《Energy Conversion and Management-X》：Adaptive energy management of dual-motor fuel cell hybrid buses under diverse real-world driving conditions
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工况特征三元组（condition feature triplet）引导同步的耦合模式（mode）、功率分配（power）与转矩分配（torque）控制决策。多任务（multi-head）能量管理策略（EMS）在全部四种真实路况类型下使燃料电池系统（FCS
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工况特征三元组（condition feature triplet）引导同步的耦合模式（mode）、功率分配（power）与转矩分配（torque）控制决策。多任务（multi-head）能量管理策略（EMS）在全部四种真实路况类型下使燃料电池系统（FCS）效率达到90%。模式切换时长缩短24.3%；峰值力偏移（peak force excursion）从390 N降至316 N。在全部四种场景下，总运行成本保持在离线动态规划（DP）参考值的6.2%以内。
论文解读
一、研究背景与问题
城市交通脱碳进程已将氢燃料电池混合动力公交车确立为一种技术成熟的零尾气排放平台，适用于短途及长线路运营服务。质子交换膜燃料电池系统（FCS）通过电化学反应将氢气转化为电能，唯一排气产物为水蒸气；车载锂离子电池则吸收瞬态功率波动并回收制动能量。由于两种能量源在动态上互补——FCS具有稳态效率优势，电池具有快速响应和高比功率能力——二者通过能量管理策略（EMS）的协调成为决定车辆效率、部件寿命与运行成本的首要因素。
双电机耦合动力系统（DMCP）通过同步器控制的齿轮组将牵引电机（TM）与辅助电机（AM）连接，提供两种机械耦合模式，具有不同的有效传动比及相应的电机转速-转矩运行区间。这使得EMS必须同时解决瞬时FCS-电池功率分配、耦合模式选择以及TM-AM转矩分配问题。这一混合整数控制问题无法由面向单电机架构的策略充分解决，后者决策仅简化为单一标量。
现有研究存在三个主要空白：其一，已发表的燃料电池混合动力公交车研究集中于单电机配置，控制问题简化为标量功率分配，而DMCP情形需要同时解决模式选择、功率分配与转矩分配，相关处理较少；其二，工况信息以离散类别而非连续值特征进入控制，且未同时作用于多个相互依赖的控制维度；其三，验证主要基于仿真或局限于单一路线族，工况驱动策略能否在不重新标定的情况下跨地形差异显著的路线迁移，仍是开放问题。
二、研究内容与结论
本研究针对在多样化地形与交通条件下运行、且无路线先验知识的DMCP燃料电池混合动力公交车，提出实时能量管理方法。研究构建了由一维卷积神经网络（1D-CNN）在线提取的三描述符连续工况表征，包括工况变化强度、负载强度水平和功率需求区间，取代离散类别分类。在此基础上设计三头策略网络，共享工况特征主干同时驱动模式偏好分类头、FCS功率参考回归头和转矩分配回归头，并采用复合损失函数平衡三个相互依赖目标的梯度幅值。研究还建立了经实验标定的DMCP整车模型，包含实测电机效率曲面、电池等效电路参数及FCS衰减率表达式，为全年真实运营数据的动态规划（DP）轨迹生成提供物理基础。最终在四条地理上不同的真实驾驶循环上采用单一参数集进行实验验证，无需逐场景重新标定。
研究结果表明：多任务EMS在全部四种路况类型下使FCS效率达到90%；模式切换时长缩短24.3%；峰值力偏移从390 N降至316 N；总运行成本在全部四种场景下保持在离线DP参考值的6.2%以内。
三、关键技术方法
研究采用的主要技术方法包括：基于一维卷积神经网络（1D-CNN）的连续工况特征提取，从时间窗口内的运行信号中产生紧凑的连续特征向量，同时捕捉频率内容与幅值分布；基于动态规划（DP）的全局最优轨迹生成，对全年真实运营数据在离散化状态空间上进行后向归纳，产生监督学习标签；三头策略网络架构，共享主干网络同时驱动模式分类头、FCS功率回归头与转矩分配回归头，并设计复合损失函数平衡梯度幅值；以及经实验标定的车辆模型，包含系统动态测试台实测的电机效率曲面、电池等效电路参数与FCS衰减率表达式，为DP轨迹生成提供物理基础。研究数据来源于12米燃料电池混合动力公交车的系统动态测试台标定及全年真实运营数据。
四、研究结果
4.1 连续工况表征与三头策略网络
研究提出三描述符连续工况表征，由一维卷积神经网络（1D-CNN）在线提取工况变化强度、负载强度水平和功率需求区间，提供对运行状态的连续分辨率，取代离散类别分类。三头策略网络以共享工况特征主干同时驱动模式偏好分类头、FCS功率参考回归头和转矩分配回归头，复合损失函数平衡三个目标的梯度幅值，避免某一目标主导共享表征。
4.2 实验验证与性能评估
在四条地理上不同的真实驾驶循环上采用单一参数集进行验证。结果表明多任务EMS在全部四种路况类型下使FCS效率达到90%，模式切换时长缩短24.3%，峰值力偏移从390 N降至316 N，总运行成本保持在离线DP参考值的6.2%以内，验证了策略跨地形迁移能力。
五、讨论与结论
研究指出，现有工况响应控制方法存在类别瓶颈，将连续运行状态压缩为三四个标签会丢弃类别内变化，且标签到控制参数的映射为分段常数，控制器对交通特征渐变响应为类别边界的间断而非比例调整。本研究以连续表征为出发点，避免了这一问题。研究还强调，多任务框架中损失加权并非装饰性选择：分类损失与两个回归损失产生不同量级的梯度，若无显式平衡，单一目标将主导共享表征。DMCP中模式选择、FCS-电池分配与电机间转矩分配的三方交互要求将头部权重作为设计变量而非默认值。
研究结论表明，所提出的连续工况表征与三头策略网络能够在不需路线先验知识的情况下，以单一参数集在四条地形不同的真实路线上实现接近离线DP参考的运行成本，同时保持高FCS效率、改善模式切换质量并降低峰值力偏移，为DMCP燃料电池混合动力公交车的实时自适应能量管理提供了有效方案。
