一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统及方法，该系统包括PEMFC物理实体、PEMFC虚拟实体、孪生数据库、服务层及连接；PEMFC虚拟实体用于映射PEMFC物理实体的运行状态，并与孪生数据库间动态互联；孪生数据库用于存储来自PEMFC物理实体与PEMFC虚拟实体的数据；服务层用于根据孪生数据库中的数据进行PEMFC物理实体运行状态的判断和故障预测，并进行相应输入的调控；连接包括外部连接与内部连接；本发明专利技术利用五维数字孪生技术极大的改良了质子交换膜燃料电池的测试方法，能够对质子交换膜燃料电池的水淹以及膜干进行预测性的维护。淹以及膜干进行预测性的维护。淹以及膜干进行预测性的维护。

【技术实现步骤摘要】
一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统及方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，尤其涉及一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统及方法。

技术介绍

[0002]目前，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的应用前景已经十分明了，氢能将成为未来能源的终极解决方案，而质子交换膜燃料电池，将成为氢能利用的一个较好的方式。然而，质子交换膜燃料电池的应用目前主要受制于耐久性以及故障难以预测的条件。而质子交换膜燃料电池内部反应复杂，为多物理场耦合的应用条件，因此难有有效的方式可以进行在线检测其故障。数字孪生系统则能很好的提供质子交换膜燃料电池在使用过程中的测量困难，难以有效的反映故障量的问题。
[0003]质子交换膜燃料电池的故障预测与健康管理是其商业化过程中的重要条件。针对多物理场耦合的工况，针对质子交换膜燃料电池的故障诊断目前的研究方向主要有三个，一是基于实验的故障诊断方法，二是基于模型的故障诊断方法，三是基于数据驱动的故障诊断方法。但是，在应用过程中，普通传感器难以有效的反映全部的数据，而普通的仿真很难保证高精度的物理映射，基于数据的方法前期需要大量的实验进行采集数据，其中不乏大量的故障样本，这样经济性将受到一定的限制，此外，所述测试实验通常需要由经过良好培训的人员完成。例如，燃料电池系统的调试将涉及多学科知识，包括化学、机械、电化学、电气、电子、仪器仪表和自动化工程，并且需要具有工程经验的专家。燃料电池系统的常规调试通常使用手动操作，这种操作缺乏稳健性并且易于出错。需要以最少人为错误使调试过程自动化，从而将系统质量和寿命最大化。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对目前并没有有效的针对于质子交换膜燃料电池的故障诊断以及健康管理方法，基于模型的方法难以实现高精度的分析，基于试验的方法数据采集并不够客观，基于数据驱动的方法则需要大量的实验测试数据的问题，提出一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统及方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]本专利技术一方面提出一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统，包括PEMFC物理实体、PEMFC虚拟实体、孪生数据库、服务层及连接；
[0007]所述PEMFC物理实体包括温度调节系统、燃料处理系统及质子交换膜燃料电池电堆；所述质子交换膜燃料电池电堆上连接有传感器；
[0008]所述PEMFC虚拟实体用于映射PEMFC物理实体的运行状态，并与孪生数据库间动态互联；
[0009]所述孪生数据库用于存储来自PEMFC物理实体与PEMFC虚拟实体的数据；
[0010]所述服务层用于根据孪生数据库中PEMFC物理实体与PEMFC虚拟实体的数据进行PEMFC物理实体运行状态的判断和故障预测，并进行相应输入的调控；
[0011]所述连接包括外部连接与内部连接；所述外部连接用于通过传感器采集与感知PEMFC物理实体的参数，并将参数上传至孪生数据库以及作为PEMFC虚拟实体的输入；内部连接则用于反馈PEMFC虚拟实体的参数至孪生数据库。
[0012]进一步地，所述燃料处理系统包括氢气罐，氢气循环泵，压力调节器，排氢阀，滤清器，空气压缩机以及增湿器；所述氢气罐，氢气循环泵，压力调节器依次相连；所述压力调节器的输出端一端连接质子交换膜燃料电池电堆，一端连接排氢阀；所述滤清器，空气压缩机，增湿器以及质子交换膜燃料电池电堆依次相连。
[0013]进一步地，所述传感器用于采集质子交换膜燃料电池的阴极/阳极入口相对湿度、气体组分及含量、气体流量、压强以及质子交换膜燃料电池电堆温度。
[0014]进一步地，所述PEMFC虚拟实体还用于在给定参数的情况下模拟PEMFC物理实体的运行状态。
[0015]进一步地，所述PEMFC虚拟实体为降阶的多物理场耦合模型，并能进行可视化反馈以及数字化反馈。
[0016]进一步地，所述内部连接采用数据总线/局域网进行数据传送。
[0017]进一步地，所述运行状态的判断包括故障判定，所述故障判定包括水淹和膜干。
[0018]本专利技术另一方面提出一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理方法，包括：
[0019]传感器采集PEMFC物理实体的参数，并传入PEMFC虚拟实体和孪生数据库中，完成PEMFC虚拟实体的初始化；
[0020]PEMFC物理实体和PEMFC虚拟实体保持实时互联；
[0021]孪生数据库同时接收来自于PEMFC物理实体的数据以及来自于PEMFC虚拟实体的数据，并将实时的数据传输至服务层；
[0022]服务层利用故障诊断的方法对PEMFC物理实体的工作状态进行评估；
[0023]服务层通过孪生数据库实时反馈的PEMFC物理实体的数据预测下一时刻的输入数据，并将可能出现的输入数据传输到PEMFC虚拟实体中进行计算与迭代；然后，服务层再根据孪生数据库中PEMFC虚拟实体的反馈数据进行故障的预测，根据预测的结果，对PEMFC物理实体的温度调节系统以及燃料处理系统进行调节，从而将故障隐患提前进行消除。
[0024]进一步地，故障的预测方法包括人工神经网络，深度学习算法。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：
[0026](1)本专利技术利用五维数字孪生技术极大的改良了质子交换膜燃料电池的测试方法，能够对质子交换膜燃料电池的水淹以及膜干进行预测性的维护，能在一定程度上降低质子交换膜燃料电池的使用成本，加速其商用化进程；
[0027](2)目前并没有有效的针对于质子交换膜燃料电池的故障诊断以及健康管理方法，基于模型的方法难以实现高精度的分析，基于试验的方法数据采集并不够客观，基于数据驱动的方法则需要大量的实验测试数据，对于质子交换膜燃料电池本身来说也是一种损害；而本专利技术的一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统及方法，对于各种质子交换膜燃料电池均能够适用。
附图说明
[0028]图1为本专利技术实施例一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统的架构示意图之一；
[0029]图2为本专利技术实施例一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统的架构示意图之二；
[0030]图3为本专利技术实施例一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统的燃料处理系统架构示意图；
[0031]图4为本专利技术实施例一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理方法的流程图；
[0032]图5为本专利技术实施例PEMFC虚拟实体的构建流程图；
[0033]附图中标号：100为质子交换膜燃料电池系统，101为温度调节系统，102为燃料处理系统，1021为氢气罐，1022为氢气循环泵，1023为压力调节器，1024为排氢阀，1025为滤清器，1026为空气压缩机，1027为增湿器，103为质子交换膜燃料电池电堆，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统，其特征在于，包括PEMFC物理实体、PEMFC虚拟实体、孪生数据库、服务层及连接；所述PEMFC物理实体包括温度调节系统、燃料处理系统及质子交换膜燃料电池电堆；所述质子交换膜燃料电池电堆上连接有传感器；所述PEMFC虚拟实体用于映射PEMFC物理实体的运行状态，并与孪生数据库间动态互联；所述孪生数据库用于存储来自PEMFC物理实体与PEMFC虚拟实体的数据；所述服务层用于根据孪生数据库中PEMFC物理实体与PEMFC虚拟实体的数据进行PEMFC物理实体运行状态的判断和故障预测，并进行相应输入的调控；所述连接包括外部连接与内部连接；所述外部连接用于通过传感器采集与感知PEMFC物理实体的参数，并将参数上传至孪生数据库以及作为PEMFC虚拟实体的输入；内部连接则用于反馈PEMFC虚拟实体的参数至孪生数据库。2.根据权利要求1所述的一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统，其特征在于，所述燃料处理系统包括氢气罐，氢气循环泵，压力调节器，排氢阀，滤清器，空气压缩机以及增湿器；所述氢气罐，氢气循环泵，压力调节器依次相连；所述压力调节器的输出端一端连接质子交换膜燃料电池电堆，一端连接排氢阀；所述滤清器，空气压缩机，增湿器以及质子交换膜燃料电池电堆依次相连。3.根据权利要求1所述的一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统，其特征在于，所述传感器用于采集质子交换膜燃料电池的阴极/阳极入口相对湿度、气体组分及含量、气体流量、压强以及质子交换膜燃料电池电堆温度。4.根据权利要求1所述的一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统，其特征在于，所述PEMFC虚拟实体还用于在给定参数的情况下模拟PEMFC物...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丽君，李相阳，曹芸玉，王成广，郭朋彦，郭树满，高玉国，秦朝举，王文，杨振中，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：