一种新型乌鸦搜索算法在质子交换膜燃料电池模型参数辨识中的应用制造技术

本发明专利技术公开一种新型乌鸦搜索算法在质子交换膜燃料电池模型参数辨识中的应用。目的是找到最优的参数，使实际堆栈输出电压与获得的数据之间的绝对误差的积分最小，可以使用不同的元启发式方法进行最小化。(1)通过对燃料电池的结构和运行原理进行分析，建立质子交换膜燃料电池模型；(2)目标优化质子交换膜燃料电池模型的参数选择，使堆栈输出电压的实验值与实现数据之间的绝对误差的积分最小。(3)通过改进乌鸦搜索算法(ICSA)以增加算法的多样性，来增加种群多样性并且防止陷入局部最小值；(4)与一些基础算法GA、PSO和基本CSA进行了比较基本CSA进行了比较，来表明所提出的算法对其他算法的拟合更好；(5)将研究结果应用于质子交换膜燃料电池模型实际案例。结果表明该方法与实验输出电压具有良好的拟合性。法与实验输出电压具有良好的拟合性。法与实验输出电压具有良好的拟合性。

【技术实现步骤摘要】
一种新型乌鸦搜索算法在质子交换膜燃料电池模型参数辨识中的应用


[0001]本专利技术属于机器学习及目标检测领域，具体涉及一种新型乌鸦搜索算法在质子交换膜燃料电池模型参数辨识中的应用。

技术介绍

[0002]由于能源消费的扩张和全球趋势以分散的方式能源生产消费的地方，有各种各样的工具基于化石能源和可再生能源和能源存储设备、节能和能源分布，如柴油发电机，风力涡轮机和太阳能电池。
[0003]燃料电池是一种新的清洁和可再生能源生产技术，主要以氢为输入，其输出是电力、热量和无污染的水。由于化石燃料的完成及其高污染，燃料电池将是一个很好的替代品。燃料电池技术发展到今天，已经在各个行业引入了非常广泛的应用，例如，微电子、电动汽车、小型船舶、公共汽车、民用和商用，以及冷热联合生产。
[0004]目前，该能源转换器在全球范围内被广泛研究，以在价格、燃料供应、稳定性和安全性等方面与内燃机竞争。质子交换膜燃料电池 (PEMFC)是燃料电池中最流行的一种。在过去十年中，发表了几篇关于质子交换膜燃料电池建模的文章，每篇文章都对这些电池的不同方面进行了建模。
[0005]其中，Fathy等人提出了一种基于多空间优化器(MVO)的质子交换膜燃料电池参数识别优化方法。模拟在不同的操作条件下进行。 Khan等人提出了一种基于系统非线性特征预测PEMFC输出电压的方法。其思想是使用一种最小化均方根误差的回溯搜索算法(BSA)来估计质子交换膜燃料电池的参数。

技术实现思路

[0006]针对现有算法的不足，提出了一种新型乌鸦搜索算法在质子交换膜燃料电池模型参数辨识中的应用。
[0007]本专利技术目的是为了对目前的乌鸦搜索算法进行改进，以便于找到最优的参数，使实际堆栈输出电压与获得的数据之间的绝对误差的积分最小。
[0008]为了达到以上目的，本专利技术技术方案如下，具体步骤如下：
[0009]通过对燃料电池的结构和运行原理进行分析，建立质子交换膜燃料电池模型；
[0010]研究的主要目标优化质子交换膜燃料电池模型的参数选择，使堆栈输出电压的实验值与实现数据之间的绝对误差的积分最小。
[0011]通过改进乌鸦搜索算法(ICSA)以增加算法的多样性，来增加种群多样性并且防止陷入局部最小值；
[0012]将研究结果应用于质子交换膜燃料电池模型实际案例；
[0013]与基本CSA进行了比较，来表明所提出的算法对其他算法的拟合更好；
[0014]进一步的，该燃料电池的结构和运行为：(1)气体管道不断地向阳极和阴极供应燃
料，主要是储存在加压和空气氧化罐中的氢气。氢气和空气在进入燃料电池之前被润湿。氢气通过阳极分布到阳极催化剂上气体扩散层由纸碳制成。在催化剂层中，氢分子被转化为两个氢离子和两个电子。
[0015]2H2→
4H
+
+4e
‑
[0016]过H
+
膜产生的质子移动到阴极的催化剂层。膜不是导电的，在阳极中释放的电子通过外部电路流动，并且在它们完成反应之前做了有用的功。在阴极一侧，氧气通过阴极气体扩散层，在催化剂层表面，质子和电子发生反应，形成水，即：
[0017]4H
+
+O2+4e
‑
→
2H2O
[0018]燃料电池的一般反应为上式子的和为热反应，记为：
[0019]H2+O2→
2H2O
[0020]通过假设单个PEMFC堆叠的不可逆性损耗和熵损耗，将终端电压降至0.9V～1.23V之间。这种PEMFC的低电压使得用户串联几个数字来获得所需的电压。最后，PEMFC堆叠中的激活电压损失在高速时降低了电流
‑
电压极化曲线，而欧姆电阻电压在低速时降低了曲线。基于上述解释和图1。PEMFC模型实现如下：
[0021]V
T
＝N
s
×
(E
nerst
‑
V
a
‑
V
c
‑
V
Ω
)
[0022]其中，N
s
表示串联连接的燃料电池数量，E
nerst
定义能斯特电势，数学建模如下式：
[0023][0024]其中，T
FC
为燃料电池温度，F为法拉第常数(96.487kC/mol)，标准参考电势，k
E
为经验常数(V/K)，pH2和为氧和氢的分压。由于存在一些不确定性，本文认为是最优的。τ
e
和λ
e
被认为是另一个优化参数。模拟质子交换膜燃料电池的另一个参数是欧姆电阻，用于模拟电极电阻、质子转移电阻和集电极板移动电子的电阻。这个模型如下式：
[0025]R
Ω
＝R
mem
+R
t
[0026]其中，R
t
表示移动的质子通过膜的等效阻力，假设为300μΩ， R
mem
表示膜的阻力，这是由下面的方程得到的：
[0027][0028]其中，l表示燃料电池厚度(μm)，φ描述了一个小于23的可调参数，该可调参数取决于膜龄、相对湿度和阳极气体化学计量比。由于燃料电池在相似模型中存在不确定性，本研究考虑了φ和l参数进行估计。燃料电池的另一个重要术语是活化损失，它有一些未确定的参数。这一项降低了通过电极表面的反应速度。这个术语的数学模型如下：
[0029]V
a
＝ξ1+ξ2×
T+ξ3×
T
×
ln(CO2)+ξ4×
T
×
ln(I)
[0030]其中，I为燃料电池堆，ξ1为伪经验系数，在阴极和膜界面处的氧和氢浓度描述公式如下：
[0031][0032][0033]对ξ1的限制如下：
[0034]ξ1＝
‑
0.95
±
0.004
[0035][0036]ξ3＝(7.6
±
0.2)
×
10
‑5[0037]ξ4＝
‑
(1.93
±
0.05)
×
10
‑4[0038]本研究使用Nafion膜作为质子交换膜燃料电池。模型电容的电压为：
[0039][0040]其中R
CONC
表示浓度损失，得到：
[0041][0042]考虑了电容值的不确定性，对模型进行了最优估计。优化的另一个术语是I
mc
，它表示电极中的最大电流速率，通过以下方程实现
[0043][0044]式中，D表示反应的有效扩散系数，N
e
表示反应的电子数，τ定义扩散层厚度，C
b
表示体积浓度。
[0045]进一步的，研究的主要思想是优化PEMFC模型的参数选择本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型乌鸦搜索算法在质子交换膜燃料电池模型参数辨识中的应用，其特征在于，包括步骤如下：(1)通过对燃料电池的结构和运行原理进行分析，建立质子交换膜燃料电池模型；(2)研究的主要目标优化质子交换膜燃料电池模型的参数选择，使堆栈输出电压的实验值与实现数据之间的绝对误差的积分最小。(3)通过改进乌鸦搜索算法(ICSA)以增加算法的多样性，来增加种群多样性并且防止陷入局部最小值；(4)与一些基础算法GA、PSO和基本CSA进行了比较，来表明所提出的算法对其他算法的拟合更好；(5)将改进后的算法应用于质子交换膜燃料电池模型实际案例；2.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池模型，该燃料电池的结构和运行为：(1).气体管道不断地向阳极和阴极供应燃料，主要是储存在加压和空气氧化罐中的氢气。氢气和空气在进入燃料电池之前被润湿。氢气通过阳极分布到阳极催化剂上气体扩散层由纸碳制成。在催化剂层中，氢分子被转化为两个氢离子和两个电子。2H2→
4H
+
+4e
‑
过H
+
膜产生的质子移动到阴极的催化剂层。膜不是导电的，在阳极中释放的电子通过外部电路流动，并且在它们完成反应之前做了有用的功。在阴极一侧，氧气通过阴极气体扩散层，在催化剂层表面，质子和电子发生反应，形成水，即：4H
+
+O2+4e
‑
→
2H2O燃料电池的一般反应为上式的和为热反应，记为式：H2+O2→
2H2O通过假设单个PEMFC堆叠的不可逆性损耗和熵损耗，将终端电压降至0.9V～1.23V之间。这种PEMFC的低电压使得用户串联几个数字来获得所需的电压。最后，PEMFC堆叠中的激活电压损失在高速时降低了电流
‑
电压极化曲线，而欧姆电阻电压在低速时降低了曲线。基于上述解释和图1。PEMFC模型实现如下：V
T
＝N
s
×
(E
nerst
‑
V
a
‑
V
c
‑
V
Ω
)其中，N
s
表示串联连接的燃料电池数量，E
nerst
定义能斯特电势，数学建模如下式：其中，T
FC
为燃料电池温度，F为法拉第常数(96.487kC/mol)，标准参考电势，k
E
为经验常数(V/K)，pH2和为氧和氢的分压。由于存在一些不确定性，本文认为是最优的。τ
e
和λ
e
被认为是另一个优化参数。模拟质子交换膜燃料电池的另一个参数是欧姆电阻，用于模拟电极电阻、质子转移电阻和集电极板移动电子的电阻。这个模型如下式：R
Ω
＝R
mem
+R
t ＝其中，R
t
表示移动的质子通过膜的等效阻力，假设为300μΩ，R
mem
表示膜的阻力，这是由下面的方程得到的：
其中，l表示燃料电池厚度(μm)，φ描述了一个小于23的可调参数，该可调参数取决于膜龄、相对湿度和阳极气体化学计量比。由于燃料电池在相似模型中存在不确定性，本研究考虑了φ和l参数进行估计。燃料电池的另一个重要术语是活化损失，它有一些未确定的参数。这一项降低了通过电极表面的反应速度。这个术语的数学模型如下：V
a
＝ξ1+ξ2×
T+ξ3×
T
×
ln(CO2)+ξ4×
T
×
ln(I)其中，I为...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨世品，潘星宇，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：