[發明專利]一種基于凸優化的燃料電池汽車能量管理方法

有效

• 申請號: 202110579791.8
• 申請日: 2021-05-26
• 公開（公告）號: CN113022384B
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 魏小棟;孫超;孫逢春;任強;周飛鯤
• 申請（專利權）人: 北京理工大學;廣州汽車集團股份有限公司
• 主分類號: B60L58/40
• 分類號: B60L58/40
• 代理公司: 成都方圓聿聯專利代理事務所(普通合伙) 51241
• 代理人: 宋紅賓

本發明提供一種基于凸優化的燃料電池汽車能量管理方法，以最小氫耗為目標函數，搭建了一種符合凸函數性質的新型燃料電池動力系統和整車模型，建立了系統模型的增廣拉格朗日方程及其縮放形式，滿足交替方向乘子法求解的標準范式，首次實現了交替方向乘子法算法在燃料電池汽車能量管理上的系統應用。同時，本文提出了一種循環約束檢驗策略對燃料電池系統功率進行進一步精確控制，使其滿足功率的動態變化約束。與其他算法相比，該算法能夠在快速求解問題的同時，保證結果的最優性。

技術領域

本發明涉及燃料電池汽車的能量管理技術領域，特別涉及一種基于凸優化的燃料電池汽車能量管理方法。

背景技術

目前，環境污染和能源短缺已成為汽車產業發展面臨的兩大難題。燃料電池汽車作為新能源汽車的重要分支，具有高效、清潔、零污染的優勢，逐漸成為行業的研究熱點。

受限于燃料電池電堆功率性能的影響，燃料電池汽車通常會匹配一塊動力電池與燃料電池發動機協同工作，這樣的動力系統其能量管理和控制問題屬于非線性、多變量的時變問題。通過整車能量管理實現各動力源功率的合理分配，可以有效提高整車系統性能。在現有的研究中，提出了很多關于燃料電池汽車能量管理的方法，主要分為兩類：基于規則的方法和基于優化的方法。

基于規則的能量管理控制策略主要包括有限狀態機控制策略、功率跟隨控制策略、模糊規則控制策略和自適應模糊控制策略等。基于規則的能量管理策略因設計簡單、計算量小、魯棒性強等特點，在實車上得到了廣泛的應用，但該種策略不能保證結果的最優性。

基于優化的控制策略是在工況已知的情況下，借助優化算法求解各動力源能量的最優分配，主要算法包括龐特里亞金最小值原理、動態規劃、模型預測控制和凸優化等。總體而言，基于優化的能量管理策略雖然保證了結果的最優性，但是計算量大，難以實現實時控制。

凸優化是求解目標函數為凸函數、可行域為凸集的一種優化算法，使局部最優解與全局最優解保持一致，將求解過程進行了極大的簡化。目前，很多學者已將凸優化方法應用到了混合動力汽車的能量管理問題中，但在燃料電池汽車能量管理中運用較少。

上述研究雖然利用凸優化方法實現了燃料電池汽車實時能量管理，但尚未探索交替方向乘子法在燃料電池能量管理問題上的可行性，提高能量管理算法的實時性，同時為了簡化優化問題，忽略了燃料電池動態響應約束。

發明內容

本發明針對現有技術的缺陷，提供了一種基于凸優化的燃料電池汽車能量管理方法，解決了現有技術中存在的缺陷。

本發明提出將凸優化方法中的交替方向乘子法運用到燃料電池汽車的能量管理中，用于提高燃料電池汽車能量管理的算法實時性和動態響應特性。目前，將交替方向乘子法運用到燃料電池汽車能量管理中的研究尚不深入。燃料電池汽車相對于混合動力汽車除動力系統結構不同之外，由于水、熱、氣控制的原因，存在燃料電池動態響應較慢的問題。本發明提出利用循環約束檢驗策略控制燃料電池的功率，使其滿足功率的升降約束。通過仿真結果證明，本發明提出的算法在求解燃料電池汽車的能量管理問題時既能滿足實時性，又能得到近似最優解。

本發明所定義的技術名稱如下：

SoC:蓄電池剩余容量與其完全充電狀態的容量的比值，其取值范圍為0-1。

轉凸處理：指通過一些技術手段對已經建立的數學模型進行凸化處理，使模型的中的函數和可行域均滿足凸優化算法的基本要求，從而達到利用凸優化算法求解問題的目的。

為了實現以上發明目的，本發明采取的技術方案如下：