一种燃料电池内部电气参数分布辨识方法技术

本发明专利技术涉及燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池内部电气参数分布辨识方法，包括：S1：建立燃料电池电堆的等效电路模型；S2：对燃料电池电堆进行启动实验，获取内部电气数据；S3：确定等效电路模型的初始状态，设置等效电路模型中电气参数的预设值和上下限；S4：根据等效电路模型建立参数辨识方法；S5：将内部电气数据作为参数辨识算法的输入，对等效电路模型进行电气参数迭代优化，得到参数辨识结果。本发明专利技术基于等效电路模型，使用参数辨识方法对模型内部的电气参数进行迭代优化，能够准确获取或预测电堆内部电气参数的分布情况，相较于EIS等实验方式具有操作简单、运算速度快和成本低的优点。的优点。的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池内部电气参数分布辨识方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及一种燃料电池内部电气参数分布辨识方法。

技术介绍

[0002]在过去的几十年中，随着工业化的进一步发展，内燃机已被广泛用作陆地车辆、商用船和固定式发电厂的动力源，但大量使用的化石燃料引起了一系列环境问题和能源危机。世界各地研究人员一直在努力开发新的清洁能源，以取代传统的化石能源，解决能源危机和环境污染问题。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有低污染、高功率密度和高效率等优点被认为是新能源汽车应用中最具前景的解决方案。
[0003]在燃料电池实际实验操作过程中，频繁的启停或变载工况运行会对电堆造成不可逆的破坏性影响，使用等效电路模型对燃料电池的宏观行为进行研究在电堆开发和测试阶段具有重要的指导意义。
[0004]燃料电池内部一些电气参数，如内阻和双层电容等，难以通过实验手段进行测量，传统的测试方法需要借助电化学阻抗谱(EIS)进行测试，在成本、时间和人力上都需要较大的投入，如果要检测电堆的局部信息，则要求采集点位多、采集数据量大，对采集设备的采样频率和采集端口数量都要求较高。

技术实现思路

[0005]本专利技术意在提供一种燃料电池内部电气参数分布辨识方法，基于等效电路模型，使用参数辨识方法对模型内部的电气参数进行迭代优化，能够准确获取或预测电堆内部电气参数的分布情况，相较于EIS等实验方式具有操作简单、运算速度快和成本低的优点。
[0006]本专利技术提供的技术方案为：一种燃料电池内部电气参数分布辨识方法，包括：
[0007]S1：建立燃料电池电堆的等效电路模型；
[0008]S2：对燃料电池电堆进行启动实验，获取内部电气数据；
[0009]S3：确定等效电路模型的初始状态，设置等效电路模型中电气参数的预设值和上下限；
[0010]S4：根据等效电路模型建立参数辨识方法；
[0011]S5：将内部电气数据作为参数辨识算法的输入，对等效电路模型进行电气参数迭代优化，得到参数辨识结果。
[0012]本专利技术的工作原理及优点在于：根据燃料电池电堆建立相应的等效电路模型，能够准确反应燃料电池启动过程中的内部电气行为。获取内部电气数据，确定等效电路模型的初始状态，然后通过建立参数辨识方法对模型内部的电气参数进行迭代优化，提高了模型的鲁棒性和准确性，能够准确获取或预测电堆内部电气参数的分布情况。同时，通过基于等效电路模型的参数辨识方法对模型内部的电气参数进行迭代优化后得出了一组辨识后的电气参数，该电气参数中包含一些建模时未知的参数和通过实验手段难以测量的参数，
本专利技术可通过模型和参数辨识算法相结合的方式来获取电堆内部电气参数分布情况，相较于EIS等实验方式，不用购买昂贵的检测硬件和设计复杂的实验流程，依靠准确的模型和合适的参数辨识算法即可获取或预测电堆内部一些难以测量的电气参数的分布。本专利技术具有操作简单、运算速度快和成本低的优点。
[0013]进一步，所述等效电路模型通过燃料电池电堆启动过程中的双电容层效应建立。
[0014]在燃料电池双层电容效应的基础上，考虑到电堆阴极氧还原反应和阳极氢氧化反应对启动过程内部电流的影响，以及双极板、膜电极组件和外接电气布线的阻抗和感抗的影响，建立等效电路模型，能够准确反应燃料电池启动过程中的内部电气行为。
[0015]进一步，所述等效电路模型包括等效氢气流道，所述等效氢气流道分为若干个分区，分区之间通过横向电阻并联，各个分区对应一个等效电路模型基本电路，所述等效电路模型基本电路包括线性电压源，所述线性电压源用于表示电堆启动过程中氢气流体到达阳极氢气流道与氧气反应所产生的电势差。
[0016]等效氢气流道对燃料电池电堆中的阳极氢气流道进行模拟，由于燃料电池电堆的阳极氢气流道的不平整设计导致流道中存在脊和沟，阳极氢气流道在与气体扩散层接触时会产生横向电阻，横向电阻的影响不仅体现在沿氢气流道的相邻分区间，在空间上相邻分区之间也存在横向电阻。因此，等效氢气流道分为若干个分区，分区之间通过横向电阻并联，各个分区对应一个等效电路模型基本电路，等效电路模型基本电路包括线性电压源，线性电压源用于表示电堆启动过程中氢气界面到达阳极氢气流道与氧气反应所产生的电势差。本专利技术的等效电路模型以电堆内部氢气流道的电气行为作为建立电路结构的基础，通过等效电路模型能够准确描述电堆启动过程中的内部电气宏观行为，减少电堆实际实验所需的测试次数，降低实验对电堆寿命衰减的影响。并在此等效电路模型基础上具有通用性和延伸性，只需要改变电气参数即可匹配不同规格的燃料电池电堆，而不需要对模型结构进行大量的改造。
[0017]进一步，所述参数辨识方法选取最速梯度下降法建立，并设置辨识终止条件。
[0018]最速梯度下降法通过迭代的方式求函数的最优解，给定一个初始点，通过迭代找到下一个点，设置辨识终止条件，即函数值的变化范围小于阈值时终止，以兼顾辨识精度和迭代效率。
[0019]进一步，所述S5包括：
[0020]S5
‑
1：将内部电气数据作为参数辨识算法的输入，确定等效电路模型的偏差函数；
[0021]S5
‑
2：计算偏差函数在当前迭代点最快下降的梯度方向和梯度增益；
[0022]S5
‑
3：通过当前迭代点最快下降的梯度方向和梯度增益对偏差函数值进行迭代，使目标函数值减小；
[0023]S5
‑
4：偏差函数值满足辨识终止条件，参数辨识结束，得到参数辨识结果；
[0024]S5
‑
5：根据前i个分区的参数辨识结果进行辨识分区i+1的参数，重复步骤S3至S5，直到所有分区辨识完成。
[0025]梯度下降法的主要步骤有两个，首先是找到偏差函数的梯度下降方向，接下来沿着梯度下降方向计算出一个能够降低偏差函数值的参数向量。通过当前迭代点最快下降的梯度方向和梯度增益对偏差函数值进行迭代，使目标函数值减小，满足辨识终止条件，参数辨识结束，得到参数辨识结果。重复直到所有分区辨识完成。等效电路模型在经过上述步骤
参数辨识算法优化后能够准确表征燃料电池电堆的启动动态特性。
[0026]进一步，所述偏差函数表示为：其中，F(t,x)为等效电路模型的目标函数，y
i
为电流分布数据；所述最快下降的梯度方向表示为：h
sd
＝
‑
ψ'(t,x)；所述最快下降的梯度增益表示为α，其中αh
sdT
<0；所述梯度增益α每次迭代表示为：α
next
＝arg min
a>0
{ψ(t,x+αh
sd
)}。
[0027]最速梯度下降法的基本原理是对于等效电路模型的目标函数F(t,x)，给定n组测量数据点，通过求偏差函数ψ(t,x)在梯度下降方向进行搜索以求解出一组使得偏差函本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池内部电气参数分布辨识方法，其特征在于，包括：S1：建立燃料电池电堆的等效电路模型；S2：对燃料电池电堆进行启动实验，获取内部电气数据；S3：确定等效电路模型的初始状态，设置等效电路模型中电气参数的预设值和上下限；S4：根据等效电路模型建立参数辨识方法；S5：将内部电气数据作为参数辨识算法的输入，对等效电路模型进行电气参数迭代优化，得到参数辨识结果。2.根据权利要求1所述的燃料电池内部电气参数分布辨识方法，其特征在于：所述等效电路模型通过燃料电池电堆启动过程中的双电容层效应建立。3.根据权利要求2所述的燃料电池内部电气参数分布辨识方法，其特征在于：所述等效电路模型包括等效氢气流道，所述等效氢气流道分为若干个分区，分区之间通过横向电阻并联，各个分区对应一个等效电路模型基本电路，所述等效电路模型基本电路包括线性电压源，所述线性电压源用于表示电堆启动过程中氢气流体到达阳极氢气流道与氧气反应所产生的电势差。4.根据权利要求3所述的燃料电池内部电气参数分布辨识方法，其特征在于：所述参数辨识方法选取最速梯度下降法建立，并设置辨识终止条件。5.根据权利要求4所述的燃料电池内部电气参数分布辨识方法，其特征在于：所述S5包括：S5
‑
1：将内部电气数据作为参数辨识算法的输入，确定等效电路模型的偏差函数；S5
‑
2：计算偏差函数在当前迭代点最快下降的梯度方向和梯度增益；S5
‑
3：通过当前迭代点最快下降的梯度方向和梯度增益对偏差函数值进行迭代，使目标函数值减小；S5
‑
4：偏差函数值满足辨识终止条件，参数辨识...

【专利技术属性】
技术研发人员：万鑫铭，邓波，殷聪，毛占鑫，鲍欢欢，汤浩，
申请(专利权)人：中汽院新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：