CN112082766A - 一种基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其中，包括电化学域模型单元、流体力学域模型单元、热力学域模型单元和动力学域模型单元；电化学域模型单元具有第一电化学域接口、第二电化学域接口和第三电化学域接口；第一电化学域接口与流体力学域模型单元连接，第二电化学域接口与热力学域模型单元连接，第三电化学域接口与动力学域模型单元连接；流体力学域模型单元具有第一流体力学域接口、第二流体力学域接口、第三流体力学域接口；本发明够适用于虚拟样本与实际样本进行结合处理的高保真模型。

Description

一种基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，特别是一种基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统。
背景技术
随着燃料电池汽车的快速的发展，对于燃料电池发动机故障的检测要求也越来越高。
在现有技术中，燃料电池发动机故障诊断方式大多针对单一系统或传感器故障进行识别研究。而事实上，燃料电池发动机是多领域交叉、非线性、强耦合、受环境影响比较大的复杂系统，燃料电池发动机系统的任合部位都可能发生故障，这些故障可能对系统造成损耗，产生不可逆的伤害，甚至导致系统崩溃。其次，随运行时间的变化其性能特性会发生变化，故障产生机理及其影响程度也随之发生相应变化，且实际故障样本量少，采用常规的静态故障诊断方法显然无法准确预测系统故障。在此情况下，虽然理论上能通过实际样本与虚拟样本相结合的方式进行智能诊断，但于现有的研究中，尚未研发出能够用于燃料电池发动机虚拟样本与实际样本相结合进行智能诊断的高保真模型。
因此，如何建立能够应用于通过实际样本与虚拟样本相结合的方式进行智能诊断的模型，是本领域亟待解决的重要问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，以解决现有技术中的不足，它能够适用于虚拟样本与实际样本进行结合处理的高保真模型。
本发明提出了一种基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其中，包括电化学域模型单元、流体力学域模型单元、热力学域模型单元和动力学域模型单元；
所述电化学域模型单元具有第一电化学域接口、第二电化学域接口和第三电化学域接口；所述第一电化学域接口与所述流体力学域模型单元连接，所述第二电化学域接口与所述热力学域模型单元连接，所述第三电化学域接口与所述动力学域模型单元连接；
所述流体力学域模型单元具有第一流体力学域接口、第二流体力学域接口、第三流体力学域接口；所述第一流体力学域接口与所述电化学域模型单元连接，所述第二流体力学域接口与所述热力学域模型单元连接，所述第三流体力学域接口与所述动力学域模型单元的连接；
所述热力学域模型单元具有第一热力学域接口、第二热力学域接口和第三热力学域接口；所述第一热力学域接口与所述电化学域模型单元连接，所述第二热力学域接口与所述流体力学域模型单元固定连接，所述第三热力学域接口与所述动力学域模型单元连接；
所述动力学域模型单元具有第一动力学域接口、第二动力学域接口和第三动力学域接口；所述第一动力学域接口与所述电化学域模型单元的连接，所述第二动力学域接口与所述流体力学域模型单元连接，所述第三动力学域接口与所述热力学域模型单元连接。
如上所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其中，可选的是，所述电化学域模型单元包括燃料电池开环电路电压获取模块、电流密度获取模块；
所述燃料电池开环电路电压获取模块用于获取各个单片燃料电池电压开环电路电压；所述电流密度获取模块用于获取各电池单体的电流密度；
所述电化学域模型单元的模型公式为：
Figure BDA0002680170330000021
Figure BDA0002680170330000022
Ethermo为燃料电池单体开环电路电压，可通过能斯特方程计算得出，i为电流密度，α(t)为电流损失系数，Rohmic为欧姆电阻，β(t)为欧姆电阻损失系数，Vohmic为欧姆损失电动势，Vact为计算活化损失电动势，Vcon为计算浓差损失电动势，ΔV为考虑采样振动噪声干扰等因素的误差补偿项。
如上所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其中，可选的是，所述电化学域模型单元通过第一电化学域接口、第二电化学域接口和第三电化学域接口分别获取第一电化学影响参数、第二电化学影响参数和第三电化学影响参数；
所述第一电化学影响参数、所述第二电化学影响参数和所述第三电化学影响参数均为一个或多个，所述第一电化学影响参数、所述第二电化学影响参数和所述第三电化学影响参数用作所述电化学域模型单元的模型公式的影响因子或公式中一项的影响因子。
如上所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其中，可选的是，所述流体力学域模型单元包括流体密度检测模块和流速检测模块，所述流体密度检测模块用于检测腔道内的流体密度，所述流速检测模块用于检测腔道内的流体流速；
所述流体力学域模型单元的模型公式为：
Figure BDA0002680170330000031
其中，fdarcy为Darcy摩擦系数，ρgas为管道内流体密度，Dh为通道水压直径，Vsk为通道中平均流速，Lch为通道长度。
如上所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其中，可选的是，所述流体力学域模型单元通过所述第一流体力学域接口、所述第二流体力学域接口和所述第三流体力学域接口分别获取第一流体力学影响参数、第二流体力学影响参数和第三流体力学影响参数；
所述第一流体力学影响参数、所述第二流体力学影响参数和所述第三流体力学影响参数均为一个或多个，所述第一流体力学影响参数、所述第二流体力学影响参数和所述第三流体力学影响参数均为一个或多个，所述第一流体力学影响参数、所述第二流体力学影响参数和所述第三流体力学影响参数用作所述热力学模型单元的模型公式的影响因子或公式中一项的影响因子。
如上所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其中，可选的是，所述动力学域模型单元包括结构振动模型和空压机动态模型；
所述结构振动模型用于分析振动引起的燃料电池发动机故障及性能退化机理；所述空压机动态模型用于分析在特定转速下当出口压力达到喘振压力时，空压机会发生喘振的现象；
所述结构振动模型具有结构振动接口，所述结构振动接口与所述空压机动态模型连接；
所述空压机动态模型具有动态振动接口，所述动态振动接口与所述结构振动模型连接；
所述结构振动模型通过所述结构振动接口获取来自于所述空压机动态模型影响的结构振动影响参数；
所述空压机动态模型通过所述动态振动接口获取来自于所述结构振动模型影响的动态影响参数。
如上所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其中，可选的是，所述结构振动模型的模型公式为，
Figure BDA0002680170330000041
其中，M为燃料电池发动机系统质量矩阵，C为燃料电池发动机系统阻尼矩阵，K为燃料电池发动机系统刚度矩阵，Ffault系统故障导致的额外激励向量，Ffluid为系统中流体引起的激励向量，Ftemperture是指由于温度引起的额外激励向量，
Figure BDA0002680170330000042
为燃料电池发动机系统在振动方向上的加速度、
Figure BDA0002680170330000043
为燃料电池发动机系统在振动方向上的速度、u为燃料电池发动机系统在振动方向上的位移。
如上所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其中，可选的是，所述空压机动态模型参数的模型公式为，
Figure BDA0002680170330000044
其中，ωcomp为空压机角速度，Tmot为电机的转矩，Tfr为电机摩擦转矩，Tcomp为空压机转矩，Jcomp空压机转动惯量，Jmot为电机转动惯量，t为时间。
如上所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其中，可选的是，所述动力学域模型单元通过所述第一动力学域接口、所述第二动力学域接口和所述第三动力学域接口分别获取第一动力学域影响参数、第二动力学域影响参数和第三动力学域影响参数；
所述第一动力学域影响参数、所述第二动力学域影响参数和所述第三动力学域影响参数用作所述结构振动模型的模型公式和/或所述空压机动态模型的模型公式中的一项或多项的影响因子。
如上所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其中，可选的是，当所述第一动力学域影响参数、第二动力学域影响参数和第三动力学域影响参数中的任一参数用作所述结构振动模型的模型公式和/或所述空压机动态模型的模型公式中的影响因子时，需要对该影响参数进行变换，其变换方法如下：
按相等的时间间隔，获取一历史时间内的多个该影响参数的值，去掉其中的最大值和最小值，得到一影响参数集合；
取该影响参数集合的平均值，在该平均值为0时，取消将该影响参数作为模型公式中的影响因子；在该平均值不为0时，按如下公式进行处理：
Figure BDA0002680170330000051
其中，
Figure BDA0002680170330000052
为该影响参数集合的平均值，Xn为该影响参数集合的第n个值，Xmax为该影响参数集合中的最大值，Xmin为该影响参数集合中的最小值，qn为处理后的中间数值；
对多个qn求取平均值，并将该平均值作为对应的模型公式中的影响因子。
与现有技术相比，本发明具体如下有益效果：
目前燃料电池发动机故障诊断方法大多针对单一系统或传感器故障进行识别研究，实际燃料电池发动机系统任何部位都可能发生故障，这些故障可能对系统造成损耗，产生不可逆的伤害，甚至导致系统崩溃。其次，随运行时间的变化其性能特性会发生变化，故障产生机理及其影响程度也随之发生相应变化。燃料电池发动机是多领域交叉、非线性、强耦合、受环境影响比较大的复杂系统，通过多领域建立燃料电池发动机机理模型是了解结构内部反应机理和外部行为表达的简明直观的手段。目前燃料电池发动机故障建模方法主要有基于模型和非模型两类，基于非模型的方法需要大量的有针对性的故障数据集，学习的训练样本与新的测试样本不满足独立同分布的条件时，导致已在训练数据集训练好的模型无法在测试数据集中取得满意表现。基于模型的方法虽然考虑多物理域建模能够描述电池内部各部位的特征，但目前的模型中没有考虑强烈振动导致燃料电池发动机性能退化，甚至引起系统短路的影响，本发明充分考虑各领域交叉作用下故障机理，详细描述燃料电池发动机故障。深入研究燃料电池发动机系统复杂工况和恶劣环境下，机械振动、磁场干扰、负载扰动和燃料电池性能退化等都对故障信息造成影响，解决系统存在多重故障时，故障特征信息可能会相互影响导致故障诊断方法不准确的问题。因此，能够应用于通过实际样本与虚拟样本相结合的方式对燃料电池发动机进行智能诊断。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明提出的影响参数变换方法。
附图标记说明：1-电化学域模型单元，2-流体力学域模型单元，3-热力学域模型单元，4-动力学域模型单元；
11-第一电化学域接口,12-第二电化学域接口,13-第三电化学域接口,14-燃料电池开环电路电压获取模块，15-电流密度获取模块；
21-第一流体力学域接口,22-第二流体力学域接口,23-第三流体力学域接口，24-流体密度检测模块，25-流速检测模块；
31-第一热力学域接口,32-第二热力学域接口,33-第三热力学域接口；
41-第一动力学域接口,42-第二动力学域接口,43-第三动力学域接口，44-结构振动模型，45-空压机动态模型。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
目前燃料电池发动机故障诊断方法大多针对单一系统或传感器故障进行识别研究，实际燃料电池发动机系统任何部位都可能发生故障，这些故障可能对系统造成损耗，产生不可逆的伤害，甚至导致系统崩溃。其次，随运行时间的变化其性能特性会发生变化，故障产生机理及其影响程度也随之发生相应变化。燃料电池发动机是多领域交叉、非线性、强耦合、受环境影响比较大的复杂系统，通过多领域建立燃料电池发动机机理模型是了解结构内部反应机理和外部行为表达的简明直观的手段。目前燃料电池发动机故障建模方法主要有基于模型和非模型两类，基于非模型的方法需要大量的有针对性的故障数据集，学习的训练样本与新的测试样本不满足独立同分布的条件时，导致已在训练数据集训练好的模型无法在测试数据集中取得满意表现。基于模型的方法虽然考虑多物理域建模能够描述电池内部各部位的特征，但目前的模型中没有考虑强烈振动导致燃料电池发动机性能退化，甚至引起系统短路的影响。
请参照图1，本发明提出了一种基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其中，包括电化学域模型单元1、流体力学域模型单元2、热力学域模型单元3和动力学域模型单元4。所述电化学域模型单元1用于根据模型公式计算总的电堆电动势，以便于根据单片燃料电池电压、欧姆损失、浓差损失、活化损失来仿真分析发动机故障。所述流体力学域模型单元2用于机械损失压降机理来仿真分析由于流体特性对于燃料电池发动机故障的影响。所述热力学域模型单元3用于仿真分析由于热力学特性对于燃料电池发动机故障的影响，所述动力学域模型单元4用于仿真分析由于结构振动和空压机喘振对燃料电池发动机故障产生的影响。
具体地，所述电化学域模型单元1具有第一电化学域接口11、第二电化学域接口12和第三电化学域接口13；所述第一电化学域接口11与所述流体力学域模型单元2连接，所述第二电化学域接口12与所述热力学域模型单元3连接，所述第三电化学域接口13与所述动力学域模型单元4连接；在实际应用中，由于燃料电池发动机是多领域交叉、非线性、强耦合、受环境影响比较大的复杂系统。在实际使用中，各个领域又相互影响，例如温度和振动会影响电池电性能、而振动又会影响气流等。为了充分考虑其他各个领域的特征对于电化学域的影响，通过所述第一电化学域接口11、第二电化学域接口12和第三电化学域接口13分别获取流体力学域、热力学域、动力学域对于电化学域模型的影响，从而提高电化学域模型的精度。通过考虑多个领域的相互影响，能够提高模型的精度，从而能够适用于通过实际样本与虚拟样本相结合的方式对燃料电池发动机进行智能诊断。
进一步地，所述电化学域模型单元1通过第一电化学域接口11、第二电化学域接口12和第三电化学域接口13分别获取第一电化学影响参数、第二电化学影响参数和第三电化学影响参数；所述第一电化学影响参数、所述第二电化学影响参数和所述第三电化学影响参数均为一个或多个，所述第一电化学影响参数、所述第二电化学影响参数和所述第三电化学影响参数用作所述电化学域模型单元1的模型公式的影响因子或公式中一项的影响因子。即，实施时，所述第一电化学影响参数可以是一个随流体状态变化的系数，也可以是多个随流体状态变化的系数。具体实施时，可以将一个或多个不同流体状态对应的第一电化学影响参数存储在一个表格中，在使用时，根据当前流体状态来选取对应参数，以考虑由于流体状态变化而对电化学域模型产生的影响。
所述第二电化学影响参数可以是一个随热力学状态变化的系数，也可以是多个随热力学状态变化的系数。具体实施时，可以将一个或多个不同热力学状态对应的第二电化学影响参数存储在一个表格中，在使用时，根据当前热力学状态来选取对应参数，以考虑由于热力学状态变化而对电化学域模型产生的影响。
所述第三电化学影响参数可以是一个随动力学状态变化的系数，也可以是多个随动力学状态变化的系数。具体实施时，可以将一个或多个不同动力学状态对应的第三电化学影响参数存储在一个表格中，在使用时，根据当前动力学状态来选取对应参数，以考虑由于动力学状态变化而对电化学域模型产生的影响。
具体实施时，所述电化学域模型单元1包括燃料电池开环电路电压获取模块14、电流密度获取模块15；
所述燃料电池开环电路电压获取模块14用于获取各个单片燃料电池电压开环电路电压；所述电流密度获取模块15用于获取各电池单体的电流密度；
所述电化学域模型单元1的模型公式为：
Figure BDA0002680170330000081
Figure BDA0002680170330000082
Ethermo为燃料电池单体开环电路电压，可通过能斯特方程计算得出，i为电流密度，α(t)为电流损失系数，Rohmic为欧姆电阻，β(t)为欧姆电阻损失系数，Vohmic为欧姆损失电动势，Vact为计算活化损失电动势，Vcon为计算浓差损失电动势，ΔV为考虑采样振动噪声干扰等因素的误差补偿项。
即，其中ΔV为第一电化学影响参数、第二电化学影响参数和第三电化学影响参数所产生的补偿项，其中，ΔV可以是三者与一常数的乘积。在然，在实际应用中，也可以是将第一电化学影响参数、第二电化学影响参数或第三电化学影响参数与其中的某一项相乘。如燃料电池单体开环电路电压受流体力学状态的影响，因此，可以将第一电化学影响参数作为燃料电池单体开环电路电压Ethermo的一个系数。
进一步地，所述流体力学域模型单元2具有第一流体力学域接口21、第二流体力学域接口22、第三流体力学域接口23；所述第一流体力学域接口21与所述电化学域模型单元1连接，所述第二流体力学域接口22与所述热力学域模型单元3连接，所述第三流体力学域接口23与所述动力学域模型单元4的连接。
所述流体力学域模型单元2通过所述第一流体力学域接口21、所述第二流体力学域接口22和所述第三流体力学域接口23分别获取第一流体力学影响参数、第二流体力学影响参数和第三流体力学影响参数；
所述第一流体力学影响参数、所述第二流体力学影响参数和所述第三流体力学影响参数均为一个或多个，所述第一流体力学影响参数、所述第二流体力学影响参数和所述第三流体力学影响参数均为一个或多个，所述第一流体力学影响参数、所述第二流体力学影响参数和所述第三流体力学影响参数用作所述热力学模型单元的模型公式的影响因子或公式中一项的影响因子。
实施时，所述第一流体力学影响参数可以是一个随电化学状态变化的系数，也可以是多个随电化学状态变化的系数。具体实施时，可以将一个或多个不同电化学状态对应的第一流体力学影响参数存储在一个表格中，在使用时，根据当前的电化学状态来选取对应参数，以考虑由于电化学状态变化而对流体力学域模型产生的影响。
所述第二流体力学影响参数可以是一个随热力学状态变化的系数，也可以是多个随热力学状态变化的系数。具体实施时，可以将一个或多个不同热力学状态对应的第二流体力学影响参数存储在一个表格中，在使用时，根据当前的电化学状态来选取对应参数，以考虑由于电化学状态变化而对流体力学域模型产生的影响。
所述第三流体力学影响参数可以是一个随动力学状态变化的系数，也可以是多个随动力学状态变化的系数。具体实施时，可以将一个或多个不同动力学状态对应的第三流体力学影响参数存储在一个表格中，在使用时，根据当前的动力学状态来选取对应参数，以考虑由于动力学状态变化而对流体力学域模型产生的影响。
具体实施时，所述流体力学域模型单元2包括流体密度检测模块24和流速检测模块25，所述流体密度检测模块24用于检测腔道内的流体密度，所述流速检测模块25用于检测腔道内的流体流速；
所述流体力学域模型单元2的模型公式为：
Figure BDA0002680170330000101
其中，ΔPk为通道中的机械损失，fdarcy为Darcy摩擦系数，ρgas为管道内流体密度，Dh为通道水压直径，Vsk为通道中平均流速，Lch为通道长度。具体实施时，所述第一流体力学影响参数、第二流体力学影响参数和第三流体力学影响参数作为系数的一部分，即，将(1+第一流体力学影响参数+第二流体力学影响参数+第三流体力学影响参数)作为以上模型公式中右侧的一个因子。当然，也可以是将(1+第一流体力学影响参数×第二流体力学影响参数×第三流体力学影响参数)作为以上模型公式中等号右侧的一个因子。
所述热力学域模型单元3具有第一热力学域接口31、第二热力学域接口32和第三热力学域接口33；所述第一热力学域接口31与所述电化学域模型单元1连接，所述第二热力学域接口32与所述流体力学域模型单元2固定连接，所述第三热力学域接口33与所述动力学域模型单元4连接。
实施时，所述热力学域模型单元3通过所述第一热力学域接口31、所述第二热力学域接口32和第三热力学域接口33分别获取第一热力学影响参数、第二热力学影响参数和第三热力学影响参数。其中，所述第一热力学影响参数、所述第二热力学影响参数和所述第三热力学影响参数为一个或多个，用于表征热力学域模型单元3在仿真分析过程中受到电化学域、流体力学域、动力学域的影响。
实施时，所述第一热力学影响参数可以是一个随电化学状态变化的系数，也可以是多个随电化学状态变化的系数。具体实施时，可以将一个或多个不同电化学状态对应的第一热力学影响参数存储在一个表格中，在使用时，根据当前的电化学状态来选取对应参数，以考虑由于电化学状态变化而对热力学域模型产生的影响。
所述第二热力学影响参数可以是一个随流体力学状态变化的系数，也可以是多个随流体力学状态变化的系数。具体实施时，可以将一个或多个不同流体力学状态对应的第二热力学影响参数存储在一个表格中，在使用时，根据当前的流体力学状态来选取对应参数，以考虑由于流体力学状态变化而对热力学域模型产生的影响。
所述第三热力学影响参数可以是一个随动力学状态变化的系数，也可以是多个随动力学状态变化的系数。具体实施时，可以将一个或多个不同动力学状态对应的第三流体力学影响参数存储在一个表格中，在使用时，根据当前的动力学状态来选取对应参数，以考虑由于动力学状态变化而对热力学域模型产生的影响。
具体实施时，所述动力学域模型单元4具有第一动力学域接口41、第二动力学域接口42和第三动力学域接口43；所述第一动力学域接口41与所述电化学域模型单元1的连接，所述第二动力学域接口42与所述流体力学域模型单元2连接，所述第三动力学域接口43与所述热力学域模型单元3连接。具体实施时，在实际应用时，在燃料电池发动机中，空压机的振动和结构振动是动力学域的两个主要因素，这两个因素对于发动机故障的影响都极大。基于这种考虑，所述动力学域模型单元4包括结构振动模型44和空压机动态模型45；其中，所述结构振动模型44用于仿真分析由于结构振动对于发动机的影响，所述空压机动态模型45用于仿真分析空压机工作过程中产生的振动对于发动机的影响，尤其是空压机产生喘振对于发动机故障的影响。
具体地，所述结构振动模型44用于分析振动引起的燃料电池发动机故障及性能退化机理；所述空压机动态模型45用于分析在特定转速下当出口压力达到喘振压力时，空压机会发生喘振的现象。实施时，所述结构振动模型44具有结构振动接口，所述结构振动接口与所述空压机动态模型45连接；所述空压机动态模型45具有动态振动接口，所述动态振动接口与所述结构振动模型44连接；所述结构振动模型44通过所述结构振动接口获取来自于所述空压机动态模型45影响的结构振动影响参数；所述空压机动态模型45通过所述动态振动接口获取来自于所述结构振动模型44影响的动态影响参数。
所述动力学域模型单元4通过所述第一动力学域接口41、所述第二动力学域接口42和所述第三动力学域接口43分别获取第一动力学域影响参数、第二动力学域影响参数和第三动力学域影响参数。即，所述第一动力学域影响参数、所述第二动力学域影响参数和所述第三动力学域影响参数均包括两部分，即，结构振动影响参数和动态影响参数。
所述第一动力学域影响参数、所述第二动力学域影响参数和所述第三动力学域影响参数用作所述结构振动模型44的模型公式和/或所述空压机动态模型45的模型公式中的一项或多项的影响因子。
具体实施时，所述第一动力学影响参数可以多个随电化学状态变化的系数。具体实施时，可以将多个不同电化学状态对应的第一动力学影响参数存储在表格中，在使用时，根据当前的电化学状态来选取对应参数，以考虑由于电化学状态变化而对动力学域模型产生的影响。
所述第二动力学影响参数可以是多个随流体力学状态变化的系数。具体实施时，可以将多个不同流体力学状态对应的第二动力学影响参数存储在表格中，在使用时，根据当前的流体力学状态来选取对应参数，以考虑由于流体力学状态变化而对动力学域模型产生的影响。
所述第三动力学影响参数可以是多个随热力学状态变化的系数。具体实施时，可以将多个不同热力学状态对应的第三动力学影响参数存储在表格中，在使用时，根据当前的热力学状态来选取对应参数，以考虑由于热力学状态变化而对动力学域模型产生的影响。
具体实施时，所述结构振动模型44的模型公式为，
Figure BDA0002680170330000121
其中，M为燃料电池发动机系统质量矩阵，C为燃料电池发动机系统阻尼矩阵，K为燃料电池发动机系统刚度矩阵，Ffault系统故障导致的额外激励向量，Ffluid为系统中流体引起的激励向量，Ftemperture是指由于温度引起的额外激励向量，
Figure BDA0002680170330000122
为燃料电池发动机系统在振动方向上的加速度、
Figure BDA0002680170330000123
为燃料电池发动机系统在振动方向上的速度、u为燃料电池发动机系统在振动方向上的位移。具体实施时，各激励向量中的值可以由压力传感器实时获得。
具体实施时，所述第一动力学域影响参数、所述第二动力学域影响参数和所述第三动力学域影响参数中的结构振动影响参数，用于作为上述模型公式中等号右边的一项或多项的影响参数。
作为一种较佳的实现方式，所述空压机动态模型45参数的模型公式为，
Figure BDA0002680170330000131
其中，ωcomp为空压机角速度，Tmot为电机的转矩，Tfr为电机摩擦转矩，Tcomp为空压机转矩，Jcomp空压机转动惯量，Jmot为电机转动惯量，t为时间。在使用时，所述第一动力学域影响参数、所述第二动力学域影响参数和所述第三动力学域影响参数中的动态影响参数，作为上述模型公式中等号右侧的一个因子或者是，作为电机的转矩Tmot、电机摩擦转矩Tfr和/或空压机转矩Tcomp的因子。
请参照图2，具体实施时，当所述第一动力学域影响参数、第二动力学域影响参数和第三动力学域影响参数中的任一参数用作所述结构振动模型44的模型公式和/或所述空压机动态模型45的模型公式中的影响因子时，需要对该影响参数进行变换，其变换方法如下：
按相等的时间间隔，获取一历史时间内的多个该影响参数的值，去掉其中的最大值和最小值，得到一影响参数集合；
取该影响参数集合的平均值，在该平均值为0时，取消将该影响参数作为模型公式中的影响因子；在该平均值不为0时，按如下公式进行处理：
Figure BDA0002680170330000132
其中，
Figure BDA0002680170330000133
为该影响参数集合的平均值，Xn为该影响参数集合的第n个值，Xmax为该影响参数集合中的最大值，Xmin为该影响参数集合中的最小值，qn为处理后的中间数值；当最大值与最小值相等时，令qn的值为1。
对多个qn求取平均值，并将该平均值作为对应的模型公式中的影响因子。
利用上述变换方法，能够使各个参数准确地表征不同领域之间的相互影响，以达到精确表征影响关系的目的。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其特征在于：包括电化学域模型单元(1)、流体力学域模型单元(2)、热力学域模型单元(3)和动力学域模型单元(4)；
所述电化学域模型单元(1)具有第一电化学域接口(11)、第二电化学域接口(12)和第三电化学域接口(13)；所述第一电化学域接口(11)与所述流体力学域模型单元(2)连接，所述第二电化学域接口(12)与所述热力学域模型单元(3)连接，所述第三电化学域接口(13)与所述动力学域模型单元(4)连接；
所述流体力学域模型单元(2)具有第一流体力学域接口(21)、第二流体力学域接口(22)、第三流体力学域接口(23)；所述第一流体力学域接口(21)与所述电化学域模型单元(1)连接，所述第二流体力学域接口(22)与所述热力学域模型单元(3)连接，所述第三流体力学域接口(23)与所述动力学域模型单元(4)的连接；
所述热力学域模型单元(3)具有第一热力学域接口(31)、第二热力学域接口(32)和第三热力学域接口(33)；所述第一热力学域接口(31)与所述电化学域模型单元(1)连接，所述第二热力学域接口(32)与所述流体力学域模型单元(2)固定连接，所述第三热力学域接口(33)与所述动力学域模型单元(4)连接；
所述动力学域模型单元(4)具有第一动力学域接口(41)、第二动力学域接口(42)和第三动力学域接口(43)；所述第一动力学域接口(41)与所述电化学域模型单元(1)的连接，所述第二动力学域接口(42)与所述流体力学域模型单元(2)连接，所述第三动力学域接口(43)与所述热力学域模型单元(3)连接。
2.根据权利要求1所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其特征在于：所述电化学域模型单元(1)包括燃料电池开环电路电压获取模块(14)、电流密度获取模块(15)；
所述燃料电池开环电路电压获取模块(14)用于获取各个单片燃料电池电压开环电路电压；所述电流密度获取模块(15)用于获取各电池单体的电流密度；
所述电化学域模型单元(1)的模型公式为：
Figure FDA0002680170320000021
Figure FDA0002680170320000022
Ethermo为燃料电池单体开环电路电压，可通过能斯特方程计算得出，i为电流密度，α(t)为电流损失系数，Rohmic为欧姆电阻，β(t)为欧姆电阻损失系数，Vohmic为欧姆损失电动势，Vact为计算活化损失电动势，Vcon为计算浓差损失电动势，ΔV为考虑采样振动噪声干扰等因素的误差补偿项。
3.根据权利要求2所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其特征在于：所述电化学域模型单元(1)通过第一电化学域接口(11)、第二电化学域接口(12)和第三电化学域接口(13)分别获取第一电化学影响参数、第二电化学影响参数和第三电化学影响参数；
所述第一电化学影响参数、所述第二电化学影响参数和所述第三电化学影响参数均为一个或多个，所述第一电化学影响参数、所述第二电化学影响参数和所述第三电化学影响参数用作所述电化学域模型单元(1)的模型公式的影响因子或公式中一项的影响因子。
4.根据权利要求1所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其特征在于：
所述流体力学域模型单元(2)包括流体密度检测模块(24)和流速检测模块(25)，所述流体密度检测模块(24)用于检测腔道内的流体密度，所述流速检测模块(25)用于检测腔道内的流体流速；
所述流体力学域模型单元(2)的模型公式为：
Figure FDA0002680170320000023
其中，fdarcy为Darcy摩擦系数，ρgas为管道内流体密度，Dh为通道水压直径，Vsk为通道中平均流速，Lch为通道长度。
5.根据权利要求4所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其特征在于：所述流体力学域模型单元(2)通过所述第一流体力学域接口(21)、所述第二流体力学域接口(22)和所述第三流体力学域接口(23)分别获取第一流体力学影响参数、第二流体力学影响参数和第三流体力学影响参数；
所述第一流体力学影响参数、所述第二流体力学影响参数和所述第三流体力学影响参数均为一个或多个，所述第一流体力学影响参数、所述第二流体力学影响参数和所述第三流体力学影响参数均为一个或多个，所述第一流体力学影响参数、所述第二流体力学影响参数和所述第三流体力学影响参数用作所述热力学模型单元的模型公式的影响因子或公式中一项的影响因子。
6.根据权利要求1所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其特征在于：所述动力学域模型单元(4)包括结构振动模型(44)和空压机动态模型(45)；
所述结构振动模型(44)用于分析振动引起的燃料电池发动机故障及性能退化机理；所述空压机动态模型(45)用于分析在特定转速下当出口压力达到喘振压力时，空压机会发生喘振的现象；
所述结构振动模型(44)具有结构振动接口，所述结构振动接口与所述空压机动态模型(45)连接；
所述空压机动态模型(45)具有动态振动接口，所述动态振动接口与所述结构振动模型(44)连接；
所述结构振动模型(44)通过所述结构振动接口获取来自于所述空压机动态模型(45)影响的结构振动影响参数；
所述空压机动态模型(45)通过所述动态振动接口获取来自于所述结构振动模型(44)影响的动态影响参数。
7.根据权利要求6所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其特征在于：所述结构振动模型(44)的模型公式为，
Figure FDA0002680170320000031
其中，M为燃料电池发动机系统质量矩阵，C为燃料电池发动机系统阻尼矩阵，K为燃料电池发动机系统刚度矩阵，Ffault系统故障导致的额外激励向量，Ffluid为系统中流体引起的激励向量，Ftemperture是指由于温度引起的额外激励向量，
Figure FDA0002680170320000032
为燃料电池发动机系统在振动方向上的加速度、
Figure FDA0002680170320000033
为燃料电池发动机系统在振动方向上的速度、u为燃料电池发动机系统在振动方向上的位移。
8.根据权利要求6所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其特征在于：所述空压机动态模型(45)参数的模型公式为，
Figure FDA0002680170320000041
其中，ωcomp为空压机角速度，Tmot为电机的转矩，Tfr为电机摩擦转矩，Tcomp为空压机转矩，Jcomp空压机转动惯量，Jmot为电机转动惯量，t为时间。
9.根据权利要求6所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其特征在于：所述动力学域模型单元(4)通过所述第一动力学域接口(41)、所述第二动力学域接口(42)和所述第三动力学域接口(43)分别获取第一动力学域影响参数、第二动力学域影响参数和第三动力学域影响参数；
所述第一动力学域影响参数、所述第二动力学域影响参数和所述第三动力学域影响参数用作所述结构振动模型(44)的模型公式和/或所述空压机动态模型(45)的模型公式中的一项或多项的影响因子。
10.根据权利要求9所述的基于多领域交叉的燃料电池发动机故障模型系统，其特征在于：当所述第一动力学域影响参数、第二动力学域影响参数和第三动力学域影响参数中的任一参数用作所述结构振动模型(44)的模型公式和/或所述空压机动态模型(45)的模型公式中的影响因子时，需要对该影响参数进行变换，其变换方法如下：
按相等的时间间隔，获取一历史时间内的多个该影响参数的值，去掉其中的最大值和最小值，得到一影响参数集合；
取该影响参数集合的平均值，在该平均值为0时，取消将该影响参数作为模型公式中的影响因子；在该平均值不为0时，按如下公式进行处理：
Figure FDA0002680170320000042
其中，
Figure FDA0002680170320000043
为该影响参数集合的平均值，Xn为该影响参数集合的第n个值，Xmax为该影响参数集合中的最大值，Xmin为该影响参数集合中的最小值，qn为处理后的中间数值；
对多个qn求取平均值，并将该平均值作为对应的模型公式中的影响因子。
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