述风扇和所述功率预测能量管理控制装置的所述燃料电池输出功率控制单元均与所述电力变换装置连接。 4.如权利要求3所述的基于随机负载的燃料电池混合动力系统，其特征在于，所述蓄电池装置包括蓄电池、蓄电池控制器和充电器，所述蓄电池控制器与所述蓄电池和所述功率预测能量管理控制装置的燃料电池输出功率控制单元均连接，所述蓄电池与所述氢控制器、所述燃料电池控制器、所述电力变换装置和所述充电器的一端均连接，所述充电器的另一端与所述电力变换装置连接。 5.如权利要求4所述的基于随机负载的燃料电池混合动力系统，其特征在于，所述电力变换装置包括第一升压DC/DC变换器、第二升压DC/DC变换器、逆变器、降压DC/DC变换器、第一交流输出端子、第二交流输出端子、第一直流输出端子和第二直流输出端子，所述第一升压DC/DC变换器的输入端与所述燃料电池和所述功率预测能量管理控制装置的燃料电池输出功率控制单元均连接，所述第一升压DC/DC变换器的输出端与所述逆变器的输入端和所述风机控制器连接，所述逆变器的输出端与所述第一交流输出端子和所述第二交流输出端子连接，所述水泵与所述第二交流输出端子连接，所述第二升压DC/DC变换器的输入端与所述蓄电池连接，所述第二升压DC/DC变换器的输出端与所述降压DC/DC变换器的输入端和所述第一升压DC/DC变换器的输出端连接，所述降压DC/DC变换器的输出端与所述第一直流输出端子连接，所述充电器的一端连接在所述蓄电池和所述第二升压DC/DC变换器的输入端之间，所述充电器的另一端连接在所述逆变器的输出端和所述第一交流输出端子之间，所述第二交流输出端子连接在所述蓄电池和所述第二升压DC/DC变换器的输入端之间，所述风扇连接在所述降压DC/DC变换器的输出端和所述第一直流输出端子之间。 6.如权利要求5所述的基于随机负载的燃料电池混合动力系统，其特征在于，所述蓄电池为锂电池，所述第一升压DC/DC变换器为70～130V升600V的DC/DC变换器，所述第二升压DC/DC变换器为24V升600V的DC/DC变换器，所述降压DC/DC变换器为600V降12V的DC/DC变换器，所述第一交流输出端子为380V交流输出端子，所述第二交流输出端子为220V交流输出端子，所述第一直流输出端子为12V直流输出端子，所述第二直流输出端子为24V直流输出端子。 7.一种基于随机负载的燃料电池混合动力系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤： (1)采集历史气温、获取燃料电池的历史输出功率和蓄电池的历史输出功率以及计算每个历史时刻点的燃料电池的历史输出功率和每个对应历史时刻点的蓄电池的历史输出功率之和； (2)根据所述燃料电池的历史输出功率和所述蓄电池的历史输出功率之和以及历史气温，通过建立灰色预测模型得到历史时刻点的灰色拟合功率和历史时刻点的灰色拟合温度以及预测时刻点的灰色预测功率和预测时刻点的灰色预测温度，再通过灰色马尔可夫链预测模型以及通过构建功率状态转移概率矩阵和温度状态转移概率矩阵分别获得的历史时刻点的功率修正值和历史时刻点的温度修正值以及预测时刻点的功率修正值和预测时刻点的温度修正值，得到历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合功率和历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合温度以及预测时刻点的灰色马尔可夫链预测功率和预测时刻点的灰色马尔可夫链预测温度； (3)根据所述历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合温度与平均温度的比值以及所述历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合功率与所述燃料电池的对应历史时刻点的输出功率和所述蓄电池的对应历史时刻点的输出功率之和的比值之间的关系构建误差状态转移概率矩阵获得预测时刻点的温度误差修正值，用所述预测时刻点的温度误差修正值修正所述预测时刻点的灰色马尔可夫链预测功率得到预测时刻点的温度修正的灰色马尔可夫链预测功率； (4)将所述预测时刻点的温度修正的灰色马尔可夫链预测功率和从所述蓄电池获得的蓄电池荷电状态分别与负载需求功率的功率区间的值和荷电状态区间的值进行比较，根据比较结果控制所述燃料电池的输出功率且所述蓄电池在所述燃料电池的输出功率未稳定前自适应补偿剩余需求输出功率。 8.如权利要求7所述的基于随机负载的燃料电池混合动力系统的控制方法，所述步骤(2)具体包括： (21)根据每个历史时刻点的所述燃料电池的历史输出功率以及每个对应历史时刻点的所述蓄电池的历史输出功率的和，通过灰色GM(1，1)模型构建输出功率原始序列，并根据所述输出功率原始序列构建输出功率的一次累加生成序列，而且根据所述历史气温，通过灰色GM(1，1)模型构建温度原始序列，并根据所述温度原始序列构建温度的一次累加生成序列； (22)根据所述输出功率的一次累加生成序列，建立输出功率临近均值生成序列，根据所述输出功率临近均值生成序列建立输出功率发展系数的微分方程，利用最小二乘法求解该微分方程的输出功率发展系数，将所述输出功率发展系数和每个历史时刻点和预测时刻点代入灰色累加序列方程中得到输出功率值，再将所述输出功率值进行累减得到历史时刻点的灰色拟合功率和预测时刻点的灰色预测功率，而且根据所述温度的一次累加生成序列，建立温度临近均值生成序列，根据所述温度临近均值生成序列建立温度发展系数的微分方程，利用最小二乘法求解该微分方程的温度发展系数，将所述温度发展系数和每个历史时刻点和预测时刻点代入灰色累加序列方程中得到温度值，再将所述温度值进行累减得到历史时刻点的灰色拟合温度和预测时刻点的灰色预测温度； (23)计算每个历史时刻点的所述灰色拟合功率与每个对应历史时刻点的所述燃料电池装置的历史输出功率和每个对应历史时刻点的所述蓄电池装置的历史输出功率的和的功率误差值，根据每个历史时刻点的所述功率误差值划分区间，每个区间为一个功率状态，而且计算每个历史时刻点的所述灰色拟合温度与每个对应历史时刻点的历史气温的温度误差值，根据每个历史时刻点的所述温度误差值划分区间，每个区间为一个温度状态，再根据每个功率状态的转移情况构建功率状态转移概率矩阵，而且根据每个温度状态的转移情况构建温度状态转移概率矩阵，所述功率状态转移概率矩阵和所述温度状态转移概率矩阵中的概率对应于每个状态转移到其它状态的概率； (24)选取距离预测时刻点最近的多个历史时刻点，根据历史时刻点与预测时刻点的距离确定功率状态转移步数，在所述功率状态转移步数对应的所述功率状态转移概率矩阵中选取每一步起始状态所对应的行向量为各个状态出现的概率，再对各个状态出现的概率求和得出功率最大概率状态，而且选取距离预测时刻点最近的多个历史时刻点，根据历史时刻点与预测时刻点的距离确定温度转移步数，在所述温度转移步数对应的所述温度状态转移概率矩阵中选取每一步起始状态所对应的行向量为各个状态出现的概率，再对各个状态出现的概率求和得出温度最大概率状态； (25)当功率状态不变时，取所述功率最大概率状态所在区间的中间值作为预测时刻点的功率修正值，当功率状态发生跳变时，取跳变后的功率状态所在区间的边缘值作为历史时刻点的功率修正值，并根据历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合功率＝(历史时刻点的功率修正值历史时刻点的灰色拟合功率)以及预测时刻点的灰色马尔可夫链预测功率＝(预测时刻点的功率修正值预测时刻点的灰色预测功率)，计算得到历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合功率和预测时刻点的灰色马尔可夫链预测功率，而且取所述温度最大概率状态所在区间的中间值作为历史时刻点的温度修正值和预测时刻点的温度修正值，并根据历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合温度＝(历史时刻点的温度修正值历史时刻点的灰色拟合温度)以及预测时刻点的灰色马尔可夫链预测温度＝(预测时刻点的温度修正值预测时刻点的灰色预测温度)，计算得到历史时刻点的灰色马尔可夫链拟合温度和预测时刻点的灰色马尔可夫链预测温度。 9.如权利要求7所述的基于随机负载的燃料电池混合动力系统的控制方法，所述步骤(3)具体包括： (31)根据获取的所述历史气温计算其平均值得到平均温度，并根据获取的燃料电池的历史输出功率和蓄电池的历史输出功率，计算所述燃料电池的对应历史时刻点的历史输出功率和所述蓄电池的对应历史时刻点的历史输出功率之和得到对应历史时刻点的实际输出功率； (32)根据的值划分误差状态区间，每个区间为一个误差状态，根据每个误差状态的转移情况，构建误差状态转移概率矩阵； (33)选取距离预测时刻点最近的多个历史时刻点，根据历史时刻点与预测时刻点的距离确定误差状态转移步数，在所述误差状态转移步数对应的所述误差状态转移概率矩阵中选取每一步起始状态所对应的行向量为各个状态出现的概率，对各个状态出现的概率求和得出误差最大概率状态，并将所述误差最大概率状态所在区间的中间值(预测时刻点的灰色马尔可夫链预测温度/平均温度)的计算结果作为预测时刻点的温度误差修正值，根据预测时刻点的温度修正的灰色马尔可夫链预测功率＝(预测时刻点的温度误差修正值预测时刻点的灰色马尔可夫链预测功率)，计算得到预测时刻点的温度修正的灰色马尔可夫链预测功率。 10.如权利要求7所述的基于随机负载的燃料电池混合动力系统的控制方法，所述步骤(4)具体为：将负载需求功率划分多个功率区间，将蓄电池荷电状态划分为多个荷电状态区间，并将所述预测时刻点的温度修正的灰色马尔可夫链预测功率和从所述蓄电池获得的蓄电池荷电状态分别与所述负载需求功率的功率区间的值和所述荷电状态区间的值进行比较，根据比较结果选择能量分配方式并将所述能量分配方式所确定的输出功率转换为目标电流，以控制燃料电池的输出功率且所述蓄电池在所述燃料电池的输出功率未稳定前自适应补偿剩余需求输出功率。
所属类别：	发明专利