一种燃料电池系统的寿命预测及维护方法技术方案

本发明专利技术提供了一种燃料电池系统的寿命预测方法，包括以下步骤：分电流区间获取燃料电池系统在不同时点的平均单片电压和最低单片电压；分电流区间计算不同时点平均单片电压和最低单片电压的电压偏差值；判断电压偏差值处于线性区域或非线性区域；按照电压偏差值所处的区域，分电流区间得出最低单片电压随时间的变化公式，并以最低单片电压降至预设阈值的时间作为预期寿命终止时间；基于各个电流区间下的预期寿命终止时间，得出期望寿命。基于以上寿命预测方法，本发明专利技术还提供了一种燃料电池系统的维护方法，在达到寿命终止时间后更换部分燃料电池单片。本发明专利技术的方法有效解决了电堆寿命衰减预测过程中的非线性拐点和不一致性的问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池系统的寿命预测及维护方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别是涉及一种燃料电池系统的寿命预测及维护方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池的工作原理是氢气和氧气发生电化学反应，生成水的同时输出电能。由于燃料电池单体的电压通常小于1V，在实际应用时，需要将上百片单体电池串联组成燃料电池电堆，并匹配相应的外围附件，构成燃料电池系统。
[0003]寿命是燃料电池系统的核心指标之一。燃料电池系统运行过程中，由膜串漏、碳腐蚀和活性面积下降等因素导致的衰减问题，基本都呈现出先线性后加速的特征。同时，由于电堆通常由数百片单体电池组成，通常衰减会首先出现在某一片或某几片单体电池中。因此非线性和不一致性两个因素是燃料电池系统寿命预测和识别的难点。现有的燃料电池系统寿命预测方法通常利用工况组合法或者模型的方法来进行预测。但由于对加速衰减区域的识别和拟合不足、燃料电池堆一致性差等问题，导致对燃料电池系统寿命的预测精度低，无法为燃料电池系统的可靠运行提供有效的指导。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供一种燃料电池系统的寿命预测及维护方法，解决电堆寿命衰减预测过程中的非线性拐点和不一致性的问题。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供了一种燃料电池系统的寿命预测方法，所述方法包括：S1：分电流区间获取燃料电池系统在不同时点的平均单片电压和最低单片电压；S2：分电流区间计算不同时点平均单片电压和最低单片电压的电压偏差值；S3：判断电压偏差值处于线性区域或非线性区域；S4：按照电压偏差值所处的区域，分电流区间得出最低单片电压随时间的变化公式，并以最低单片电压降至预设阈值的时间作为预期寿命终止时间；S5：基于各个电流区间下的预期寿命终止时间，得出期望寿命。
[0006]在一些实施例中，以上技术方案中所述“分电流区间”是指在0~2000A/cm2的范围内，每100A/cm2作为一个电流区间。
[0007]在一些实施例中，步骤S3中通过如下方式判断电压偏差值处于线性区域或非线性区域：S31：对电压偏差值进行线性拟合；S32：对电压偏差值进行非线性拟合；S33：计算线性拟合的拟合效果值R1和非线性拟合的拟合效果值R2，根据拟合效果值判定电压偏差值处于线性区域或非线性区域；具体的，步骤S31、S32中所述的拟合具体为移动窗式数据拟合，优选的，所述移动
窗式数据拟合以300小时作为一个窗口。
[0008]具体的，步骤S32中所述非线性拟合优选为指数拟合，得到拟合公式
∆
U=m
·
e
n
·
t
，其中
∆
U为电压偏差值，m、n为拟合系数，t为时间。
[0009]具体的，步骤S33中所述的拟合效果值选自和方差SSE，确定系数R
‑
square，或均方差MSE中的任意一种。更具体的，步骤S33中当(R1‑
R2)/R1>C时，则判定处于线性区，否则则判定处于非线性区；其中C为选自1.6~2.4的常数，优选C=2。
[0010]在另外一些实施例中，步骤S3中还可以通过如下方式判断电压偏差值处于线性区域或非线性区域：当
∆
U<r
·
K时，则判定处于线性区，否则则判定处于非线性区；其中
∆
U为电压偏差值，1.5<r<3，r优选为2，K为电压偏差常数，初始值和出厂时的电堆单片间的一致性相关，通常为5~10mV。
[0011]在一些实施例中，步骤S4中最低单片电压随时间的变化公式通过以下方式确定：当电压偏差值处于线性区域时，按照公式U
min
=h
·
t+i对最低单片电压进行线性拟合，其中U
min
为最低单片电压，h、i为拟合系数，t为时间；当电压偏差值处于非线性区域时，按照公式U
min
=h
·
t+i+m
·
e
n
·
t
对最低单片电压进行非线性拟合，其中U
min
为最低单片电压，h、i、m、n为拟合系数，t为时间。
[0012]在一些实施例中，步骤S4中所述预设阈值可以设置为出厂单片电压的80~90%，优选设为90%。
[0013]在一些实施例中，步骤S5中以额定电流区间下的预期寿命终止时间作为期望寿命。
[0014]在一些实施例中，步骤S5中以平均电流区间下的预期寿命终止时间作为期望寿命。其中，“平均电流区间”是指在进行寿命预测时，实际统计得出的电流区间。
[0015]同时，本专利技术还提供了一种燃料电池系统的维护方法，采用上述燃料电池系统的寿命预测方法预测寿命，在达到期望寿命时，更换电压值在预设阈值以下的燃料电池单片。
[0016]本专利技术的有益效果为：本专利技术提供了一种燃料电池系统的寿命预测方法，根据获取的平均单片电压和最低单片电压判断电堆所处的状态，并根据不同的状态采用不同的拟合公式进行寿命预测。相较于现有技术，本专利技术的方法有效解决了电堆寿命衰减预测过程中的非线性拐点和不一致性的问题，提高对燃料电池加速衰减区域的识别和拟合，综合考量了不同电流区间多个单体电池之间的不一致性，从而有效提高了寿命预测结果的准确性。本方法预测精度高，适用于燃料电池寿命预测以及对电堆的健康状态进行监控。
附图说明
[0017]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1为本专利技术的寿命预测方法的流程示意图。
具体实施方式
[0018]下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，
只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本专利技术构思的专利技术创造均在保护之列。
[0019]如图1所示，本专利技术提供了一种燃料电池系统的寿命预测方法，以下对各个步骤进行说明：S1：分电流区间获取燃料电池系统在不同时点的平均单片电压和最低单片电压。在不同的电流区间下，燃料电池将表现出不同的衰减特性，电池寿命会产生比较明显的差异，因此本专利技术采集了不同电流区间下的电压数据。具体的，本实施例在0~2000A/cm2的范围内，每100A/cm2作为一个电流区间，共采集了20组数据；其中，“平均单片电压”指的是燃料电池总电压除以总电堆片数得到的电压值，“最低单片电压”则指的是电堆各片中的最低电压值。
[0020]S2：分电流区间计算不同时点平均单片电压和最低单片电压的电压偏差值。由于燃料电池的衰减通常首先体现在个别的单片中，因此平均单片电压和最低单片电压的电压偏差值随时间的变化规律能够体现燃料电池的衰减情况。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统的寿命预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：分电流区间获取燃料电池系统在不同时点的平均单片电压和最低单片电压；S2：分电流区间计算不同时点平均单片电压和最低单片电压的电压偏差值；S3：判断电压偏差值处于线性区域或非线性区域；S4：按照电压偏差值所处的区域，分电流区间得出最低单片电压随时间的变化公式，并以最低单片电压降至预设阈值的时间作为预期寿命终止时间；S5：基于各个电流区间下的预期寿命终止时间，得出期望寿命。2.如权利要求1所述的一种燃料电池系统的寿命预测方法，其特征在于，所述分电流区间是指在0~2000A/cm2的范围内，每100A/cm2作为一个电流区间。3.如权利要求1所述的一种燃料电池系统的寿命预测方法，其特征在于，步骤S3中通过如下方式判断电压偏差值处于线性区域或非线性区域：S31：对电压偏差值进行线性拟合；S32：对电压偏差值进行非线性拟合；S33：计算线性拟合的拟合效果值R1和非线性拟合的拟合效果值R2，根据拟合效果值判定电压偏差值处于线性区域或非线性区域。4.如权利要求3所述的一种燃料电池系统的寿命预测方法，其特征在于，步骤S31、S32中的拟合方式为移动窗式数据拟合，所述移动窗式数据拟合以300小时作为一个窗口；步骤S32中所述非线性拟合为指数拟合，得到拟合公式
∆
U=m
·
e
n
·
t
，其中
∆
U为电压偏差值，m、n为拟合系数，t为时间。5.如权利要求3所述的一种燃料电池系统的寿命预测方法，其特征在于，步骤S33中当(R1‑
R2)/R1>C时，则判定处于线性区，否则则判定处于非线性区，其中C为选自1.6~2.4的常数；所述的拟合效果值选自和方差SSE，确定系数R
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：赵兴旺，周鹏飞，
申请(专利权)人：北京亿华通科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：