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研究背景

近年来，燃料电池混合动力系统因其高效率和零排放特性，在轨道交通、汽车等领域受到广泛关注。然而，该系统通常由燃料电池和动力电池共同构成，两者在工作机理与衰减机制上存在显著差异：燃料电池寿命受频繁变载和启停影响较大，而动力电池的衰减则与充放电深度、电流倍率等因素密切相关。传统能量管理策略多以提高瞬时经济性为核心，忽略了双动力源寿命衰减的非同步性问题，导致系统整体耐久性下降、生命周期缩短，全寿命周期内的经济性亦难以保障。

论文所解决的问题及意义

为了解决上述存在问题，研究团队提出一种基于工况预测和动力源寿命衰减协同的优化策略。该策略能在保证燃料经济性的前提下，实现双动力源寿命衰减协同控制效果，延长系统运行生命周期。

图1 PEMS优化控制原理流程

论文方法及创新点

1、基于马尔可夫链蒙特卡洛方法的有轨电车工况预测

进行工况预测的最终目的是为有轨电车能量管理策略做铺垫，对工况进行多步预测从而为优化系统能量分配提供更多信息。

图2  负载功率转移概率矩阵计算流程

2、多目标优化

在瞬时优化控制策略的优化过程中，可以通过 加权因子引入燃料消耗、燃料电池寿命、动力电池寿命等多个目标进行多方面的折中综合优化，同时 建立了一个包括经济模型和寿命模型的系统模型，兼顾多目标进行优化以提高燃料电池的耐用性并最大限度地降低成本，构建了整车能量管理策略框架。

图3 权重动态调整流程

3、结果分析

为了验证所提能量管理策略策略的有效性和优越性，利用Matlab/Simulink中的Simpowersystem 工具箱搭建混合动力系统模型，并与传统ECMS以及EEMS能量管理策略进行对比，结果如图所示。

图4 三种策略下的氢气消耗量和锂电池SOC对比

图5 三种策略双动力源寿命衰减率对比

结论

1）PEMS通过上层工况预测与下层能量管理的结合，克服了传统策略燃料经济性不佳和动力源性能衰减高度不一致的缺点，实现了燃料经济性的提升、动力源寿命衰减协同和系统效率的提升。

2）与ECMS相比，燃料经济性和系统效率分别提升了13.46%和5.2%；与EEMS相比，经济性接近，双动力源寿命衰减率差值减小了95.42%，系统效率提升了2.4%。

3）所提策略控制结构简单、易于实现，通过仿真在线验证了其有效性和优越性，具有一定的工程实际应用价值，可以为燃料电池混合动力机车系统设计及能量管理优化提供参考。