一种基于温湿度优化轨迹的PEMFC发电系统健康管理方法

本发明属于燃料电池，特别是涉及一种基于温湿度优化轨迹的pemfc发电系统健康管理方法。

背景技术：

1、在各类燃料电池中质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuelcell,pemfc)因为其具有工作温度低、常温下启动时间短、能量密度高、响应速度快的特性在混合动力机车、便携式电源、分布式发电、航空航天以及水下潜器等民用与军用领域展现出广阔的应用前景。

2、但在实际应用中，pemfc发电系统是一个复杂的非线性，强耦合系统，其使用寿命与输出性能会受到温度、湿度、压力和反应物计量比等多维特性的影响，系统运行期间的参数波动将导致性能过早退化，因此限制了pemfc广泛的商业。

3、pemfc发电系统各运行参数中电堆温度与阴极湿度带来的影响最为显著，pemfc发电系统在长时间运行过程中各部件在内部物质传输和反应过程中会不断经历物理损耗和化学损耗。而pemfc系统工作时所伴随的温度湿度变化，负载扰动等，将产生湿热膨胀应力，进一步加快了物理结构和材料的退化以及整体电学和化学性能的退化，致使健康状态加速衰退。现有pemfc发电系统健康管理主要集中于系统短期故障检测与容错控制，忽略了系统长期运行下，因温湿度波动而导致部件老化，系统性能衰退的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种基于温湿度优化轨迹的pemfc发电系统健康管理方法，从pemfc电堆自身特性出发，优化系统运行条件，实现当前电堆材料及设计的基础上，减缓长周期运行下的健康状态与性能衰退，有效提升全生命周期内pemfc发电系统耐久性与高效性。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于温湿度优化轨迹的pemfc发电系统健康管理方法，包括步骤：

3、s100，建立基于电化学活化表面积的pemfc发电系统输出性能衰退模型，包括电堆模型与辅助子系统模型；

4、s200，将pemfc电堆电压与电阻衰退因子融合，建立电堆衰退度指标以表征电化学活化表面衰退程度；

5、s300，融合系统效率及电堆衰退度，建立pemfc发电系统全生命周期健康度指标whd以表征系统综合健康状况；

6、s400，基于控制向量参数化与樽海鞘优化算法ssa，以全生命周期健康度为适应度函数，将连续温湿度轨迹分解为各个时间子区间内温湿度常量的优化；

7、s500，采用自抗扰解耦控制调节加湿器功率和散热风扇风量实现优化温湿度轨迹跟踪。

8、进一步的是，在所述步骤s100中，电堆模型包括电活化表面积衰退模型、电堆电压模型、电堆流场及膜水合模型和电堆温度模型；电堆流场模型及膜水合模型和电堆温度模型向电堆电压模型提供反应气体流量、压力，阴阳极湿度和温度；电活化表面积衰退模型根据提供的温度与阴极湿度向电堆电压模型提供实时电化学活化表面积，最终电堆电压模型根据提供各参数输出电堆电压。

9、所述辅助子系统模型包括供气子系统及其管路模型和加湿散热子系统模型。供气子系统及管路模型用于改变电堆流场及膜水合模型输出的气体流量、压力，加湿散热子系统用于改变电堆温度模型输出温度，电堆流场及膜水合模型输出的阴阳极湿度。

10、进一步的是，所述步骤s200中，电堆衰退度指标计算公式为：

11、

12、其中，df1(t)表示第1个衰退因子在采样时刻t处的值，df2(t)表示第2个衰退因子在采样时刻t处的值，vst(t)为t时刻电化学活化表面积衰退下pemfc发电系统，vst.0(t)为无衰退下的输出电压，n表示归一化处理，rst(t)表示电堆内阻；sdd(t)表示pemfc采样时刻t处的电堆衰退度的值，wi(t)表示第i个衰退因子各采样时刻的权值。

13、进一步的是，所述步骤s300中，所述全生命周期健康度指标计算公式为：

14、

15、其中，tk表示系统总运行时间；α1与β1表示全生命健康度中各成分权值；表示tk时系统平均效率，sdd(tk)表示pemfc采样时刻tk处的电堆衰退度的值。

16、进一步的是，所述系统平均效率计算公式为：

17、

18、其中，ηfc(t)表示t时刻系统效率。

19、进一步的是，在所述步骤s400中，基于控制向量参数化与樽海鞘优化算法ssa，以全生命周期健康度为适应度函数，将连续温湿度轨迹分解为各个时间子区间内温湿度常量的优化，包括步骤：

20、s401，以各子区间时长为l小时等分整个pemfc发电系统全生命周期，共计k个子区间，选用常量基函数作为控制向量参数化，即待优化温度与湿度整定的总参数向量可分别表示为：tst＝[tst.1,tst.2,...,tst.k]与rhca＝[rhca.1,rhca.2,...,rhca.k]，共计2k个待优化参数；

21、s402，设置ssa优化算法参数及优化约束条件，在设定界限内随机形成各个个体的2k维初始位置即初始温度与湿度向量实现种群初始化；

22、s403，计算各个体的适应度函数值，以及约束不等式条件下的越限总和等，通过按适应度排列将种群划分为领导者和追随者；

23、s404，更新领导者速度参数；在领导者更新后，追随者进行更新，对领导者位置跟随的同时探索其他区域；最后，更新最优适应度值与最优位置信息；

24、s405，判断是否满足初始化所设定优化终止条件，若满足其一则最终输出领导者所处位置变量即为最优轨迹，反之返回步骤s403，继续进行优化迭代。

25、进一步的是，所述步骤s403中，适应度函数及不等式约束条件为：

26、

27、其中，min(-whd(tk))为目标适应度函数，即tk时全生命周期健康度最大值，tst.min与tst.max分别表示温度最小值与最大值，δt表示第k至第k+1个子区间的温度阶跃绝对值的最大值，rhca.min与rhca.max分别表示阴极湿度的最小值与最大值。

28、进一步的是，所述步骤s500中，自抗扰解耦控制器包括线性反馈控制率模块、扩张状态观测器模块、静态解耦模块与惯性补偿模块，扩张状态观测器模块实现温度与湿度回路间的状态重构和动态解耦功能，静态耦合模块辅助扩张状态模块提供静态解耦功能，惯性补偿模块位于温度回路，补偿温度回路惯性；通过调节线性反馈率模块参数以改变温湿度回路控制速率与效果。

29、进一步的是，建立所述扩张状态观测器过程，包括步骤：

30、首先，自抗扰解耦控制为温度与湿度双输入，散热器风量与膜加湿器功率双输出，将pemfc发电系统表示为状态空间方程：

31、

32、其中，tst与rhca表示系统运行温度与阴极湿度，与分别为温度的一阶和二阶导数，与分别表示阴极湿度的一阶与二阶导数，控制目标为散热器风量wair与膜加湿器功率phum；w表示系统外部干扰，包括环境干扰和负载干扰；b11和b22是温湿度各控制回路的独立增益，b12和b21是温度与湿度控制回路之间的耦合增益；

33、将各回路增益定义为静态耦合矩阵b：

34、

35、其次，构造扩张状态观测器，将状态空间方程改写为三阶状态空间：

36、

37、并将三阶状态空间中带入扩展后的状态空间方程中，完整表示为：

38、

39、当静态耦合矩阵b可逆时，引入b后的扩张状态观测器构造为：

40、

41、其中，扩张观测器输出状态变量与用于跟踪运行温度tst与阴极湿度rhca，用于跟踪温湿度的一阶导数，通过跟踪系统总扰动，通过调整参数β以实现各阶状态重建和扰动的快速观测。

42、采用本技术方案的有益效果：

43、本发明中所建立的全生命周期健康度指标可有效表征系统效率与电堆衰退度。

44、本发明通过基于控制向量参数化和ssa优化方法可将全周期内温湿轨迹离散化，将无限维的优化问题分散为有限个时间子区内的优化温湿度进行搜索，有利于减小温湿度优化轨迹的计算量。

45、本发明通过自抗扰解耦控制可有效改善温湿度回路之间的耦合作用，减少负载大幅度频繁变动下的温湿度超调量，缩减了温度响应时间，实现优化温湿度轨迹的快速跟踪。

46、本发明实现pemfc发电系统全生命周期内的温湿度运行条件合理调控，可有效延缓电堆衰退，提高pemfc电堆使用寿命及系统效率。