CN117374327A - 一种燃料电池系统安全域建模方法、系统及设备 - Google Patents

一种燃料电池系统安全域建模方法、系统及设备 Download PDF

Info

Publication number
CN117374327A
CN117374327A CN202311665865.5A CN202311665865A CN117374327A CN 117374327 A CN117374327 A CN 117374327A CN 202311665865 A CN202311665865 A CN 202311665865A CN 117374327 A CN117374327 A CN 117374327A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
safety
cell system
constraint
dimensional
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202311665865.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117374327B (zh
Inventor
李建威
姚璐峤
罗必雄
康荣学
周航宇
翟双
高雷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN202311665865.5A priority Critical patent/CN117374327B/zh
Publication of CN117374327A publication Critical patent/CN117374327A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117374327B publication Critical patent/CN117374327B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04305—Modeling, demonstration models of fuel cells, e.g. for training purposes
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/04—Constraint-based CAD

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)

Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统安全域建模方法、系统及设备，涉及质子交换膜燃料电池领域。该方法包括：获取燃料电池系统的系统数据，并基于所述系统数据构建所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束；根据所述系统数据确定所述燃料电池系统的运行状态特征，得到状态变量；基于所述安全约束以及所述运行约束，根据所述状态变量建立所述燃料电池系统的三维安全域模型；所述三维安全域模型为所述燃料电池系统的各状态变量的集合；将所述三维安全域模型降维为二维安全域模型，根据燃料电池系统的安全约束以及运行约束确定燃料电池系统的安全域边界面。本发明能够准确判断出燃料电池系统的安全状态，为燃料电池系统的安全控制提供基础。

Description

一种燃料电池系统安全域建模方法、系统及设备
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，特别是涉及一种燃料电池系统安全域建模方法、系统及设备。
背景技术
燃料电池的能量转换率大约是传统能内燃机的1.5～2倍，而且发电过程中不会产生噪声和污染物，这些优势使得氢燃料电池汽车成为未来新能源汽车的理想动力。
如何科学判断燃料电池系统的安全状态，并进行安全控制，是燃料电池系统安全研究领域亟待解决的重要问题。燃料电池系统是一种涉及电-气-热的多能耦合的复杂系统，子系统包括电堆、氢气供应系统、空气供应系统、冷却系统等，能量流通过这些子系统相互转化，相互耦合。燃料电池系统多能耦合结构复杂，一旦某个子系统出现故障，必定会造成连锁影响。例如在行驶过程中，如果燃料电池堆因扰动不能有效散热会使局部温度不平衡，温度一旦高于100℃，膜出现微孔，将会导致系统气体泄漏，继而引发严重的安全事故。因此迫切需要对燃料电池系统运行过程中的安全状态进行判断，以调节多能量流的耦合关系，调整不同子系统能量流的运行状态，使系统在安全区域内运行。
安全域方法的相关研究在通信、网络安全、电力系统领域上已经取得了丰富的成果，但是针对燃料电池系统的安全域方法和上述领域的安全域在本质和研究方法上有很大的不同，并且燃料电池系统可能涉及的状态变量包括电堆的进气流量、气体分压，部分关键设备的温度变化等，变量多且十分复杂，使得上述领域的研究成果无法直接应用于燃料电池系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池系统安全域建模方法、系统及设备，能够准确判断出燃料电池系统的安全状态，为燃料电池系统的安全控制提供基础。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案。
一种燃料电池系统安全域建模方法，包括以下步骤。
获取燃料电池系统的系统数据，并基于所述系统数据构建所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束；所述系统数据包括电压、电流、输出功率、氢气压力、氧气压力、氢气质量流量、氧气质量流量以及温度。
根据所述系统数据确定所述燃料电池系统的运行状态特征，得到状态变量。
基于所述安全约束以及所述运行约束，根据所述状态变量建立所述燃料电池系统的三维安全域模型；所述三维安全域模型为所述燃料电池系统的各状态变量的集合。
将所述三维安全域模型降维为二维安全域模型。
基于所述二维安全域模型，根据所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束确定所述燃料电池系统的安全域边界面。
可选的，所述安全约束，具体包括：。
。
。
。
。
。
其中，为燃料电池的电压，/>为燃料电池的最小电压，/>为燃料电池的最大电压，/>为燃料电池的电流，/>为燃料电池的最小电流，/>为燃料电池的最大电流，/>为燃料电池的输出功率，/>为燃料电池的最小输出功率，/>为燃料电池的最大输出功率，/>为进入电堆的氢气或氧气的压力，/>为进入电堆的氢气或氧气的最小压力，/>为进入电堆的氢气或氧气的最大压力，/>为氢气或氧气的质量流量，/>为氢气或氧气的最小质量流量，/>为氢气或氧气的最大质量流量，/>为燃料电池的温度，/>为燃料电池的最小温度，/>为燃料电池的最大温度。
可选的，所述运行约束，具体包括：电功率约束、气体约束以及热约束；所述电功率约束为燃料电池发动机的效率约束；所述效率约束为：；其中，/>为燃料电池发动机的效率，/>为所述燃料电池系统的净输出功率，/>为氢气的质量流量，/>为氢气的低热值。
所述气体约束为将所述燃料电池两端的电压压差控制在设定压差范围内。
所述热约束为；其中，/>为电堆的比热容，/>为电堆的质量，/>为电堆温度，/>为电堆反应产生的热功率，/>为未参与反应气体离开电堆带出的热功率，/>是电堆与环境进行热交换的热功率，/>为电堆内热流穿透管壁由冷却液带走的热功率；t为时间。
可选的，将所述三维安全域模型降维为二维安全域模型，具体包括：利用低维空间中的安全域断面刻画方法，提取高维空间的三维安全域模型的状态变量；刻画提取出的状态变量之间的二维安全域断面，确定所述二维安全域断面在任一状态变量处的上临界状态点以及下临界状态点；依次连接所有状态变量的上临界状态点以及下临界状态点，确定二维安全域断面的边界线；根据二维安全域断面的边界线确定二维安全域模型。
可选的，基于所述二维安全域模型，根据所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束确定所述燃料电池系统的安全域边界面，具体包括：根据所述安全约束确定安全约束边界面；基于所述二维安全域断面的边界线，根据所述运行约束确定运行约束边界面；通过多项式拟合方式，根据所述安全约束边界面以及运行约束边界面确定所述燃料电池系统的安全域边界面。
一种燃料电池系统安全域建模系统，包括以下模块。
系统数据获取模块，用于获取燃料电池系统的系统数据，并基于所述系统数据构建所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束；所述系统数据包括电压、电流、输出功率、氢气压力、氧气压力、氢气质量流量、氧气质量流量以及温度。
状态变量生成模块，用于根据所述系统数据确定所述燃料电池系统的运行状态特征，得到状态变量。
三维安全域模型建立模块，用于基于所述安全约束以及所述运行约束，根据所述状态变量建立所述燃料电池系统的三维安全域模型；所述三维安全域模型为所述燃料电池系统的各状态变量的集合。
降维模块，用于将所述三维安全域模型降维为二维安全域模型。
安全域边界面确定模块，用于基于所述二维安全域模型，根据所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束确定所述燃料电池系统的安全域边界面。
可选的，所述安全约束，具体包括：。
。
。
。
。
。
其中，为燃料电池的电压，/>为燃料电池的最小电压，/>为燃料电池的最大电压，/>为燃料电池的电流，/>为燃料电池的最小电流，/>为燃料电池的最大电流，/>为燃料电池的输出功率，/>为燃料电池的最小输出功率，/>为燃料电池的最大输出功率，/>为进入电堆的氢气或氧气的压力，/>为进入电堆的氢气或氧气的最小压力，/>为进入电堆的氢气或氧气的最大压力，/>为氢气或氧气的质量流量，/>为氢气或氧气的最小质量流量，/>为氢气或氧气的最大质量流量，/>为燃料电池的温度，/>为燃料电池的最小温度，/>为燃料电池的最大温度。
可选的，所述运行约束，具体包括：电功率约束、气体约束以及热约束；所述电功率约束为燃料电池发动机的效率约束；所述效率约束为：；其中，/>为燃料电池发动机的效率，/>为所述燃料电池系统的净输出功率，/>为氢气的质量流量，/>为氢气的低热值。
所述气体约束为将所述燃料电池两端的电压压差控制在设定压差范围内。
所述热约束为；其中，/>为电堆的比热容，/>为电堆的质量，/>为电堆温度，/>为电堆反应产生的热功率，/>为未参与反应气体离开电堆带出的热功率，/>是电堆与环境进行热交换的热功率，/>为电堆内热流穿透管壁由冷却液带走的热功率；t为时间。
一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述燃料电池系统安全域建模方法。
一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述燃料电池系统安全域建模方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：基于系统数据构建燃料电池系统的安全约束以及运行约束，以构建三维安全域模型，再进行降维处理，最终得到燃料电池系统的安全域边界面，从整体角度描述燃料电池系统的可安全稳定运行区域，从而准确判断出燃料电池系统的安全状态，进而能够基于安全域边界面制定安全控制策略，为燃料电池系统的安全控制提供基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的燃料电池系统安全域建模方法流程图。
图2为本发明所提供的基于的三维安全域示意图。
图3为本发明所提供的XOY平面安全域断面示意图。
图4为本发明所提供的XOZ平面安全域断面示意图。
图5为本发明所提供的YOZ平面安全域断面示意图。
图6为本发明所提供的基于的二维安全域模型示意图。
图7为本发明所提供的基于的二维安全域模型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种燃料电池系统安全域建模方法、系统及设备，能够准确判断出燃料电池系统的安全状态，为燃料电池系统的安全控制提供基础。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：如图1所示，本发明提供了一种燃料电池系统安全域建模方法，包括以下步骤。
步骤101：获取燃料电池系统的系统数据，并基于所述系统数据构建所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束；所述系统数据包括电压、电流、输出功率、氢气压力、氧气压力、氢气质量流量、氧气质量流量以及温度。
步骤102：根据所述系统数据确定所述燃料电池系统的运行状态特征，得到状态变量。
步骤103：基于所述安全约束以及所述运行约束，根据所述状态变量建立所述燃料电池系统的三维安全域模型；所述三维安全域模型为所述燃料电池系统的各状态变量的集合。
燃料电池系统的三维安全域模型为：/>。
其中，为燃料电池系统的所有状态变量集合，/>为各个状态变量，k为状态变量的维数，/>为燃料电池系统的运行约束，/>为燃料电池系统的安全约束，/>为/>或/>等，/>为/>或等，/>为/>或/>等。
燃料电池系统安全约束包括：。
。
。
。
。
。
其中，为燃料电池的电压，/>为燃料电池的最小电压，/>为燃料电池的最大电压，/>为燃料电池的电流，/>为燃料电池的最小电流，/>为燃料电池的最大电流，/>为燃料电池的输出功率，/>为燃料电池的最小输出功率，/>为燃料电池的最大输出功率，/>为进入电堆的氢气或氧气的压力，/>为进入电堆的氢气或氧气的最小压力，/>为进入电堆的氢气或氧气的最大压力，/>为氢气或氧气的质量流量，/>为氢气或氧气的最小质量流量，/>为氢气或氧气的最大质量流量，/>为燃料电池的温度，/>为燃料电池的最小温度，/>为燃料电池的最大温度。
燃料电池系统的运行约束分为电、气、热三种不同的能量状态约束。
（1）电功率约束。
燃料电池系统的净输出功率为：/>。
其中，为电堆输出电压，/>为电堆输出电流，/>为其他辅助系统消耗的电功率，为电堆反应产生的热功率，可由以下经验公式得出：/>。
其中，为单体燃料电池的理想开路电压，通常/>取1.482V，/>为燃料电池单体输出电压，/>为燃料电池单体的数目。
由此，燃料电池发动机的效率计算如下：/>。
其中，为氢气的质量流量，/>为氢气的低热值。
（2）气体约束。
燃料电池阴极端和阳极端/>的压差一般控制在20KPa左右，因此，约束时应保证燃料电池两端的压力在20KPa的某一上下区间内。
（3）热约束。
假设电堆反应产生的能量全部转化为热能与电能：。
其中，为电堆的比热容，/>为电堆的质量，/>为电堆温度，t为时间，/>为未参与反应气体离开电堆带出的热功率，/>。
为电堆内热流穿透管壁由冷却液带走的热功率，可计算如下：/>。
其中，为冷却液的流量，/>为冷却液的比热容，/>为冷却液出电堆的温度，为冷却液入电堆的温度。
是电堆与环境进行热交换的热功率，可按如下经验模型计算：/>；其中，/>为环境散热系数，/>为电堆的环境散热面积；Tatm为室温温度，为25℃。
步骤104：将所述三维安全域模型降维为二维安全域模型。
在实际应用中，所述步骤104具体包括：利用低维空间中的安全域断面刻画方法，提取高维空间的三维安全域模型的状态变量；低维空间与高维空间相对设置；刻画提取出的状态变量之间的二维安全域断面，确定所述二维安全域断面在任一状态变量处的上临界状态点以及下临界状态点；依次连接所有状态变量的上临界状态点以及下临界状态点，确定二维安全域断面的边界线；根据二维安全域断面的边界线确定二维安全域模型。
低维空间中的安全域断面刻画方法，具体为：低维空间中的安全域断面采用非线性优化的方法进行精确求解。在维欧式几何空间/>中，提取状态变量/>和/>并刻画它们之间的安全域断面/>，将二维断面上的安全域边界线的刻画转化为下式所示的非线性优划问题。
。
。
其中，为关注的变量，例如/>等；/>为这些变量的初始值，i为变量个数，/>表示除了关注的变量/>和/>之外，其余的变量均保持初始值不变；/>表示求解/>次后的变量/>的值，/>为求解次数；将变量/>视为自由变量，从/>左边界（即最小值）/>开始，以一定的步长/>逐步增加，直到到达其右边界/>。在/>形成的规定区间内，优化求解变量/>所对应的最大值/>和最小值/>。则/>和/>即为所求安全域断面在/>处的上下临界状态点，将这些临界状态点依次相连，最终构成安全域断面的边界线。
步骤105：基于所述二维安全域模型，根据所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束确定所述燃料电池系统的安全域边界面。
在实际应用中，二维安全域模型的约束边界面主要由安全约束边界面和运行约束边界面/>两部分组成。
其中，安全约束边界面通常为变量的上下限，运行约束边界面/>则为具有协同关系的变量在系统运行过程中的运行上下限构成，两种边界面相交所形成封闭区域即为燃料电池系统的安全域。
二维安全域模型为：/>。
其中，，/>分别为燃料电池系统状态变量/>的下安全约束边界面以及上安全约束边界面，/>，/>分别为燃料电池系统状态变量/>的下安全约束边界面以及上安全约束边界面，/>，/>分别为燃料电池系统状态变量/>的下运行约束边界面以及上运行约束边界面，/>，/>分别为燃料电池系统状态变量/>的下运行约束边界面以及上运行约束边界面。
在实际应用中，所述步骤105具体包括：根据所述安全约束确定安全约束边界面；基于所述二维安全域断面的边界线，根据所述运行约束确定运行约束边界面；通过多项式拟合方式，根据所述安全约束边界面以及运行约束边界面确定所述燃料电池系统的安全域边界面。
其中，通过多项式拟合方式，根据所述安全约束边界面以及运行约束边界面确定所述燃料电池系统的安全域边界面，具体包括以下步骤。
燃料电池系统的安全约束边界面对应着状态点/>的上下限，在欧式空间中通常和坐标轴垂直，因此可以直接得到边界面的表达式/>，而对于运行约束边界面/>，可以通过拟合法求解边界面的表达式。该方法基于燃料电池系统模型，通过模型仿真的方法计算得到一系列的临界状态点，考虑这些状态点中的变量具有不同量纲，因此进行归一化处理，最后通过多项式拟合计算出约束边界面的拟合表达式，具体步骤如下。
（1）确定所要求解的运行约束边界面并给定相应的运行约束条件。
（2）选取正交表来搜寻所述二维安全域断面的边界线上临界状态点的方向。
（3）判断搜寻到的状态点是否为临界状态点，如果是临界状态点，则继续使用正交表确定下一个状态点的初始值，如果不是临界状态点，则改变当前的运行状态，重复上述步骤，直至其成为临界状态点。
（4）考虑到状态点具有不同的量纲，为方便后续计算，将搜寻到的临界状态点进行归一化处理。
（5）使用多项式拟合法对归一化后的临界状态点进行拟合，得到约束边界面的方程表达式，即状态点对应的运行约束边界面/>。
假设采集到的临界状态点为，q为临界状态点的序号，m为临界状态点总数，则状态点可以拟合成如下所示的n次多项式：；其中，/>~/>为拟合系数。
（6）根据该多项式确定安全域边界面表达式。
对燃料电池系统而言，本发明所构建的燃料电池系统的安全域作为一种定量模型，从整体角度描述系统可安全稳定运行区域，可结合三维安全域模型提出安全控制策略，实现系统的安全控制。燃料电池系统安全域建模对于保障系统的安全具有重要作用，填补了燃料电池系统安全研究方面研究的空白。
所提出燃料电池系统安全域建模方法可以准确反应状态变量的安全区域，便于直观判断状态点是否安全，具有高精度，高可靠性的特点。
与其他燃料电池系统安全研究方法相比，本发明所提出的安全域方法可实现可视化监测，从而提出控制策略改变燃料电池系统各状态变量的大小，使其保持在安全域内。
实施例二：基于matlab simulink的燃料电池系统模型和安全域建模方法，对燃料电池系统的电、气、热三种能量状态的约束，进行仿真数据采集并刻画其安全域。
选取的仿真模型参数如下表1所示。
拟选取三个观测变量：燃料电池输出功率，燃料电池电堆温度/>、燃料电池阴阳极的进气压力/>，即选取变量组合/>作为状态点来求解燃料电池系统的三维可视化安全域，即三维安全域模型。
燃料电池电堆的工作温度范围一般为0~100℃，在刻画安全域时需留有一定裕度，设定电堆温度上下限分别为90℃和30℃。假设阴阳极两侧的进气压力相同，同时设定进气压力上下限为1.6bar和1.0bar。
采集在电流密度在0.1~1.2A/cm2下，进气压力为1.0-1.6bar，电堆温度为30-90℃时的电堆输出功率的变化数据，电流密度步长设置为0.1，压力步长设置为0.1bar，温度步长设置为5℃。采集不同电堆温度和进气压力下的电堆输出功率数据，最终绘出的系统三维安全域模型的三维可视化安全域如下图2所示，其中，Bs1，Bs2，Bs3，Bs4为安全约束边界面，即四个侧面，Br1，Br2为运行约束边界面，即上下两个面。
在三维可视化安全域中，提取所重点关注的两个状态变量，得到三维安全域在二维空间的安全域断面，降维过程如图3-图5所示。
提取状态变量电堆温度和功率，采用非线性优化的方法进行求解其二维断面，刻画电堆温度和功率的安全域断面如图6所示。
由图6可以看出，一系列曲线形成了一个封闭区域，即燃料电池系统电堆温度和功率的二维安全域模型，其中，曲线为该封闭区域的边界线，分别表示电流密度在0.05A/cm2，0.8A/cm2，0.9A/cm2，1.0 A/cm2，1.2A/cm2下燃料电池输出功率随电堆温度的变化情况。
同理，在三维安全域中，提取状态变量进气压力和功率，采用非线性优化的方法进行求解其二维断面，刻画进气压力和功率安全域断面如图7所示。
由图7可以看出，一系列曲线形成了一个封闭区域，即燃料电池系统进气压力和功率的二维安全域模型，其中，曲线为该封闭区域的边界线。
对运行约束边界面和/>进行多项式拟合，拟合结果如下表2所示。
综上，建立三维安全域模型，可用于判断燃料电池系统安全状态，燃料电池系统各状态变量，如电堆温度、进气压力等位于安全域内，则判定燃料电池系统的运行状态是正常安全的；若状态变量少数位于安全域之外，但燃料电池系统仍能正常运行，则其运行状态为正常不安全，并且可能存在隐患；若状态变量多数位于安全域之外，导致燃料电池系统不能正常运行，则其运行状态为紧急状态，需要采取措施使系统运行恢复正常。三维安全域模型可以为燃料电池系统安全控制提供理论基础。
实施例三：为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种燃料电池系统安全域建模系统。
一种燃料电池系统安全域建模系统，包括：系统数据获取模块，用于获取燃料电池系统的系统数据，并基于所述系统数据构建所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束；所述系统数据包括电压、电流、输出功率、氢气压力、氧气压力、氢气质量流量、氧气质量流量以及温度。
状态变量生成模块，用于根据所述系统数据确定所述燃料电池系统的运行状态特征，得到状态变量。
三维安全域模型建立模块，用于基于所述安全约束以及所述运行约束，根据所述状态变量建立所述燃料电池系统的三维安全域模型；所述三维安全域模型为所述燃料电池系统的各状态变量的集合。
降维模块，用于将所述三维安全域模型降维为二维安全域模型。
安全域边界面确定模块，用于基于所述二维安全域模型，根据所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束确定所述燃料电池系统的安全域边界面。
在实际应用中，所述安全约束，具体包括：。
。
。
。
。
。
其中，为燃料电池的电压，/>为燃料电池的最小电压，/>为燃料电池的最大电压，/>为燃料电池的电流，/>为燃料电池的最小电流，/>为燃料电池的最大电流，/>为燃料电池的输出功率，/>为燃料电池的最小输出功率，/>为燃料电池的最大输出功率，/>为进入电堆的氢气或氧气的压力，/>为进入电堆的氢气或氧气的最小压力，/>为进入电堆的氢气或氧气的最大压力，/>为氢气或氧气的质量流量，/>为氢气或氧气的最小质量流量，/>为氢气或氧气的最大质量流量，/>为燃料电池的温度，/>为燃料电池的最小温度，/>为燃料电池的最大温度。
在实际应用中，所述运行约束，具体包括：电功率约束、气体约束以及热约束；所述电功率约束为燃料电池发动机的效率约束；所述效率约束为：；其中，/>为燃料电池发动机的效率，/>为所述燃料电池系统的净输出功率，/>为氢气的质量流量，为氢气的低热值。
所述气体约束为将所述燃料电池两端的电压压差控制在设定压差范围内。
所述热约束为；其中，/>为电堆的比热容，/>为电堆的质量，/>为电堆温度，/>为电堆反应产生的热功率，/>为未参与反应气体离开电堆带出的热功率，/>是电堆与环境进行热交换的热功率，/>为电堆内热流穿透管壁由冷却液带走的热功率；t为时间。
实施例四
本发明实施例提供一种电子设备包括存储器及处理器，该存储器用于存储计算机程序，该处理器运行计算机程序以使电子设备执行实施例一提供的燃料电池系统安全域建模方法。
在实际应用中，上述电子设备可以是服务器。
在实际应用中，电子设备包括：至少一个处理器（processor）、存储器（memory）、总线及通信接口（Communications Interface）。
其中：处理器、通信接口、以及存储器通过通信总线完成相互间的通信。
通信接口，用于与其它设备进行通信。
处理器，用于执行程序，具体可以执行上述实施例所述的方法。
具体地，程序可以包括程序代码，该程序代码包括计算机操作指令。
处理器可能是中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC（Application SpecificIntegrated Circuit），或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。电子设备包括的一个或多个处理器，可以是同一类型的处理器，如一个或多个CPU；也可以是不同类型的处理器，如一个或多个CPU以及一个或多个ASIC。
存储器，用于存放程序。存储器可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器（non-volatile memory），例如至少一个磁盘存储器。
基于以上实施例的描述，本申请实施例提供一种存储介质，其上存储有计算机程序指令，计算机程序指令可被处理器执行以实现任意实施例所述的方法。
本申请实施例提供的燃料电池系统安全域建模系统以多种形式存在，包括但不限于：
（1）移动通信设备：这类设备的特点是具备移动通信功能，并且以提供语音、数据通信为主要目标。这类终端包括：智能手机多媒体手机以及功能性手机等。
（2）超移动个人计算机设备：这类设备属于个人计算机的范畴，有计算和处理功能，一般也具备移动上网性能。这类终端包括：PDA、MID和UMPC设备等。
（3）便携式娱乐设备：这类设备可以显示和播放多媒体内容。该类设备包括：音频、视频播放器，掌上游戏机，电子书，以及智能玩具和便携式车载导航设备。
（4）其他具有数据交互功能的电子设备。
至此，已经对本主题的特定实施例进行了描述。在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序，以实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理可以是有利的。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器（CPU）、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器（RAM）和/或非易失性内存等形式，如只读存储器（ROM）或闪存（flash RAM）。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存（PRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、其他类型的随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器（CD-ROM）、数字多功能光盘（DVD）或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带、磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体（transitory media），如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定事务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行事务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统安全域建模方法，其特征在于，包括：
获取燃料电池系统的系统数据，并基于所述系统数据构建所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束；所述系统数据包括电压、电流、输出功率、氢气压力、氧气压力、氢气质量流量、氧气质量流量以及温度；
根据所述系统数据确定所述燃料电池系统的运行状态特征，得到状态变量；
基于所述安全约束以及所述运行约束，根据所述状态变量建立所述燃料电池系统的三维安全域模型；所述三维安全域模型为所述燃料电池系统的各状态变量的集合；
将所述三维安全域模型降维为二维安全域模型；
基于所述二维安全域模型，根据所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束确定所述燃料电池系统的安全域边界面。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统安全域建模方法，其特征在于，所述安全约束，具体包括：
；
；
；
；
；
；
其中，为燃料电池的电压，/>为燃料电池的最小电压，/>为燃料电池的最大电压，为燃料电池的电流，/>为燃料电池的最小电流，/>为燃料电池的最大电流，/>为燃料电池的输出功率，/>为燃料电池的最小输出功率，/>为燃料电池的最大输出功率，/>为进入电堆的氢气或氧气的压力，/>为进入电堆的氢气或氧气的最小压力，/>为进入电堆的氢气或氧气的最大压力，/>为氢气或氧气的质量流量，/>为氢气或氧气的最小质量流量，/>为氢气或氧气的最大质量流量，/>为燃料电池的温度，/>为燃料电池的最小温度，/>为燃料电池的最大温度。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统安全域建模方法，其特征在于，所述运行约束，具体包括：电功率约束、气体约束以及热约束；
所述电功率约束为燃料电池发动机的效率约束；所述效率约束为：；其中，/>为燃料电池发动机的效率，/>为所述燃料电池系统的净输出功率，/>为氢气的质量流量，/>为氢气的低热值；
所述气体约束为将所述燃料电池两端的电压压差控制在设定压差范围内；
所述热约束为；其中，/>为电堆的比热容，/>为电堆的质量，为电堆温度，/>为电堆反应产生的热功率，/>为未参与反应气体离开电堆带出的热功率，/>是电堆与环境进行热交换的热功率，/>为电堆内热流穿透管壁由冷却液带走的热功率；t为时间。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统安全域建模方法，其特征在于，将所述三维安全域模型降维为二维安全域模型，具体包括：
利用低维空间中的安全域断面刻画方法，提取高维空间的三维安全域模型的状态变量；
刻画提取出的状态变量之间的二维安全域断面，确定所述二维安全域断面在任一状态变量处的上临界状态点以及下临界状态点；
依次连接所有状态变量的上临界状态点以及下临界状态点，确定二维安全域断面的边界线；
根据二维安全域断面的边界线确定二维安全域模型。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统安全域建模方法，其特征在于，基于所述二维安全域模型，根据所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束确定所述燃料电池系统的安全域边界面，具体包括：
根据所述安全约束确定安全约束边界面；
基于所述二维安全域断面的边界线，根据所述运行约束确定运行约束边界面；
通过多项式拟合方式，根据所述安全约束边界面以及运行约束边界面确定所述燃料电池系统的安全域边界面。
6.一种燃料电池系统安全域建模系统，其特征在于，包括：
系统数据获取模块，用于获取燃料电池系统的系统数据，并基于所述系统数据构建所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束；所述系统数据包括电压、电流、输出功率、氢气压力、氧气压力、氢气质量流量、氧气质量流量以及温度；
状态变量生成模块，用于根据所述系统数据确定所述燃料电池系统的运行状态特征，得到状态变量；
三维安全域模型建立模块，用于基于所述安全约束以及所述运行约束，根据所述状态变量建立所述燃料电池系统的三维安全域模型；所述三维安全域模型为所述燃料电池系统的各状态变量的集合；
降维模块，用于将所述三维安全域模型降维为二维安全域模型；
安全域边界面确定模块，用于基于所述二维安全域模型，根据所述燃料电池系统的安全约束以及运行约束确定所述燃料电池系统的安全域边界面。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统安全域建模系统，其特征在于，所述安全约束，具体包括：
；
；
；
；
；
；
其中，为燃料电池的电压，/>为燃料电池的最小电压，/>为燃料电池的最大电压，为燃料电池的电流，/>为燃料电池的最小电流，/>为燃料电池的最大电流，/>为燃料电池的输出功率，/>为燃料电池的最小输出功率，/>为燃料电池的最大输出功率，/>为进入电堆的氢气或氧气的压力，/>为进入电堆的氢气或氧气的最小压力，/>为进入电堆的氢气或氧气的最大压力，/>为氢气或氧气的质量流量，/>为氢气或氧气的最小质量流量，为氢气或氧气的最大质量流量，/>为燃料电池的温度，/>为燃料电池的最小温度，为燃料电池的最大温度。
8.根据权利要求6所述的燃料电池系统安全域建模系统，其特征在于，所述运行约束，具体包括：电功率约束、气体约束以及热约束；
所述电功率约束为燃料电池发动机的效率约束；所述效率约束为：；其中，/>为燃料电池发动机的效率，/>为所述燃料电池系统的净输出功率，/>为氢气的质量流量，/>为氢气的低热值；
所述气体约束为将所述燃料电池两端的电压压差控制在设定压差范围内；
所述热约束为；其中，/>为电堆的比热容，/>为电堆的质量，/>为电堆温度，/>为电堆反应产生的热功率，/>为未参与反应气体离开电堆带出的热功率，/>是电堆与环境进行热交换的热功率，/>为电堆内热流穿透管壁由冷却液带走的热功率；t为时间。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行如权利要求1-5中任一项所述的燃料电池系统安全域建模方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的燃料电池系统安全域建模方法。
CN202311665865.5A 2023-12-07 2023-12-07 一种燃料电池系统安全域建模方法、系统及设备 Active CN117374327B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311665865.5A CN117374327B (zh) 2023-12-07 2023-12-07 一种燃料电池系统安全域建模方法、系统及设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311665865.5A CN117374327B (zh) 2023-12-07 2023-12-07 一种燃料电池系统安全域建模方法、系统及设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117374327A true CN117374327A (zh) 2024-01-09
CN117374327B CN117374327B (zh) 2024-02-23

Family

ID=89393225

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311665865.5A Active CN117374327B (zh) 2023-12-07 2023-12-07 一种燃料电池系统安全域建模方法、系统及设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117374327B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102097636A (zh) * 2011-01-07 2011-06-15 武汉理工大学 一种燃料电池系统的故障诊断装置及方法
CN102097665A (zh) * 2009-12-10 2011-06-15 山东申普汽车控制技术有限公司 基于灰色系统预测理论的铅酸蓄电池无损快速充电方法
CN102680903A (zh) * 2012-05-11 2012-09-19 山东轻工业学院 便携式蓄电池状态检测系统及其检测方法
CN113609792A (zh) * 2021-05-26 2021-11-05 浙江大学 一种基于功率流动的多学科建模方法
CN114707369A (zh) * 2022-06-07 2022-07-05 武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司 一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法
CN114744254A (zh) * 2022-04-28 2022-07-12 武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司 氢气循环泵在燃料电池系统中的建模方法
CN116231000A (zh) * 2022-12-29 2023-06-06 苏州溯驭技术有限公司 一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法
CN117134431A (zh) * 2023-09-06 2023-11-28 天津大学 一种电力系统能碳耦合安全域模型构建方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102097665A (zh) * 2009-12-10 2011-06-15 山东申普汽车控制技术有限公司 基于灰色系统预测理论的铅酸蓄电池无损快速充电方法
CN102097636A (zh) * 2011-01-07 2011-06-15 武汉理工大学 一种燃料电池系统的故障诊断装置及方法
CN102680903A (zh) * 2012-05-11 2012-09-19 山东轻工业学院 便携式蓄电池状态检测系统及其检测方法
CN113609792A (zh) * 2021-05-26 2021-11-05 浙江大学 一种基于功率流动的多学科建模方法
CN114744254A (zh) * 2022-04-28 2022-07-12 武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司 氢气循环泵在燃料电池系统中的建模方法
CN114707369A (zh) * 2022-06-07 2022-07-05 武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司 一种基于空压机的燃料电池空路子系统建模仿真方法
CN116231000A (zh) * 2022-12-29 2023-06-06 苏州溯驭技术有限公司 一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法
CN117134431A (zh) * 2023-09-06 2023-11-28 天津大学 一种电力系统能碳耦合安全域模型构建方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN117374327B (zh) 2024-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Boettner et al. Proton exchange membrane fuel cell system model for automotive vehicle simulation and control
Gebregergis et al. Solid oxide fuel cell modeling
Roberts et al. Dynamic simulation of a pressurized 220kW solid oxide fuel-cell–gas-turbine hybrid system: modeled performance compared to measured results
Hacker et al. Fuel cells and hydrogen: from fundamentals to applied research
Fu et al. Design and experimental results of small-scale rotary engines
Wang et al. Thermal management system modeling and simulation of a full-powered fuel cell vehicle
Wang et al. Maximum power point tracking control method for proton exchange membrane fuel cell
Aman et al. A short review on the modeling of solid-oxide fuel cells by using computational fluid dynamics: assumptions and boundary conditions
Hu The current status of hydrogen and fuel cell development in China
CN117374327B (zh) 一种燃料电池系统安全域建模方法、系统及设备
Sasmito et al. Computational study of edge cooling for open-cathode polymer electrolyte fuel cell stacks
Bedont et al. Off-design performance analysis of a hybrid system based on an existing molten fuel cell stack
Nunoshita et al. Simulation of All-Solid-State Lithium-Ion Batteries With Fastening Stress and Volume Expansion
Adhikari et al. Modeling, control, and integration of a portable solid oxide fuel cell system
Li Thermodynamic analysis of polymer-electrolyte-membrane fuel-cell performance under varying cooling conditions
CN117691157A (zh) 一种燃料电池系统安全预防控制方法、系统及设备
Aziz et al. Modeling and Experimental investigation for PEMFC to achieve high Fuel Cell performance
CN113644680A (zh) 一种交直流混联配电系统不确定扰动下的可达性分析方法
Vijay et al. Constant fuel utilization operation of a SOFC system: An efficiency viewpoint
Zhong et al. An adaptive direct evaporative cooler that regulates the sub-ambient temperature by controlling the evaporation rate
Dey et al. Special Issue on Energy in Smart Infrastructures: Storage and Utilizations
Dang et al. Conceptual Design and Performance Analysis of SOFC/Micro Gas Turbine Hybrid Distributed Energy System
Tang et al. Assessment of Optimization Strategies for Battery Electrode-Active Particles Based on Chemomechanical Analysis
CN117744413B (zh) 一种固体氧化物燃料电池电堆换热等效方法、设备及介质
Roberts et al. Fuel cell/gas turbine hybrid system control for daily load profile and ambient condition variation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant