一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法及系统，方法具体步骤为：建立系统故障树，确定底层零部件故障率范围和失效概率函数，根据零部件故障率范围确定地产生相应sigma点和对应权值，确定每次仿真总时间，将总时间等分为时间段，代入一个sigma点数据，随机抽样产生每个零部件的失效概率，计算得出相应失效时间，结合系统故障树函数，得到系统故障时间，多次仿真后，统计故障时间数据，剔除超出偏差范围的仿真数据，根据每个sigma点代入仿真后的结果和相应权值，估计出系统可靠性指标的期望值；本发明专利技术方法克服了无迹变换对于高度非线性系统计算精度大为降低的弱点，也大大减少了蒙特卡洛仿真次数，节约了时间和硬件成本。

A Reliability Simulation Analysis Method and System for Fuel Cell System

The invention discloses a reliability simulation analysis method and system for fuel cell system. The specific steps of the method are: establishing a system fault tree, determining the fault rate range and failure probability function of underlying components, generating corresponding sigma points and corresponding weights according to the fault rate range of components, determining the total time of each simulation, dividing the total time into time periods, and substituting the total time into a sigma period. The failure probability of each component is generated by random sampling, and the corresponding failure time is calculated. Combined with the system fault tree function, the system failure time is obtained. After many simulations, the fault time data is counted, the simulation data beyond the deviation range is eliminated, and the expected value of the system reliability index is estimated by substituting the simulation results and corresponding weights for each Sigma point. The method overcomes the disadvantage that the calculation accuracy of the highly nonlinear system is greatly reduced by the traceless transformation, greatly reduces the number of Monte Carlo simulation, saves time and hardware costs.

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法及系统
本专利技术涉及输入量非定值的非线性复杂系统可靠性分析
，具体涉及一种质子交换膜燃料电池长时运行时使用概率模型仿真分析其可靠性的方法及系统。
技术介绍
燃料电池是一种电化学能源转化装置，它将燃料和氧化剂的化学能经电化学反应方式直接转化为电能和热能以供应能量，不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高；环境友好，反应物清洁，无氮氧化物和硫氧化物排放；配置机动灵活，振动和噪声小。因此，燃料电池被认为是21世纪能源技术开发的热点。燃料电池系统复杂，其电子设备和元器件种类繁多，电磁干扰环境恶劣，在实际运行或台架实验中难免会发生各种故障。燃料电池中大部分组成部件是早已应用于其它领域的成熟产品，因此，燃料电池特性应从部件着手，进行综合分析。燃料电池性能衰减主要从各个部件的退化开始，质子交换膜、催化剂、电极、双极板和密封材料等都可能发生老化，而电池的辅助单元包含气、水、热管理单元，以及电池的监控单元更是高度复杂的动态系统。任何一个设备或元器件的失效都会影响燃料电池系统正常运行。因此，对燃料电池开展可靠性研究，对促进其今后的产业化发展具有重大意义。可靠性是指产品或设备在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，系统可靠性评估一直是可靠性工程的重要研究内容之一。由于燃料电池系统联调试验耗费时间和各种成本；且系统复杂，仅通过试验不利于排查故障，无法分析基本设备、元器件可靠性对于系统可靠性的影响，因此需借助于仿真模拟方法来分析其可靠性。燃料电池系统规模较大，难以用数学模型直接描述；并且其中元件故障率受各种因素影响会在一定范围内波动而非定值，因此，燃料电池系统可靠性指标难以精确求得解析值，可采用概率方法得到估计值。无迹变换作为一种将已知概率分布的输入变量通过非线性变换得到函数值的期望和协方差的方法，对于一般非线性函数计算精度较高，但是燃料电池系统输入变量包括各元件故障率和失效概率，属于高度非线性系统，单纯采用无迹变换方法并不适用。蒙特卡洛作为一种将已知概率分布的输入变量进行随机抽样，将统计处理结果作为问题近似解的方法，当各元件故障率和失效概率同时作为输入变量时，抽样和仿真次数过多，计算效率低。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的之一是提供一种基于概率分布模型的燃料电池系统的可靠性仿真分析方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法，具体包括下述步骤：步骤一，建立底层零部件数量为M的系统故障树，由零部件的故障规律确定每个零部件的失效概率函数Fi(t)和每个零部件的故障率变化范围[λiL，λiU](i＝1，2，3，…，M)，进而得到系统结构函数P，通过函数P可获知每个基本零部件失效后系统能否正常运行；所述的系统结构函数P＝x1x2+x3x4+x5+x6+x7+…x34+x35，其中用xi表示每个零部件工作状态：xi＝0表示零部件正常，xi＝1表示零部件故障；步骤二，基于无迹变换方法产生零部件故障率向量对应的sigma点和对应权值：根据零部件故障率的概率分布特征确定地产生(2M+1)个sigma点作为无迹变换方法的采样点，每个sigma点对应一个故障率向量(λ1，λ2，…，λM)，并产生每个sigma点的相应权值Wi；步骤三，对于每一个sigma点，将零部件的故障率向量作为蒙特卡洛仿真的已知输入，对系统可靠性指标进行N次蒙特卡洛仿真，将(2M+1)个sigma点分别代入，对应仿真总次数为N×(2M+1)；在程序中将仿真总时间即N次仿真中系统运行的最长时间Tmax进行n等分，可得到n个时间段：{(0～T1)，(T1～T2)，(T2～T3)，…，(Tn-1～Tn)}；步骤四，每次仿真中，对M个零部件的失效概率进行随机抽样，计算出零部件失效时间ti(i＝1，2，3，…，M)，结合系统结构函数P，计算出系统无故障运行时间t；步骤五，对于每一个sigma点，将步骤四重复N次，得到N次仿真中每一次系统无故障运行时间t1、t2、t3、…，tN，根据概率论的中心极限定理和质量控制标准(例如3σ准则、6σ准则)剔除t1～tN中超出偏差范围的数据，剩余V次仿真的数据；步骤六，对于每一个时间段(0，Td)(d＝1，2，3，…，n)，统计tk(k＝1，2，3，…，V)中小于等于Td的个数Cd，则系统失效概率函数为：系统平均无故障运行时间MTBF为：步骤七，将(2M+1)个sigma点分别代入，重复步骤三～步骤六，求得(2M+1)组可靠性指标；按照如下公式对指标值进行加权处理，估计出系统可靠性指标的期望值：所述的一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法，其零部件数量M为35，由电堆单元、气体管理单元、水热管理单元和监控单元四部分组成；所述的电堆单元包括膜电极、双极板与密封件、集流板与绝缘板、端板与紧固件；所述的气体管理单元包括电磁阀1、电磁阀2、电磁阀3、电磁阀4、电磁阀5、电磁阀6、压力传感器1、压力传感器2、汽水分离器1、汽水分离器2；所述的水热管理单元包括温度传感器1、温度传感器2、压力传感器、流量传感器1、流量传感器2、电导率传感器1、电导率传感器2、水泵1、水泵2、水箱、去离子设备1、去离子设备2、换热器；所述的监控单元包括电流传感器、接触器1、接触器2、二极管及散热器、放电电阻、电压传感器、主控制器、单电压巡检板。进一步，设定每个零部件的的故障规律均符合指数分布，则第i个零部件的失效概率函数Fi(t)为：所述的一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法，其步骤二中sigma点和相应权值根据如下公式产生：式中，S0为中心采样点，Si和S(i+M)为第i对对称的采样点；为零部件故障率的均值向量，Pλ为零部件故障率的协方差矩阵，向量维数M＝35，表示矩阵的平方根的第i行或第i列；Wi为每个sigma点的权值，且满足所述的一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法，其步骤三中n个时间段的等分时间间隔为1h。所述的一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法，其步骤四中对于每一个sigma点，根据蒙特卡洛随机抽样原理，在第k(k＝1，2，3，…，N)次仿真模拟中，对每一个底层零部件的失效概率在[0，1]内进行随机抽样，得出零部件的失效概率分别为εik(i＝1，2，3，…，M)，由Fi(t)的反函数Fi-1(εik)可计算得出零部件的失效时间tik，将tik按照从小到大的顺序排列t′1k≤t′2k≤t′3k≤…≤t′35k，结合系统结构函数P，按时间先后依次计算t′1k、t′2k、t′3k、…、t′35k时刻系统状态P；若某一时刻系统状态P＝0，则继续计算下一时刻系统状态；若某一时刻系统状态P≠0，则第k次仿真结束，记录下失效时间tk。所述的一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法，其步骤五中由样本平均值和方差按照3σ准则，根据下列公式剔除超出偏差范围的数据，剩余V次仿真的数据：本专利技术的目的之二是提供一种考虑元件故障率变化的燃料电池系统可靠性仿真分析系统，包括：sigma点采样模块，用于确定地产生能体现零部件故障率分布规律的向量，具体为：由零部件故障率的概率分布特征确定地产生(2M+1)个sigma点作为无迹变换方法的采样点，每个sigma点对应一个故障率向量(λ1，λ2，…，λ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法，其特征在于：包括以下步骤步骤一，建立底层零部件数量为M的系统故障树，由零部件的故障规律确定每个零部件的失效概率函数Fi(t)和每个零部件的故障率变化范围[λiL，λiU](i＝1，2，3，…，M)，进而得到系统结构函数P，通过函数P可获知每个基本零部件失效后系统能否正常运行；所述的系统结构函数P＝x1x2+x3x4+x5+x6+x7+…x34+x35，其中用xi表示每个零部件工作状态：xi＝0表示零部件正常，xi＝1表示零部件故障；步骤二，根据零部件故障率的概率分布特征确定地产生(2M+1)个sigma点作为无迹变换方法的采样点，每个sigma点对应一个故障率向量(λ1，λ2，…，λM)，并产生每个sigma点的相应权值Wi；步骤三，对于每一个sigma点，将零部件的故障率向量作为蒙特卡洛仿真的已知输入，对系统可靠性指标进行N次仿真，将仿真总时间Tmax指定为T小时，对Tmax等分为n个时间段：{(0～T1)，(T1～T2)，(T2～T3)，…，(Tn‑1～Tn)}；步骤四，每次仿真中，对M个零部件的失效概率进行随机抽样，计算出零部件失效时间ti(i＝1，2，3，…，M)，结合系统结构函数P，计算出系统无故障运行时间t；步骤五，得到N次仿真中每一次系统无故障运行时间t1、t2、t3、…，tN，根据概率论的中心极限定理和质量控制标准剔除t1～tN中超出偏差范围的数据，剩余V次仿真的数据；步骤六，对于每一个时间段(0，Td)(d＝1，2，3，…，n)，统计tk(k＝1，2，3，…，V)中小于等于Td的个数Cd，则系统失效概率函数为：...

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法，其特征在于：包括以下步骤步骤一，建立底层零部件数量为M的系统故障树，由零部件的故障规律确定每个零部件的失效概率函数Fi(t)和每个零部件的故障率变化范围[λiL，λiU](i＝1，2，3，…，M)，进而得到系统结构函数P，通过函数P可获知每个基本零部件失效后系统能否正常运行；所述的系统结构函数P＝x1x2+x3x4+x5+x6+x7+…x34+x35，其中用xi表示每个零部件工作状态：xi＝0表示零部件正常，xi＝1表示零部件故障；步骤二，根据零部件故障率的概率分布特征确定地产生(2M+1)个sigma点作为无迹变换方法的采样点，每个sigma点对应一个故障率向量(λ1，λ2，…，λM)，并产生每个sigma点的相应权值Wi；步骤三，对于每一个sigma点，将零部件的故障率向量作为蒙特卡洛仿真的已知输入，对系统可靠性指标进行N次仿真，将仿真总时间Tmax指定为T小时，对Tmax等分为n个时间段：{(0～T1)，(T1～T2)，(T2～T3)，…，(Tn-1～Tn)}；步骤四，每次仿真中，对M个零部件的失效概率进行随机抽样，计算出零部件失效时间ti(i＝1，2，3，…，M)，结合系统结构函数P，计算出系统无故障运行时间t；步骤五，得到N次仿真中每一次系统无故障运行时间t1、t2、t3、…，tN，根据概率论的中心极限定理和质量控制标准剔除t1～tN中超出偏差范围的数据，剩余V次仿真的数据；步骤六，对于每一个时间段(0，Td)(d＝1，2，3，…，n)，统计tk(k＝1，2，3，…，V)中小于等于Td的个数Cd，则系统失效概率函数为：系统平均无故障运行时间MTBF为：步骤七，将(2M+1)个sigma点分别代入，重复步骤三～步骤六，求得(2M+1)组可靠性指标；按照如下公式对指标值进行加权处理，估计出系统可靠性指标的期望值：2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法，其特征在于，所述零部件数量M为35，由电堆单元、气体管理单元、水热管理单元和监控单元四部分组成；所述的电堆单元包括膜电极、双极板与密封件、集流板与绝缘板、端板与紧固件；所述的气体管理单元包括电磁阀1、电磁阀2、电磁阀3、电磁阀4、电磁阀5、电磁阀6、压力传感器1、压力传感器2、汽水分离器1、汽水分离器2；所述的水热管理单元包括温度传感器1、温度传感器2、压力传感器、流量传感器1、流量传感器2、电导率传感器1、电导率传感器2、水泵1、水泵2、水箱、去离子设备1、去离子设备2、换热器；所述的监控单元包括电流传感器、接触器1、接触器2、二极管及散热器、放电电阻、电压传感器、主控制器、单电压巡检板。3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法，其特征在于，设定每个零部件的的故障规律均符合指数分布，则第i个零部件的失效概率函数Fi(t)为：4.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：周蕾，袁斌，范晶，夏丰杰，张海波，
申请(专利权)人：武汉船用电力推进装置研究所中国船舶重工集团公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42