[發明專利]一種適用于燃料電池系統能量管理的極小值目標方程數值求解方法

在審

• 申請號: 202111644044.4
• 申請日: 2021-12-29
• 公開（公告）號: CN114357365A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 高慧中;路駿;孫盼;劉景云
• 申請（專利權）人: 西安精密機械研究所
• 主分類號: G06F17/13
• 分類號: G06F17/13
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 屠沛

本發明提供一種適用于燃料電池系統能量管理的極小值目標方程數值求解方法，解決UUV燃料電池混合動力系統能量管理問題下，現有目標方程求解方法存在不能始終收斂的技術問題。該求解方法是在傳統割線法的基礎上，結合燃料電池混合系統中鋰電池SOC關于目標方程Lagrange乘子單調的特性融入了二分法，可用于求解邊值問題下的優化方程，此方法有效規避了可能存在的除0錯誤，使其從任意初值總能收斂至最優解附近，解決了由于初值選擇不合適導致的求解過程無法收斂的問題，對于利用極小值原理解決能量管理問題，實現系統最優控制提供了穩定可行的求解方法。

技術領域

本發明屬于邊界問題下的數值求解算法，具體涉及一種適用于燃料電池系統能量管理的極小值目標方程數值求解方法，適用于UUV上燃料電池混合供電系統的能量管理策略設計。

背景技術

使用鋰電池和燃料電池構成的混合系統兼具兩者技術優勢，是未來水下裝備動力技術的發展方向之一。以極小值原理設計的最優化目標方程作為能量管理策略可以提升系統整體性能，因此求解優化目標方程的方法將是影響系統整體性能的關鍵所在。

UUV的工作環境特殊，需以氫氣消耗最小作為能量管理目標。以等效消耗方法將鋰電池荷電狀態(SOC)變化折算為等效的氫氣消耗量，利用極小值原理建立起表征系統瞬時等效氫氣消耗的Hamilton優化方程，通過使鋰電池SOC在運行時間內持續下降至可用最低限減少系統等效氫氣消耗?？紤]到所建立的優化方程為高階微分方程且Lagrange乘子初值λ(0)未知，因此無法求得方程的解析解，必須采用數值法迭代求解。

由于電池SOC下限已知，因此可等效為一個邊界問題，解決這類問題的最常用方法為割線法。傳統割線法使用前兩次的SOC迭代計算結果修正第i次的Lagrange乘子初值λ_i(0),(i＝3,4，....)，當Lagrange乘子初值λ(0)取值遠離最優解時，可能導致迭代計算中的第i-2、i-1次計算過程的最終SOC結果相同，由此導致遞推中以兩者差值作為分母的求解方程出現除0錯誤，出現無窮結果，使得迭代過程不能收斂至最優狀態。

針對求解能量管理微分方程的常規迭代方法不能始終收斂，導致無法達到最優能量管理目標的問題，需要對其加以改進，構建一種從任意初值λ(0)出發總能收斂至最優解的邊值問題求解方法，使能量管理可達到最優目標。

發明內容

本發明的目的在于解決UUV燃料電池混合動力系統能量管理問題下，現有目標方程求解方法存在不能始終收斂的技術問題，而提供一種適用于燃料電池系統能量管理的極小值目標方程數值求解方法。

本發明的構思：

本發明在利用極小值原理解決UUV燃料電池混合動力系統性能最優的問題中，利用調節參數的單調變化特性在原有方法中融入二分法，改進微分方程的數值化迭代過程。計算中首先定義一個任意取值的Lagrange乘子初值λ(0)，作為迭代計算的起始點；第二步，在λ(0)上加入預定義的調整量Δ作為第二次迭代計算的起始值λ₂(0)；第三步，按照傳統割線法定義修正第i次的計算起始值λ_i(0)?？紤]到Lagrange乘子λ是SOC變化率的負反饋因子，即增大λ能抑制SOC增長速率，降低λ能促進SOC增長速率，意味λ關于SOC的函數是單調變化。因此，當第i-2、i-1次計算中的最終SOC相同時，若該SOC數值小于目標值SOC_L則按照二分法減小λ_i(0)，若該SOC數值大于目標值SOC_L則按照二分法的逆向思路增大λ_i(0)，并不斷迭代，直至最終的SOC值落入以SOC_L為中心，允許誤差ε為半徑的區間內，即可得到最優的能量管理策略。

為實現上述目的，本發明所提供的技術解決方案是：

一種適用于燃料電池系統能量管理的極小值目標方程數值求解方法，其特征在于，包括以下步驟：