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燃料电池混合动力汽车能量管理策略设计与优化

李桢辉  
【摘要】:燃料电池混合动力汽车(Fuel cell hybrid electric vehicle,FCHEV)工作时需要多个能量源协同工作,如何安排每一个能量源在什么时间“出力”以及“出多大力”,对提高汽车燃油(氢燃料)经济性能和汽车动力性能,以及延长动力电池的使用寿命具有重要作用。本文针对FCHEV的能量管理问题,在对其驱动系统建模的基础上,结合能量源的工作特性,设计分层策略、自适应模型预测控制策略和自适应等燃油消耗最小策略。首先,设计分层能量管理策略。通过对燃料电池工作效率、电池内阻变化规律分析,结合需求功率变化规律,设计燃料电池输出功率;在此基础上,分析电池和超级电容工作特性,设计电池和超级电容的功率输出,将三能量源的管理问题转化为两个对双能量源的管理问题。其次,针对其子系统:电池和超级电容所组成的动力系统,设计基于自适应模型预测能量管理策略。通过分析电池和超级电容工作特性的分析,结合汽车纵向动力学分析,设计参考电池功率和超级电容荷电状态(State of Charge,SOC),并考虑优化目标函数的约束条件,采用模型预测控制方法分配电池和超级电容的功率输出。然后,设计一种基于自适应等燃油消耗最小的能量管理策略。通过分析燃料电池、电池和超级电容的工作特性,采用低通滤波器,将需求功率划分为峰值功率与稳定部分需求功率,将峰值功率部分分配给超级电容,并以燃料电池氢燃料消耗最小为原则,采用等燃油消耗最小策略分配燃料电池和电池的功率输出。最后,通过仿真和实验对本文能量管理策略进行验证。结果表明,在分层能量管理策略作用下,电池和超级电容能缓解燃料电池压力,同时燃油经济性较Advisor自带策略提升了4.37%;在自适应模型预测控制作用下,电池输出功率低且平稳,超级电容SOC维持在合理范围内,与模型预测控制策略相比,进一步延长了电池寿命,提升了汽车动力性;在自适应等燃油消耗最小策略下,与等燃油消耗最小策略相比,燃料电池和电池输出功率低且平稳,氢燃料消耗较少,超级电容SOC能够维持在合理范围之内。


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