一种质子交换膜燃料电池健康状态估计方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种质子交换膜燃料电池健康状态估计方法及系统。该发明专利技术包括确定燃料电池的极化曲线；根据设定控制范围内的控制参数以及燃料电池的基本参数确定燃料电池的输出电压与电流密度及膜厚度的关系；根据输出电压与电流密度及膜厚度的关系和极化曲线，采用逆向拟合的方法，确定膜厚度与运行时间的映射关系；利用傅里叶拟合的方法对映射关系进行拟合，确定膜厚度与运行时间的函数关系式；根据函数关系式与燃料电池的运行时间，确定当前膜厚度，并将其回代入输出电压与电流密度及膜厚度的关系式中，进而根据当前膜厚度确定实时量化极化曲线；根据实时量化极化曲线确定的燃料电池的衰退程度确定相应的健康状态。本发明专利技术能够提高质子交换膜燃料电池健康状态估计的实时性以及量化的确定性。时性以及量化的确定性。时性以及量化的确定性。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池健康状态估计方法及系统


[0001]本专利技术涉及质子交换膜燃料电池领域，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池健康状态估计方法及系统。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池由于具有无污染、能量转换率高、工作温度低、噪音低等众多优点，在以燃料电池汽车为代表的交通运输等领域应用广泛。作为一个典型的多尺度、多物理场、多部件、多因素耦合的复杂非线性系统，质子交换膜燃料电池的健康状态估计和寿命预测显得充满许多未知的挑战。
[0003]当前，对质子交换膜燃料电池进行健康状态估计或寿命预测通常分为三类：
①
基于模型的方法；
②
数据驱动的方法；
③
二者的混合方法。基于模型的方法对模型的精度要求高，模型中的参数标定复杂，难以实时应用；基于数据驱动的方法，需要依赖大量的数据，数据训练耗时，占用计算资源大，参数调整成本高，模型迁移能力差；二者混合的方法虽然能在一定程度上避免两类方法的显著缺点，但是在实际运用时也往往存在经验参数调整复杂、数据训练劳工费时等缺点，尤其是在以燃料电池汽车为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池健康状态估计方法，其特征在于，包括：将质子交换膜燃料电池在设定控制范围内的控制参数下运行不同时间，测定质子交换膜燃料电池的极化曲线；所述极化曲线为不同运行时间所对应的电压与电流密度的关系曲线；所述控制参数包括：冷却温度、冷却气流量、气体温度、气体湿度、空气流量、氢气流量、气体压力以及燃料电池电流；根据设定控制范围内的控制参数以及质子交换膜燃料电池的基本参数，利用半经验
‑
半机理模型确定质子交换膜燃料电池的输出电压与电流密度及膜厚度的关系，记为；所述基本参数包括：电池单体的个数、电池单体的初始有效面积、电子通过阻抗；所述半经验
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半机理模型为：式中，表示单体燃料电池的能斯特电动势，单位为V；表示燃料电池工作温度，单位为℃；表示阳极侧氢气的压力，单位为atm；表示阴极侧氧气压力，单位为atm；表示单体燃料电池的活化极化电压损失，单位为V；表示经验拟合系数；表示阳极催化剂表面的氢气摩尔浓度，单位为mol/cm3；表示阴极催化剂表面的氧气摩尔浓度，单位为mol/cm3；表示燃料电池工作电流，单位为A；表示燃料电池质子交换膜参与反应的有效面积，单位为cm2；表示单体燃料电池的欧姆极化电压损失，单位为V；表示电子通过阻抗，单位为；表示质子通过阻抗，单位为；表示质子电阻率，单位为；表示一个可调整的经验参数，其取值范围为14 ~ 23；
表示浓差极化电压损失，单位为V；表示标准气体常数，其值为8314.47；表示燃料电池工作温度，单位为℃；表示燃料电池发生反应时平衡方程中转移的电子的摩尔数，其值为2；表示法拉第常数，其值为96484600；表示燃料电池工作的最大电流密度，单位为；表示燃料电池中电池单体的数目，表示输出电压，表示质子交换膜燃料电池的工作电流密度，表示燃料电池工作电流与质子交换膜参与反应的有效面积的比值，即，表示膜厚度；根据输出电压与电流密度及膜厚度的关系和极化曲线，采用逆向拟合的方法，确定膜厚度与运行时间的映射关系；利用傅里叶拟合的方法对膜厚度与运行时间的映射关系进行拟合，确定膜厚度与运行时间的函数关系式；根据膜厚度与运行时间的函数关系式与待估计的质子交换膜燃料电池的运行时间，确定待估计的质子交换膜燃料电池的当前膜厚度，进而根据当前膜厚度确定实时量化极化曲线；根据实时量化极化曲线确定待估计的质子交换膜燃料电池的衰退程度，之后根据衰退程度确定待估计的质子交换膜燃料电池的健康状态。2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池健康状态估计方法，其特征在于，所述利用逆向拟合的方法确定膜厚度与运行时间的映射关系，具体包括：利用公式确定逆向拟合的目标，进而确定膜厚度与运行时间的映射关系；其中，表示在设定控制范围内的控制参数下运行的某个特定时间，表示在设定控制范围内的控制参数下运行的时间序列集合，表示膜厚度，表示在运行时间为时使得式为最小值时的膜厚度取值，表示在设定控制范围内的控制参数下运行一系列时间后的电压与电流密度的关系，表示根据设定控制范围内的控制参数以及质子交换膜燃料电池的基本参数确定质子交换膜燃料电池的输出电压与电流密度及膜厚度的关系，表示最大电流密度，符号表示属于，符号表示求和，符号表示使得该符号后的式子取最小值时的取值。3.根据权利要求1所述的一种燃料电池健康状态估计方法，所述利用傅里叶拟合的方法对膜厚度与运行时间的映射关系进行拟合，确定膜厚度与运行时间的函数关系式，具体包括：
利用公式确定拟合目标，进而确定膜厚度与运行时间的函数关系式；其中，表示运行时间，表示一系列运行时间的次数总和，表示运行时间的索引值，表示傅里叶拟合系数，表示使得式取最小值时的拟合系数的取值，P表示一个非零自然数，与拟合精度有关，通常表示拟合的膜厚度与运行时间的函数关系，表示膜厚度与运行时间的映射关系，符号表示求和，符号表示使得该符号后的式子取最小值时的取值。4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池健康状态估计方法，其特征在于，所述根据膜厚度与运行时间的函数关系式与待估计的质子交换膜燃料电池的运行时间，确定待估计的质子交换膜燃料电池的当前膜厚度，进而根据当前膜厚度确定实时量化极化曲线，具体包括：利用质子交换膜燃料电池的输出电压与电流密度及膜厚度的关系，将当前膜厚度回代进关系式即可确定实时量化极化曲线。5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池健康状态估计方法，其特征在于，所述根据实时量化极化曲线确定待估计的质子交换膜燃料电池的衰退程度，之后根据衰退程度确定待估计的质子交换膜燃料电池的健康状态，具体包括：利用公式确定待估计的质子交换膜燃料电池的衰退程度；利用公式确定待估计的质子交换膜燃料电池的健康状态；其中，表示衰退程度，表示额定电流密度下，燃料电池堆初始的输出电压，单位为V，表示实时输出电压，单位为V，SOH表示质子交换膜燃料电池的健康状态。
6.一种质子交换膜燃料电池健康状态估...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建威，罗磊，邹巍涛，郝冬，王芳，封利利，王朝，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：