本發(fā)明屬于燃料電池混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具體涉及考慮碳排放的燃料電池混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)部件尺寸優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、目前，由于傳統(tǒng)的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法通常側(cè)重于動(dòng)力系統(tǒng)性能的優(yōu)化，而對(duì)碳排放和生產(chǎn)成本考慮不足，導(dǎo)致這種單一的優(yōu)化目標(biāo)在實(shí)際應(yīng)用中帶來(lái)了局限性，使得燃料電池混合動(dòng)力汽車在實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效益并不盡如人意。燃料電池混合動(dòng)力汽車雖采用氫氣這種清潔能源，卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的零排放、零污染。因此，如何在確保車輛動(dòng)力性能的前提下，進(jìn)一步降低燃料電池系統(tǒng)的生產(chǎn)成本和碳排放，仍是本領(lǐng)域中需著手解決的技術(shù)難題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中有待開(kāi)發(fā)更加全面的優(yōu)化方法，既能保證車輛動(dòng)力性能的卓越表現(xiàn)，又能有效降低生產(chǎn)成本和碳排放，以推動(dòng)燃料電池混合動(dòng)力汽車在市場(chǎng)中的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，針對(duì)本領(lǐng)域中所存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種考慮碳排放的燃料電池混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)部件尺寸優(yōu)化方法，具體包括以下步驟：

2、步驟一、針對(duì)燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)分別建立：燃料電池模型和動(dòng)力電池模型用于分別描述燃料電池氫耗量和動(dòng)力電池荷電狀態(tài)(state?of?charge,soc)，以及車輛瞬時(shí)功率需求模型；

3、步驟二、基于模型預(yù)測(cè)控制的思想建立車輛的能量管理策略，以soc作為狀態(tài)量，燃料電池與動(dòng)力電池的瞬時(shí)輸出功率為決策量；

4、步驟三、考慮燃料電池和動(dòng)力電池使用與更換成本，建立燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的部件成本函數(shù)；考慮與燃料電池和動(dòng)力電池尺寸相關(guān)的二氧化碳排放量，建立燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)等效二氧化碳排放量函數(shù)；以這兩個(gè)函數(shù)綜合達(dá)到最小為目標(biāo)，建立用于求解燃料電池與動(dòng)力電池的最佳尺寸配置的多目標(biāo)約束優(yōu)化問(wèn)題；

5、步驟四、利用步驟一建立的各模型、步驟二建立的能量管理策略以及車輛循環(huán)工況數(shù)據(jù)，通過(guò)執(zhí)行多種群灰狼算法求解步驟三建立的多目標(biāo)約束優(yōu)化問(wèn)題，最終得到燃料電池與動(dòng)力電池的最佳尺寸配置結(jié)果。

6、進(jìn)一步地，步驟一中所建立的燃料電池模型具體采用以下形式：

7、

8、其中，是燃料電池的耗氫量；lhv是氫氣的低熱值；ηfc為燃料電池的效率，可表示為成以下擬合形式：

9、ηfc＝0.2716；if?lr＜0.05

10、ηfc＝0.9033lr5-2.996lr4+3.6503lr3-2.0704lr2

11、+0.4623lr+0.3747；if?lr≥0.05

12、其中，是負(fù)載比，表示燃料電池的額定功率；

13、動(dòng)力電池模型具體采用以下形式：

14、

15、其中，soc(t)為瞬時(shí)荷電狀態(tài)，t為時(shí)間，δt為采樣時(shí)間，ηbatt為動(dòng)力電池充電/放電效率，pbatt(t)是動(dòng)力電池的瞬時(shí)輸出功率，是動(dòng)力電池額定容量；

16、車輛瞬時(shí)功率需求模型具體采用以下形式：

17、

18、其中，pload是燃料電池混合動(dòng)力汽車的需求功率；ηtran為傳動(dòng)效率；m是車輛質(zhì)量；v(t)是車速；是車輛加速度；cd是空氣阻力系數(shù)；ρ是空氣密度；a是車輛迎風(fēng)面積；θ是道路坡度；g是重力加速度；f是滾動(dòng)阻力系數(shù)；

19、燃料電池與動(dòng)力電池的輸出功率滿足以下關(guān)系：

20、pbatt(t)＝pload(t)-pfc(t)

21、其中，pbatt(t)是動(dòng)力電池的瞬時(shí)輸出功率，pbatt(t)＞0表示動(dòng)力電池處于放電狀態(tài)，pbatt(t)＜0表示動(dòng)力電池處于充電狀態(tài)；pfc(t)是燃料電池的瞬時(shí)輸出功率。

22、進(jìn)一步地，步驟二中建立的能量管理策略具體采用以下形式：

23、

24、其中，socmax表示soc的最大值；socmin表示soc的最小值；socinitial表示起始soc；socfinal表示終止soc；pbatt,max表示動(dòng)力電池最大輸出功率；pbatt,min表示動(dòng)力電池最小輸出功率；pfc,max表示燃料電池最大輸出功率；pfc,min表示燃料電池最小輸出功率；n是預(yù)測(cè)時(shí)域；ω1和ω2是能量管理策略目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)。

25、進(jìn)一步地，步驟三中建立的燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)部件成本函數(shù)具體采用以下形式：

26、g(x)＝costfc+costbatt+costfc-rep+costbatt-rep

27、其中，g(x)是混合動(dòng)力系統(tǒng)的部件成本；即待求解的燃料電池和動(dòng)力電池的尺寸配置，表示動(dòng)力電池額定容量，表示燃料電池的額定功率；costfc為燃料電池的成本；costbatt為動(dòng)力電池的成本；costfc-rep和costbatt-rep分別是燃料電池和動(dòng)力電池的更換成本；各部分成本具體通過(guò)以下公式確定：

28、

29、其中，cfc是燃料電池每單位額定功率所需的成本；cbatt是動(dòng)力電池每單位額定容量所需的成本；kbatt是動(dòng)力電池的固定成本；fvfc和fvbatt分別表示與未來(lái)更換燃料電池和動(dòng)力電池相關(guān)的成本值；j表示利率，是指用于計(jì)算未來(lái)成本現(xiàn)值的折現(xiàn)率；m是燃料電池的年壽命；l是動(dòng)力電池的年壽命；mrep是燃料電池的更換次數(shù)；lrep是動(dòng)力電池的更換次數(shù)。

30、進(jìn)一步地，步驟三中建立的等效二氧化碳排放量函數(shù)具體采用以下多項(xiàng)式形式：

31、

32、其中，f(x)是等效二氧化碳排放量；a1～a6均為擬合參數(shù)。

33、進(jìn)一步地，步驟三中建立多目標(biāo)約束優(yōu)化問(wèn)題首先將部件成本函數(shù)g(x)和等效二氧化碳排放量f(x)歸一化到[0,1]區(qū)間內(nèi)，得到和最終得到以下形式的多目標(biāo)約束優(yōu)化問(wèn)題：

34、

35、其中，代表平均需求功率；m1和m2代表權(quán)衡不同優(yōu)化指標(biāo)的系數(shù)。

36、進(jìn)一步地，步驟四在執(zhí)行多種群灰狼算法時(shí)，具體通過(guò)以下公式表示狼王狀態(tài)：

37、kα＝min(α1,α2,…,αl)

38、其中，kα表示狼王；αj(j＝1,…,l)表示第j個(gè)子種群中適應(yīng)度最優(yōu)的狼；l∈(1,s)表示將整個(gè)灰狼群分為l個(gè)子種群，是一個(gè)正整數(shù)，s表示灰狼個(gè)體在整個(gè)種群中的數(shù)量；

39、灰狼位置采用以下狼王反向引導(dǎo)的規(guī)則進(jìn)行更新：

40、

41、其中，是第j個(gè)種群中適應(yīng)度最低的灰狼的速度，其決定了灰狼在搜索空間中移動(dòng)的方向和幅度，代表了灰狼在當(dāng)前搜索迭代中的具體位置；w是學(xué)習(xí)系數(shù)，用于調(diào)整灰狼在更新位置時(shí)對(duì)過(guò)去經(jīng)驗(yàn)的依賴程度；c1與c2為兩個(gè)加速系數(shù)，用于控制灰狼向目標(biāo)位置移動(dòng)的速度；r1與r2是兩個(gè)隨機(jī)數(shù)，他們?cè)赱0,1]范圍內(nèi)取值；

42、設(shè)置以下隨機(jī)重組閾值用于觸發(fā)適應(yīng)度最低的子種群隨機(jī)重組：

43、q＝λe

44、其中，q表示隨機(jī)重組閾值，用于決定何時(shí)觸發(fā)隨機(jī)重組操作；λ∈(0,1)表示學(xué)習(xí)參數(shù)，用于控制算法中對(duì)歷史信息的學(xué)習(xí)力度；e為迭代的總次數(shù)。

45、本發(fā)明的方法可利用matlab/simulink軟件執(zhí)行各項(xiàng)建模、求解及仿真過(guò)程。

46、上述本發(fā)明所提供的考慮碳排放的燃料電池混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)部件尺寸優(yōu)化方法，其針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)中的燃料電池與動(dòng)力電池尺寸配置，設(shè)計(jì)了相關(guān)的電池成本和等效二氧化碳排放量綜合優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合燃料電池、動(dòng)力電池、車輛瞬時(shí)功率需求及能量管理策略的建模，并利用多種群灰狼算法求解多目標(biāo)約束優(yōu)化問(wèn)題。本發(fā)明的方法能夠有效平衡動(dòng)力性能、碳排放和生產(chǎn)成本之間的矛盾，通過(guò)優(yōu)化算法可以更精確地調(diào)整燃料電池以及動(dòng)力電池部件的尺寸配置，從而在滿足動(dòng)力系統(tǒng)性能需求的同時(shí)，最大限度地降低等效二氧化碳排放和生產(chǎn)成本，也有利于燃料電池混合動(dòng)力汽車在未來(lái)市場(chǎng)中的大規(guī)模推廣應(yīng)用。