CN117712431B - 基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，涉及基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法和系统，获取多个单机燃料电池系统的初始基准电压，在正常运行工况下进行耐久性能提前测试，获得基准电压随时间的变化关系；在正常运行工况下实时监控单机燃料电池系统的运行电压，获取实时监测电压和实时电压偏差，计算得到正常运行过程中单机燃料电池系统的真实性能衰减情况；获取单机燃料电池系统运行在各个电流密度点下的性能预期衰减情况及可利用热量情况，计算得到单机燃料电池系统稳定运行时的健康状态边界，对单机燃料电池系统进行工作模式优化。本发明中多机系统衰减性能不一致情况逐步缓解，满足热电负荷比条件下多机燃料电池热电联供系统寿命的提升。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体的，涉及基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法和系统。
背景技术
大功率燃料电池热电联供系统（MW级）一般由多个燃料电池系统组成，在运行过程中常面临两部分问题：
由于每个系统性能一致性的问题，在运行一段时间后出现性能衰减不一致的情况，极端情况下个别系统出现故障造成整体系统寿命的大幅缩减，需要进行优化。
由于热电负荷的需求变化引起的整机系统电热输出比的调控，即部分系统需要更多的产热或者需要更多的电效率，这种动态响应过程会引起寿命的衰减变化。
若已经存在某个或某几个系统性能衰减的情况，这时在面临动态热电输出情况下需要进行相关负荷调节，以确保整体多机系统的寿命和稳定性。
发明内容
根据本发明第一方面，本发明请求保护基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法，应用于多个单机燃料电池系统组成的多机燃料电池系统中，其特征在于，包括：
在正常运行工况下获取所述多机燃料电池系统中每个单机燃料电池系统的初始基准电压，对所述单机燃料电池系统进行耐久性能测试，获得所述单机燃料电池系统的基准电压随时间的变化关系；
在所述正常运行工况下实时监控各个单机燃料电池系统在真实工作过程中的运行电压，获取各个单机燃料电池系统的实时监测电压和实时电压偏差；
依据所述各个单机燃料电池系统的基准电压随时间的变化关系和实时监测电压计算得到正常运行过程中各个单机燃料电池系统的性能预期衰减情况；
获取所述单机燃料电池系统运行在各个电流密度点下的性能预期衰减情况及可利用热量情况，计算得到所述单机燃料电池系统稳定运行时的健康状态边界；
通过所述各个单机燃料电池系统的可利用热量情况、性能预期衰减情况和健康状态边界对各个单机燃料电池系统进行工作模式优化。
进一步地，在正常运行工况下获取所述多机燃料电池系统每个单机燃料电池系统的初始基准电压前还包括：
所述多机燃料电池系统的工况随时间的变化谱表达为：
（1）
其中是系统输出功率，/>是额定功率，Σ为在不同模式运行状态下的加减组合形式，共同组成完整运行工况，f代表不同状态下的函数特征，C为不同状态下的系数因子，等于某一状态下的输出功率除以额定功率，t为不同的运行时间，t的下标i，j，k代表适用于不同的运行时间范围，C的下标i，j，k，m代表不同运行时间下取值不同。
进一步地，所述在正常运行工况下获取所述多机燃料电池系统每个单机燃料电池系统的初始基准电压还包括：
所述多个单机燃料电池系统的初始电压矩阵表达为：
（2）；
其中为燃料电池子系统初始基准电压，V 1 、V 2 、V 3 、V 4 为编号1、编号2、编号3、编号4单机燃料电池系统在指定状态下的初始基准电压值；
若各个单机燃料电池系统初始基准电压值相互偏差超过预设偏差值在初始阶段需要更换单机燃料电池系统。
进一步地，所对所述单机燃料电池系统进行耐久性能测试，获得上述单机燃料电池系统的基准电压随时间的变化关系，还包括：
依据不同单机燃料电池系统性能的差异，获取对应的拟合公式；
拟合过程采用首尾作差拟合或线性拟合法，多机燃料电池系统的基准电压随运行时间的变化关系预测电压矩阵为：
（3）；
式中1、2、3、4为单机系统的编号，M 1 、M 2 、M 3 、M 4 为编号1、编号2、编号3、编号4的单机燃料电池系统的预测电压形式-基准电压随时间的变化关系。
进一步地，所述在所述正常运行工况下实时监控各个单机燃料电池系统在真实工作过程中的运行电压，获取各个单机燃料电池系统的实时监测电压和实时电压偏差，还包括：
各个单机燃料电池系统随运行时间的变化关系实时监测电压矩阵为：
（4）；
式中1、2、3、4为单机燃料电池系统的编号；
根据实时的电压监测情况，在控制策略中实时修正预测电压矩阵；
（5）；
（6）；
式中ε为修正系数；
获得各个单机燃料电池系统之间的实时电压偏差矩阵：
（7）；
式中η为偏差百分比。
进一步地，所述依据所述各个单机燃料电池系统的基准电压随时间的变化关系和实时监测电压计算得到正常运行过程中各个单机燃料电池系统的性能预期衰减情况，还包括：
依据多机燃料电池系统的基准电压随运行时间的变化关系预测电压矩阵和实时修正预测电压/>矩阵带入获得各个单机燃料电池系统之间的预测电压偏差矩阵，作为正常运行工况中各个单机燃料电池系统的性能预期衰减情况：
（8）；
计算各个单机燃料电池系统自身的预期性能衰减速率矩阵：
（9）；
由此计算各个单机燃料电池系统自身的预期性能衰减速率偏差矩阵：
（10）
式（8）代表各个单机燃料电池系统之间性能的偏差；式（10）代表各个单机燃料电池系统之间衰减速率的偏差。
进一步地，所述获取所述单机燃料电池系统运行在各个电流密度点下的性能预期衰减情况及可利用热量情况，计算得到所述单机燃料电池系统稳定运行时的健康状态边界，还包括：
产热量Q如式（11）和输出功率P如式（12）所示：
（11）；
其中，代表反应产热，/>代表欧姆热，两者都正相关于工作过程中的电流密度；
（12）；
其中I代表工作过程中的电流大小，等于电流密度乘以活性面积，活性面积是已知的设计参数；
获得各个单机燃料电池系统运行在预设电流密度区间，间隔每0.2A/cm2获得不同电流密度下的基准电压随运行时间的变化关系预测电压矩阵为：
（13）；
其中，所述N、S、G和式（3）中的M含义相同，且若某编号单机系统的预测电压矩阵M调整为N、S、G中某种形式后，相应计算在式（9）中等效替换；
0.8、1.0、1.2为电流密度大小，单位为A/cm2；
实际可利用的热量与电流密度的关系矩阵可由式（14）得出：
（14）；
式中，c代表冷却液的热容，为根据冷却液类型确定的已知量，m代表冷却液流量，由流量计读数的已知量，ΔT为系统进出口冷却液的温差，由进出口温度传感器读数的已知量；0.8、1.0、1.2为电流密度大小，单位为A/cm2；
利用式（15）获得正常运行工况下的可利用热量Q u：
（15）；
式（15）适用于调控前的所有单机燃料电池系统，m u表示正常运行工况下的冷却液流量，表示正常运行工况下系统进出口冷却液的温差；
部分单机燃料电池系统通过式（13）和（14）调整工况后，各个单机燃料电池系统求和获得的总的热量输出需要和调整前正常运行时的总的可利用热量Q u保持一致。
进一步的，所述通过所述各个单机燃料电池系统的可利用热量情况、性能预期衰减情况和健康状态边界对各个单机燃料电池系统进行工作模式优化，还包括：
利用各个单机燃料电池系统之间的预测电压偏差矩阵和各个单机燃料电池系统自身的预期性能衰减速率偏差矩阵调控各个单机燃料电池系统的工作模式，所述实际可利用的热量与电流密度的关系矩阵作为约束条件获得热量输出；
当各个单机燃料电池系统之间的实时电压偏差矩阵中各个单机燃料电池系统工况稳定运行时电压偏差不小于第一预设值时，调控介入。
进一步地，所述通过所述各个单机燃料电池系统的性能预期衰减情况和健康状态边界对各个单机燃料电池系统进行工作模式优化，还包括：
如果存在部分单机燃料电池系统性能下降，则采用混合运行模式：
性能下降的部分单机燃料电池系统则采用式（13）中计算得到的衰减速率低的工况进行工作，同时若存在总输出功率或热量不足，利用式（8）计算获得的衰减最少的某个或某几个单机燃料电池系统将采用式（13）中高电流密度的运行工况进行工作；
通过式（12）、（14）、（15）计算所需要的所有单机系统运行电流及输出电压的综合总功率和热量输出值。
根据本发明第二方面，本发明请求保护基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化系统，包括：
一个或多个处理器；
存储器，其上存储有一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现所述的基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法。
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法和系统，获取多个单机燃料电池系统的初始基准电压，在正常运行工况下进行耐久性能测试，获得基准电压随时间的变化关系；在正常运行工况下实时监控各个单机燃料电池系统的运行电压，获取实时监测电压和实时电压偏差，计算得到正常运行过程中各个单机燃料电池系统的性能预期衰减情况；获取各个单机燃料电池系统运行的电流密度分布和实际利用热量，计算得到各个单机燃料电池系统稳定运行时的健康状态边界，进而对各个单机燃料电池系统进行工作模式优化。本发明将多机系统衰减性能不一致情况逐步环节，满足热电负荷比条件下多机燃料电池热电联供系统寿命的提升。
附图说明
图1为本发明实施例所请求保护的基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法的工作流程图；
图2为本发明实施例所请求保护的基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法的多机燃料电池系统运行功率示意图；
图3为本发明实施例所请求保护的基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法的燃料电池系统电压随运行时间第一衰减示意图；
图4为本发明实施例所请求保护的基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法的多机燃料电池系统电压实时分布图；
图5为本发明实施例所请求保护的基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法的单机燃料电池系统极化曲线与功率密度图；
图6为本发明实施例所请求保护的基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法的燃料电池系统电压随运行时间第二衰减示意图；
图7为本发明实施例所请求保护的基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化系统的结构示意图。
具体实施方式
根据本发明第一实施例，参照附图1，本发明请求保护基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法，应用于多个单机燃料电池系统组成的多机燃料电池系统中，其特征在于，包括：
步骤S1，在正常运行工况下获取多机燃料电池系统中每个单机燃料电池系统的初始基准电压，对单机燃料电池系统进行耐久性能测试，获得单机燃料电池系统的基准电压随时间的变化关系；
步骤S2，在正常运行工况下实时监控各个单机燃料电池系统在真实工作过程中的运行电压，获取各个单机燃料电池系统的实时监测电压和实时电压偏差；
步骤S3，依据各个单机燃料电池系统的基准电压随时间的变化关系和实时监测电压计算得到正常运行过程中各个单机燃料电池系统的性能预期衰减情况；
步骤S4，获取单机燃料电池系统运行在各个电流密度点下的性能预期衰减情况及可利用热量情况，计算得到单机燃料电池系统稳定运行时的健康状态边界；
步骤S5，通过各个单机燃料电池系统的可利用热量情况、性能预期衰减情况和健康状态边界对各个单机燃料电池系统进行工作模式优化。
进一步的，步骤S1中在正常运行工况下获取多机燃料电池系统每个单机燃料电池系统的初始基准电压前还包括：
多机燃料电池系统的工况随时间的变化谱表达为：
（1）
其中是系统输出功率，/>是额定功率，Σ为在不同模式运行状态下的加减组合形式，共同组成完整运行工况，f代表不同状态下的函数特征，C为不同状态下的系数因子，等于某一状态下的输出功率除以额定功率，t为不同的运行时间，t的下标i，j，k代表适用于不同的运行时间范围，C的下标i，j，k，m代表不同运行时间下取值不同。
其中，在该实施例中，多机燃料电池热电联供系统运行工况依据所需要的电热需求进行调整，但为了系统的寿命更长，一般运行调节频率较慢，以小时计，因此工况制定较为温和。但工况制定过程需要符合实际的应用场景，考虑变载频率，相比于三角波工况，方波或梯形波的运行情况更符合，如图2所示。
进一步的，步骤S1中在正常运行工况下获取多机燃料电池系统每个单机燃料电池系统的初始基准电压还包括：
多个单机燃料电池系统的初始电压矩阵表达为：
（2）；
其中为燃料电池子系统初始基准电压，V 1 、V 2 、V 3 、V 4 为编号1、编号2、编号3、编号4单机燃料电池系统在指定状态下的初始基准电压值；
若各个单机燃料电池系统初始基准电压值相互偏差超过预设偏差值在初始阶段需要更换单机燃料电池系统。
进一步的，步骤S1中对单机燃料电池系统进行耐久性能测试，获得上述单机燃料电池系统的基准电压随时间的变化关系，还包括：
依据不同单机燃料电池系统性能的差异，获取对应的拟合公式；
拟合过程采用首尾作差拟合或线性拟合法，多机燃料电池系统的基准电压随运行时间的变化关系预测电压矩阵为：
（3）；
式中1、2、3、4为单机系统的编号，M 1 、M 2 、M 3 、M 4 为编号1、编号2、编号3、编号4的单机燃料电池系统的预测电压形式-基准电压随时间的变化关系。
其中，在该实施例中，按照图2所示工况提前抽取同批次其他单机燃料电池系统进行耐久性能摸底测试，获得基准电压随时间的变化关系M，作为本多机燃料电池系统的输入条件；如图3所示M=-0.0001t+0.8501，依据不同系统性能的差异，拟合公式也有差异。拟合过程可以采用首尾作差拟合、线性拟合如最小二乘法等。
进一步的，步骤S2，还包括：
各个单机燃料电池系统随运行时间的变化关系实时监测电压矩阵为：
（4）；
式中1、2、3、4为单机燃料电池系统的编号；
根据实时的电压监测情况，在控制策略中实时修正预测电压矩阵；
（5）；
（6）；
式中ε为修正系数；
获得各个单机燃料电池系统之间的实时电压偏差矩阵：
（7）；
式中η为偏差百分比；
其中，在该实施例中，参照图4，为燃料电池多机系统电压实时分布，2号和8号燃料电池系统在运行一段时间后出现性能的明显下降，表明2号和8号为多机系统性能一致性较差的两个单机，其余单机表现出较高的性能一致性。因此需要尽早进行控制策略调控，为2号和8号提前做能量管理策略，确保系统长期健康运行。
进一步的，步骤S3，还包括：
依据多机燃料电池系统的基准电压随运行时间的变化关系预测电压矩阵和实时修正预测电压/>矩阵带入获得各个单机燃料电池系统之间的预测电压偏差矩阵，作为正常运行工况中各个单机燃料电池系统的性能预期衰减情况：
（8）；
计算各个单机燃料电池系统自身的预期性能衰减速率矩阵：
（9）；
由此计算各个单机燃料电池系统自身的预期性能衰减速率偏差矩阵：
（10）
式（8）代表各个单机燃料电池系统之间性能的偏差；式（10）代表各个单机燃料电池系统之间衰减速率的偏差。
其中，在该实施例中，各个单机燃料电池系统之间既不能性能偏差过大，而在进行调控的时候也不能造成各个单机燃料电池系统某个出现较大的衰减速率。
进一步的，步骤S4，还包括：
产热量Q如式（11）和输出功率P如式（12）所示：
（11）；
其中，代表反应产热，/>代表欧姆热，两者都正相关于工作过程中的电流密度；
（12）；
其中I代表工作过程中的电流大小，等于电流密度乘以活性面积，活性面积是已知的设计参数；
提前抽取同批次其他单机燃料电池系统，获得各个单机燃料电池系统运行在预设电流密度区间，间隔每0.2A/cm2获得不同电流密度下的基准电压随运行时间的变化关系预测电压矩阵为：
（13）；
其中，N、S、G和式（3）中的M含义相同，且若某编号单机系统的预测电压矩阵M调整为N、S、G中某种形式后，相应计算在式（9）中等效替换；
0.8、1.0、1.2为电流密度大小，单位为A/cm2；
在获得式（13）的同时，实际可利用的热量与电流密度的关系矩阵可由式（14）得出：
（14）；
式中，c代表冷却液的热容，为根据冷却液类型确定的已知量，m代表冷却液流量，由流量计读数的已知量，ΔT为系统进出口冷却液的温差，由进出口温度传感器读数的已知量；0.8、1.0、1.2为电流密度大小，单位为A/cm2；
利用式（15）获得正常运行工况下的可利用热量Q u：
（15）；
式（15）适用于调控前的所有单机燃料电池系统，m u表示正常运行工况下的冷却液流量，表示正常运行工况下系统进出口冷却液的温差；
部分单机燃料电池系统通过式（13）和（14）调整工况后，各个单机燃料电池系统求和获得的总的热量输出需要和调整前正常运行时的总的可利用热量Q u保持一致。
其中，在该实施例中，燃料电池产热主要由反应热和欧姆热两部分组成，而产热量的大小与电流密度大小紧密相关，在选择区间内电流密度越高，燃料电池的产热量也越大。
产热量Q为正相关于电流密度，因此电流密度越大，产热量也越高。但从图5可以发现功率密度的曲线先增高达到峰值以后将降低（图5中虚线的左右两侧），因此同等的输入功率下可以在峰值功率的左右两侧对应两个不同的电流密度，即同样的功率输出下可以选择两种工作模式，峰值功率的右侧运行时，此时燃料电池运行在高电流密度下，产热量较大。而在峰值功率左侧运行时，此时燃料电池的电流密度较低，产热量较小，对应的图5中电压也较高，但此时燃料电池的效率较高（效率等于实时电压除以理论电压，理论电压是已知量，如1.23V）。因此，可以通过调整部分系统的电压及热量输出实现总体的热电输出目标。
但在不同形式的运行状态下多机系统的寿命不同。低电流密度即高电压运行时对于系统的寿命有不利的影响（腐蚀加剧）；而在高电流密度运行时，系统此时水热管理难度增高，也容易对系统的寿命造成不利的影响（水淹、欠气）等。此外，按照示意图2进行变载运行时（运行功率多样化导致电流密度多样变化）也容易对系统寿命造成不利的影响。最佳的运行状态则为系统稳定运行在一个较为适宜的工况持续稳定运行。
进一步的，步骤S5，还包括：
利用各个单机燃料电池系统之间的预测电压偏差矩阵和各个单机燃料电池系统自身的预期性能衰减速率偏差矩阵调控各个单机燃料电池系统的工作模式，实际可利用的热量与电流密度的关系矩阵作为约束条件获得热量输出；
当各个单机燃料电池系统之间的实时电压偏差矩阵中各个单机燃料电池系统工况稳定运行时电压偏差不小于第一预设值时，调控介入。
其中，在该实施例中，由前述分析可知在不同形式的运行状态下多机系统的寿命不同。由于是线性拟合，通过斜率或者在同一图中作图，非常清晰的可以知晓，此时即式（13）存在某些优于式（3）的运行工况，也存在劣于式（3）的运行工况，如图6所示。图6相比于图3多了三条线，两条虚线一条优于一条劣于式（3）；最上方的实线优于式（3）。即预测电压矩阵式（13）中存在不同衰减性能的工况。
进一步的，步骤S5，还包括：
如果存在部分单机燃料电池系统性能下降，则采用混合运行模式：
性能下降的部分单机燃料电池系统则采用式（13）中计算得到的衰减速率低的工况进行工作，同时若存在总输出功率或热量不足，利用式（8）计算获得的衰减最少的某个或某几个单机燃料电池系统将采用式（13）中高电流密度的运行工况进行工作；
通过式（12）、（14）、（15）计算所需要的所有单机系统运行电流及输出电压的综合总功率和热量输出值。
其中，在该实施例中，若部分单机系统长期运行在高电流密度工况下也有可能造成自身性能损伤速率过快，从而导致原性能较好的单机系统衰减速率过高。因此在选择运行工况时需要兼顾单机系统间的衰减速率。利用式（8）和式（10）进行预测结果进行约束，输入的时间条件如120小时。即通过预测采用该混合运行模式运行120h以后各单机系统的性能表现。若式（8）预测结果不超过5%，且式（10）预测结果不超过10%，则可以采用该工况组合进行，否则进行工况调整，即重新在式（14）中进行选择。同时，部分单机燃料电池系统通过式（13）和（14）调整工况后，各个单机燃料电池系统求和获得的总的热量输出需要和调整前正常运行时的总的可利用热量式（15）Qu保持一致。
此外，在低热电负荷比时，系统总冗余较高，即从图4可以看出，系统在1.5A/cm2电流密度处有峰值的输出功率，但此时系统负荷不高，不需要满载运行，还可选择两种工作模式：
第一种工作模式：部分系统出现严重故障停机，或者无故障，但是性能衰减的较高的某个或某几个系统停机休息，由性能较好的其余系统工作。
第二种工作模式：系统全部参与工作，调控各个单机燃料电池系统的工作模式。
在高热电负荷比时，系统总冗余较低，即从图5可以看出，即如单机系统额定输出功率为200kW，系统此时实际的输出功率超过80%，即160kW以上，系统接近满载运行，还可选择两种工作模式：
第一种工作模式：部分系统出现严重故障停机，由性能较好的其余系统更加满负载工作，但此时负载需求不能超过剩余单机系统的能提供的最大输出值。
第二种工作模式：系统无故障，但部分性能变差，此时系统可以全部参与工作，调控各个单机燃料电池系统的工作模式。
根据本发明第二实施例，参照附图7，本发明请求保护基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化系统，包括：
一个或多个处理器；
存储器，其上存储有一个或多个程序，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现的基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法。本领域技术人员能够理解，本公开所披露的内容可以出现多种变型和改进。例如，以上所描述的各种设备或组件可以通过硬件实现，也可以通过软件、固件、或者三者中的一些或全部的组合实现。
本公开中使用了流程图用来说明根据本公开的实施例的方法的步骤。应当理解的是，前面或后面的步骤不一定按照顺序来精确的进行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分的步骤可通过计算机程序来指令相关硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本公开并不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
除非另有定义，这里使用的所有术语具有与本公开所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
以上是对本公开的说明，而不应被认为是对其的限制。尽管描述了本公开的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本公开的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本公开范围内。应当理解，上面是对本公开的说明，而不应被认为是限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在所附权利要求书的范围内。本公开由权利要求书及其等效物限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法，应用于多个单机燃料电池系统组成的多机燃料电池系统中，其特征在于，包括：
在正常运行工况下获取所述多机燃料电池系统中每个单机燃料电池系统的初始基准电压，对所述单机燃料电池系统进行耐久性能测试，获得所述单机燃料电池系统的基准电压随时间的变化关系；
在所述正常运行工况下实时监控各个单机燃料电池系统在真实工作过程中的运行电压，获取各个单机燃料电池系统的实时监测电压和实时电压偏差；
依据所述各个单机燃料电池系统的基准电压随时间的变化关系和实时监测电压计算得到正常运行过程中各个单机燃料电池系统的性能预期衰减情况；
获取所述单机燃料电池系统运行在各个电流密度点下的性能预期衰减情况及可利用热量情况，计算得到所述单机燃料电池系统稳定运行时的健康状态边界；
通过所述各个单机燃料电池系统的可利用热量情况、性能预期衰减情况和健康状态边界对各个单机燃料电池系统进行工作模式优化；
在正常运行工况下获取所述多机燃料电池系统每个单机燃料电池系统的初始基准电压，还包括：
所述多个单机燃料电池系统的初始电压矩阵表达为：
（2）；
其中为燃料电池子系统初始基准电压，V 1 、V 2 、V 3 、V 4 为编号1、编号2、编号3、编号4单机燃料电池系统在指定状态下的初始基准电压值；
若各个单机燃料电池系统初始基准电压值相互偏差超过预设偏差值在初始阶段需要更换单机燃料电池系统；
所述对所述单机燃料电池系统进行耐久性能测试，获得上述单机燃料电池系统的基准电压随时间的变化关系，还包括：
依据不同单机燃料电池系统性能的差异，获取对应的拟合公式；
拟合过程采用首尾作差拟合或线性拟合法，多机燃料电池系统的基准电压随运行时间的变化关系预测电压矩阵为：
（3）；
式中1、2、3、4为单机系统的编号，M 1 、M 2 、M 3 、M 4 为编号1、编号2、编号3、编号4的单机燃料电池系统的预测电压形式-基准电压随时间的变化关系；
所述在所述正常运行工况下实时监控各个单机燃料电池系统在真实工作过程中的运行电压，获取各个单机燃料电池系统的实时监测电压和实时电压偏差，还包括：
各个单机燃料电池系统随运行时间的变化关系实时监测电压矩阵为：
（4）；
式中1、2、3、4为单机燃料电池系统的编号；
根据实时的电压监测情况，在控制策略中实时修正预测电压矩阵；
（5）；
（6）；
式中ε为修正系数；
获得各个单机燃料电池系统之间的实时电压偏差矩阵：
（7）；
式中η为偏差百分比；
所述依据所述各个单机燃料电池系统的基准电压随时间的变化关系和实时监测电压计算得到正常运行过程中各个单机燃料电池系统的性能预期衰减情况，还包括：
依据多机燃料电池系统的基准电压随运行时间的变化关系预测电压矩阵和实时修正预测电压/>矩阵带入获得各个单机燃料电池系统之间的预测电压偏差矩阵/>，作为正常运行工况中各个单机燃料电池系统的性能预期衰减情况：
（8）；
计算各个单机燃料电池系统自身的预期性能衰减速率矩阵：
（9）；
由此计算各个单机燃料电池系统自身的预期性能衰减速率偏差矩阵：
（10）
式（8）代表各个单机燃料电池系统之间性能的偏差；式（10）代表各个单机燃料电池系统之间衰减速率的偏差；
所述获取所述单机燃料电池系统运行在各个电流密度点下的性能预期衰减情况及可利用热量情况，计算得到所述单机燃料电池系统稳定运行时的健康状态边界，还包括：
产热量Q如式（11）和输出功率P如式（12）所示：
（11）；
其中，代表反应产热，/>代表欧姆热，两者都正相关于工作过程中的电流密度；
（12）；
其中I代表工作过程中的电流大小，等于电流密度乘以活性面积，活性面积是已知的设计参数；
获得各个单机燃料电池系统运行在预设电流密度区间，间隔每0.2A/cm2获得不同电流密度下的基准电压随运行时间的变化关系预测电压矩阵为：
（13）；
其中，所述N、S、G和式（3）中的M含义相同，且若某编号单机燃料电池系统的预测电压矩阵M调整为N、S、G中某种形式后，相应计算在式（9）中等效替换；
0.8、1.0、1.2为电流密度大小，单位为A/cm2；
实际可利用的热量与电流密度的关系矩阵可由式（14）得出：
（14）；
式中，c代表冷却液的热容，为根据冷却液类型确定的已知量，m代表冷却液流量，由流量计读数的已知量，ΔT为系统进出口冷却液的温差，由进出口温度传感器读数的已知量；0.8、1.0、1.2为电流密度大小，单位为A/cm2；
利用式（15）获得正常运行工况下的可利用热量Q u：
（15）；
式（15）适用于调控前的所有单机燃料电池系统，m u表示正常运行工况下的冷却液流量，表示正常运行工况下系统进出口冷却液的温差；
部分单机燃料电池系统通过式（13）和（14）调整工况后，各个单机燃料电池系统求和获得的总的热量输出需要和调整前正常运行时的总的可利用热量Q u保持一致；
所述通过所述各个单机燃料电池系统的可利用热量情况、性能预期衰减情况和健康状态边界对各个单机燃料电池系统进行工作模式优化，还包括：
利用各个单机燃料电池系统之间的预测电压偏差矩阵和各个单机燃料电池系统自身的预期性能衰减速率偏差矩阵调控各个单机燃料电池系统的工作模式，所述实际可利用的热量与电流密度的关系矩阵作为约束条件获得热量输出；
当各个单机燃料电池系统之间的实时电压偏差矩阵中各个单机燃料电池系统工况稳定运行时电压偏差不小于第一预设值时，调控介入；
所述通过所述各个单机燃料电池系统的性能预期衰减情况和健康状态边界对各个单机燃料电池系统进行工作模式优化，还包括：
如果存在部分单机燃料电池系统性能下降，则采用混合运行模式：
性能下降的部分单机燃料电池系统则采用式（13）中计算得到的衰减速率低的工况进行工作，同时若存在总输出功率或热量不足，利用式（8）计算获得的衰减最少的某个或某几个单机燃料电池系统将采用式（13）中高电流密度的运行工况进行工作；
通过式（12）、（14）、（15）计算所需要的所有单机系统运行电流及输出电压的综合总功率和热量输出值。
2.如权利要求1所述的基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法，其特征在于，在正常运行工况下获取所述多机燃料电池系统每个单机燃料电池系统的初始基准电压前还包括：
所述多机燃料电池系统的工况随时间的变化谱表达为：
（1）
其中是系统输出功率，/>是额定功率，Σ为在不同模式运行状态下的加减组合形式，共同组成完整运行工况，f代表不同状态下的函数特征，C为不同状态下的系数因子，等于某一状态下的输出功率除以额定功率，t为不同的运行时间，t的下标i，j，k代表适用于不同的运行时间范围，C的下标i，j，k，m代表不同运行时间下取值不同。
3.基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化系统，包括：
一个或多个处理器；
存储器，其上存储有一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1至2中任意一项所述的基于热电比调控约束的燃料电池系统寿命优化方法。
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