一种氢燃料电池混合动力机车的储氢系统优化方法

本发明属于燃料电池，特别是涉及一种氢燃料电池混合动力机车的储氢系统优化方法。

背景技术：

1、随着环保和能源效率的日益重要，氢燃料电池混合动力机车作为一种清洁、高效的交通工具引起了广泛关注。这些机车使用氢气作为燃料，经由氢燃料电池产生电能，从而驱动电动机推动机车。相较于传统的内燃机动车，氢燃料电池机车具有零排放、低噪音和更高的能源利用效率，使其成为未来可持续交通的有希望解决方法。

2、传统的氢燃料电池混合动力机车储氢系统使用不同的储氢方式，包括高压气态、低温液态、有机物液态和金属固态等。然而，选择最适合不同机车和工况的储氢方式仍然是一个复杂的问题。此外，储氢系统的成本和安全性也需要考虑。因此，有必要提出一种综合的、系统化的优化方法，以确定最佳的储氢方式，从而提升氢燃料电池混合动力机车的性能和经济性。

3、确定每种机车最适合采用哪种储氢方式是一个复杂的多标准决策问题，现有的方法包括经验法、试验和测试、专家意见和成本效益分析等。

4、经验法：该方法是一种常见的方法，机车制造商和运营商通常会根据以往的经验和试验来选择储氢技术方法。然而，这种方法可能会导致局部的、非系统化的决策，缺乏综合性能评估。

5、试验和测试：一些机车制造商可能会进行试验和测试，以确定最佳的储氢技术方法。这涉及制造原型机车并进行实际测试。尽管这提供了有用的数据，但需要大量时间和资源。

6、专家意见：机车领域的专家可能会提供关于储氢技术方法的建议。然而，这种方法依赖于专家的经验和判断，可能受到主观性的影响。

7、成本效益分析：基于成本和效益的分析可以用来比较不同储氢技术方法的经济性。这种方法考虑到成本、维护费用和性能，但可能未充分考虑安全性和可持续性。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种氢燃料电池混合动力机车的储氢系统优化方法，是一种更综合、系统化的来选择最适合不同机车和工况的储氢方式，以解决这些挑战并提高机车性能、经济性和可持续性。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种氢燃料电池混合动力机车的储氢系统优化方法，高压气态、低温液态、有机物液态和金属固态四种储氢方式在机车车载工况下的适用性不同，且不同类型机车在不同工况下运行对车载储氢系统的需求也不同，考虑到上述因素选择最适合不同机车类型和工况的储氢方式，包括步骤：

3、s100，定义决策目标并确定车载储氢综合适配度影响因子；

4、s200，构建不同机车类型和工况下的判定矩阵并进行一致性检验将每种机车的判定矩阵归一化处理再按行组合得到权重矩阵；

5、s300，接收车载储氢方式一般性评分矩阵并进行正向化处理，蒙特卡洛模拟法以正态分布生成n个数据集；

6、s400，通过优劣解距离法计算每种方案的综合适配度并排序，记录结果，直至迭代次数为n；

7、s500，根据n次迭代结果匹配最佳选择并输出结果。

8、进一步的是，在所述步骤s100中，所述决策目标为选择最适合每种机车的储氢方式；

9、所述车载储氢综合适配度影响因子为影响机车设计和性能的储氢系统关键指标。

10、进一步的是，在所述步骤s200中，所述判定矩阵根据机车类型和工况的不同而改变，用于描述各个车载储氢综合适配度影响因子的相对重要性程度；

11、所述一致性检验为对判定矩阵的合理性和一致性进行校验；

12、所述权重矩阵为将判定矩阵按行归一化后，将每个判定矩阵的第一行组合而得。

13、进一步的是，在所述步骤s200中，构建不同机车类型和工况下的判定矩阵ckcyc并进行一致性检验，将k种机车和工况类型的判定矩阵归一化处理再按行组合得到权重矩阵w，包括步骤：

14、s201：初始化各个子系统，循环次数kcyc＝1；

15、s202：识别第kcyc种机车和工况类型；

16、s203：为获得权重矩阵，需要先得到k个判定矩阵并对每个判定矩阵进行一致性检验以确保权重的合理性；

17、s204：对判定矩阵归一化得到再计算其每一列的平均值得到权重矩阵的kcyc行；

18、s205：判断是否kcyc＝k，若是，则结束，若否，则返回s203，直至求得k组机车和工况类型的权重向量并构成权重矩阵

19、进一步的是，所述s203中一致性检验方法包括步骤：

20、s2031：确定权重的相对重要性构建判定矩阵判定矩阵ci,j是矩阵判定矩阵的第i行第j列元素，表示第i个准则相对于第j个准则的相对重要性，其中i,j＝1,2,...,n；

21、s2032：计算矩阵的特征向量α和特征值λ，记录最大特征值λmax；

22、s2033：计算的一致性指标ci从而计算一致性比例cr，其中ci用于度量中权重的相对一致性，cr用于判断是否满足要求；

23、s2034：判断是否cr≤t，t为预先确定的阈值，若是，则执行s204，若否，则返回s2301，重新接收判定矩阵直到获得一致性的判定矩阵。

24、进一步的是，在所述步骤s300中，所述车载储氢方式一般性评分矩阵为将高压气态、低温液态、有机物液态和金属固态四种储氢方式在储氢系统关键指标的一般性能表现的数值化评分按行组成而得；

25、所述正向化处理为将一般性评分矩阵按列转化为极大型指标数据以减小计算量；

26、所述指蒙特卡洛模拟法，通过随机抽样和统计分析来模拟多标准决策问题，通过大量的随机抽样来逼近问题的解，使结果更接近真实情况。

27、进一步的是，在所述步骤s300中，包括步骤：

28、s301:接收车载储氢方式的一般性评分矩阵；车载储氢方式的一般性评分矩阵为将高压气态、低温液态、有机物液态和金属固态四种储氢方式在储氢系统关键指标(l1,l2,...,ln)的一般性能表现的数值化评分按行组成得到b＝[bi,j]∈r4×n(i＝1,...,4,j＝1,2,...,n)，bi,j表示第i种储氢方式的第j个指标的一般性评分；

29、s302:对b的每个列向量指标类型进行分类再按列转化为极大型指标数据；所述分类包含极大型、极小型、中间型和区间型指标；

30、s303:将已经正向化的数据进行标准化处理，转化后的标准化评分矩阵为

31、s304:假设四种储氢方式的每个性能指标的分布都符合正态分布，通过蒙特卡洛模拟法将4种储氢方式下的标准化评分向量(bpf(1,:),bpf(2,:),bpf(3,:),bpf(4,:))以正态分布生成4个n×n的数据集，标准分布如下：

32、

33、其中，为第j个性能指标的第i个数据，为第j个性能指标的测量数据，表示第p种储氢方式的数据集，p＝1，2，3，4。

34、进一步的是，在所述步骤s400中，诉讼优劣解距离法，通过计算，评估方案系统中任何一个方案距离理想最优解和最劣解的综合距离以确定最佳方案。

35、进一步的是，在所述步骤s400中，通过优劣解距离法计算每种方案的综合适配度步骤包括：

36、s401，构建优劣解距离法评分矩阵

37、

38、其中，p为储氢方式序号，p＝1，2，3，4分别代表高压气态、低温液态、有机物液态和金属固态4种储氢方式，表示第p种储氢方式的第ncyc个性能指标标准化评分数据集；

39、s402：根据求解最优解向量和最劣解向量

40、s403：根据和求解最优解距离和最劣解距离

41、s404：判断是否ncyc＝n，若是，则继续判断是否kcyc＝k，若否，则返回s401，采用新的数据集求解综合距离dp直至在第kcyc种机车与工况类型下的4种储氢方式的数据集都经过优劣解距离法计算；判断是否kcyc＝k，若是，则将每个机车和工况类型的4种储氢方式的综合距离dp的平均值输出，若否，则返回s401，继续计算下一机车和工况类型的4种储氢方式的综合距离dp的平均值。

42、进一步的是，在所述步骤s500中，根据n次迭代结果匹配最佳选择并输出结果为需要对n个数据集都进行优劣解距离法计算并记录结果，选取平均综合适配度最高的方案并输出。

43、采用本技术方案的有益效果：

44、本发明在满足铁路机车运行技术条件的基础上，选择最佳的储氢方式，以满足不同机车类型和工况的需求，提升氢能源混合动力机车车载储氢系统的能量密度、续航里程、并降低使用成本，推动氢燃料电池混合动力机车在铁路交通中的可持续应用。

45、本发明旨在系统性地选择不同机车类型和不同工况下的最佳车载储氢方式。本发明综合优劣解距离法(topsis)和蒙特卡洛模拟法(mcs)深入分析了高压气态、低温液态、有机物液态和金属固态四种储氢方式在机车车载工况下的适用性，并根据对车载储氢方式的不同需求评估四种储氢方式综合性能指标，在满足铁路机车运行技术条件的前提下，选择综合适配度最高的储氢方式作为机车车载储氢最佳技术方案，从而提高机车车载储氢系统的能量密度、续航里程，并降低使用成本。

46、本发明具有更准确的决策：本发明结合优劣解距离法(topsis)和蒙特卡洛模拟法(mcs)，能够从多个角度综合评估不同储氢方式的性能，结果置信度更高，决策更加准确和全面。

47、本发明能够进行风险管理：mcs能够模拟系统的不确定性，帮助管理风险，确保所选储氢方式在不同情况下都能有较好的性能；

48、本发明可以实现系统性决策：本发明允许制定系统性的决策，将不同机车和工况的需求和约束纳入考虑，以找到最佳储氢方式。