一种燃料电池阻抗域的构建及状态识别方法与流程

本发明涉及燃料电池状态监测与运行控制，具体涉及一种燃料电池阻抗域的构建及状态识别方法。

背景技术：

1、燃料电池运行过程中，其内部电化学反应、质子传导、气体扩散以及水热状态会随工作负载、温度、供气量和压力等条件发生变化。现有燃料电池系统通常利用电压、电流、温度、压力和流量等参数进行状态监测，但此类参数主要反映系统外部运行状态，对于膜干、水淹、供气不足及传质受限等内部状态的早期变化，存在表征不充分、不同异常状态之间不易区分的问题。

2、电化学交流阻抗谱能够反映燃料电池的欧姆传导、活化极化和传质过程，因此可用于内部状态分析。但燃料电池阻抗特征同时受到工作负载及温度、流量、压力等运行参数影响，相同阻抗值在不同运行条件下所对应的状态可能不同。若仅采用单一阻抗参数或固定阈值进行判断，难以充分反映阻抗特征与实际运行工况之间的关联关系。

3、因此，亟需一种能够将燃料电池阻抗特征参数与外部运行状态参数进行关联，并针对不同工作负载建立相应正常状态范围的状态识别方法，以提高不同工况下燃料电池内部状态表征、异常偏移判断及后续运行调节的适应性。

4、经检索，如中国专利文献公开了一种燃料电池阻抗在线监控方法及系统【申请号：202111599685.2，公开号：cn114264881b】，通过实时测量燃料电池高频阻抗、低频阻抗和单电池电压，进一步获得欧姆阻抗、活化极化阻抗和传质阻抗，并分别用于对膜干湿状态、催化剂活性状态以及燃料供应状态进行在线监测。其主要特点在于对电化学阻抗谱进行简化，通过少量特征频率获得能够反映不同极化损失的阻抗参数，以满足燃料电池在线状态监测需求。

5、对比专利虽然能通过欧姆阻抗、活化极化阻抗和传质阻抗对燃料电池内部运行状态进行在线监测，具有利用特征频率简化阻抗测量和直接根据阻抗分量判断相应内部状态的特点，但是本发明不是依据单个阻抗分量直接进行状态判断，而是将阻抗特征参数与冷却温度、阴极流量、压力等运行状态参数进行联合映射，并针对不同工作负载分别构建标准阻抗面、正常阻抗域及多元阻抗域数据库，使实时阻抗值能够结合其所在运行工况进行空间域判断；进一步还能够根据状态点相对于阻抗域的位置进行层级状态划分和渐进调节，上述基于多维阻抗域的状态表征及控制方式是该对比专利未公开的技术内容。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种燃料电池阻抗域的构建及状态识别方法。

2、一种燃料电池阻抗域的构建及状态识别方法，其特征在于，包括：

3、s1、在多个工作负载点下，基于标准工况调整运行状态参数并进行电化学交流阻抗扫频测试，获得阻抗数据及对应状态参数；

4、s2、对阻抗数据进行预处理、质量验证和解析，提取阻抗特征参数并确定其与状态参数的关联关系；

5、s3、选取关联的阻抗特征参数和状态参数构成n维离散数据点集，n≥2；

6、s4、对离散数据点集进行平滑拟合，获得表征阻抗特征参数随状态参数变化的标准阻抗面；

7、s5、按±δ%获得上、下限阻抗面，由二者及状态参数边界包络形成各工作负载点的正常阻抗域，并按工作负载点关联存储形成多元阻抗域数据库。

8、优选的，步骤s1中，在扫频测试的各测试频率下向燃料电池施加交流电流扰动信号，所述交流电流扰动信号表示为：

9、；

10、燃料电池产生的同频响应电压表示为：

11、；

12、所述交流电流扰动信号和同频响应电压的复数形式分别表示为：

13、；

14、；

15、对应角频率下的复数交流阻抗表示为：

16、；

17、其中：

18、；

19、；

20、式中，为时间；为时刻施加于燃料电池的交流电流扰动信号；为燃料电池在时刻产生的同频响应电压；为交流电流扰动信号的幅值；为同频响应电压的幅值；为交流电流扰动信号的角频率，且；为交流电流扰动信号的频率；为交流电流扰动信号的初始相位；为同频响应电压相对于交流电流扰动信号的相位差；为交流电流扰动信号的相量；为同频响应电压的相量；为自然常数；为虚数单位，且；为角频率下的复数交流阻抗；为交流阻抗幅值；为交流阻抗相角；为交流阻抗实部；为交流阻抗虚部。

21、通过上述技术方案，能够根据燃料电池在交流电流扰动作用下产生的同频响应电压，获得对应测试频率下的复数交流阻抗，并进一步得到交流阻抗幅值、交流阻抗相角、交流阻抗实部和交流阻抗虚部，从而形成用于表征燃料电池内部动态过程的电化学交流阻抗数据。

22、具体来说，在某一测试频率下，燃料电池产生的响应电压与施加的交流电流扰动具有相同频率，但二者在幅值和相位上存在差异。交流阻抗幅值由响应电压幅值与扰动电流幅值之比确定，交流阻抗相角由响应电压与扰动电流之间的相位差确定。通过改变测试频率并依次获得对应阻抗，可形成燃料电池电化学交流阻抗谱。

23、在实际应用中，通过上述扫频方式，可以获得不同频率下的阻抗响应，使后续能够结合阻抗实部、阻抗虚部以及不同频率区间的响应特征，对燃料电池内部的欧姆传导、活化极化和传质等过程进行分析，为阻抗特征参数的提取提供基础。

24、优选的，所述电化学交流阻抗扫频测试的频率范围为0.1hz～10khz，测试过程包括：

25、由燃料电池系统控制器向dc/dc变换器下发扰动幅值、扰动频率及电化学交流阻抗测试使能信号；

26、由所述dc/dc变换器内置的电化学交流阻抗功能模块向燃料电池注入扰动信号并检测响应信号；

27、通过快速傅里叶变换对所述扰动信号和响应信号进行解析，以分离有效交流成分，计算各测试频率对应的交流阻抗，并将交流阻抗结果上报至所述燃料电池系统控制器。

28、通过上述技术方案，能够利用燃料电池系统中的dc/dc变换器完成交流扰动的施加、响应信号检测以及交流阻抗计算，使电化学交流阻抗测试能够与燃料电池系统控制过程相结合，并将获得的阻抗结果直接提供给燃料电池系统控制器。

29、具体来说，燃料电池系统控制器根据测试需求向dc/dc变换器下发相应的扰动参数和测试使能信号，dc/dc变换器通过内置的电化学交流阻抗功能模块向燃料电池注入扰动并同步检测响应，再利用快速傅里叶变换从检测信号中分离相应的有效交流成分，由此计算各测试频率下的交流阻抗。该过程与说明书中的在线eis检测过程相对应。

30、在实际应用中，采用上述测试方式，可以借助燃料电池系统已有的控制器和dc/dc变换器获得在线阻抗结果，并将阻抗数据上报至系统控制器，以供后续阻抗数据处理、阻抗特征解析以及阻抗域构建和状态识别使用。

31、优选的，步骤s2包括：

32、采用kramers-kronig检验对所述阻抗数据进行质量验证，以识别仪器噪声和燃料电池不稳定状态对应的数据；

33、以阻抗实部为横轴、阻抗负虚部为纵轴构建nyquist图，根据所nyquist图提取欧姆阻抗、阳极活化极化阻抗、阴极活化极化阻抗和传质阻抗中的至少一种；

34、对通过质量验证的阻抗数据进行弛豫时间分布分析，获得阴极活化极化阻抗和传质阻抗对应的特征信息；

35、对同一运行状态参数组合下的重复采样数据进行统计合并，并排除未通过质量验证的异常数据。

36、通过上述技术方案，能够在阻抗域构建之前对原始阻抗数据进行质量验证和阻抗特征解析，减少信号噪声、测试线缆干扰、系统状态漂移以及电极状态不稳定等因素产生的数据对后续阻抗域构建产生的影响。

37、具体来说，利用kramers-kronig检验识别不满足线性、稳定性和因果性要求的数据，并在通过质量验证的数据基础上构建nyquist图。nyquist图中的高频截距、高频圆弧、中低频圆弧以及低频区域可用于分析不同阻抗过程；同时结合弛豫时间分布分析获得相应特征信息，以辅助区分不同阻抗分量。

38、在实际应用中，将质量验证、nyquist图分析、弛豫时间分布分析以及重复采样数据统计相结合，可以降低异常测试数据造成标准阻抗面拟合失真的可能，并使后续用于构建离散数据点集的阻抗特征参数能够较好地反映对应运行状态下的燃料电池阻抗响应。

39、优选的，所述工作负载点由工作电流或电流密度表征；

40、所述运行状态参数包括冷却温度、阴极计量比、阴极流量、阴极压力和阳极压力中的至少一种；

41、所述阻抗特征参数包括欧姆阻抗、阳极活化极化阻抗、阴极活化极化阻抗和传质阻抗中的至少一种；

42、所述关联的阻抗特征参数和状态参数通过敏感性实验响应幅度、相关系数阈值或主成分分析确定；

43、所述关联的阻抗特征参数和状态参数包括阴极活化极化阻抗和/或传质阻抗与冷却温度、阴极流量、阴极压力和阳极压力中的至少一种的组合；

44、其中，所述阴极活化极化阻抗和传质阻抗用于对燃料电池电堆内部状态变化进行解耦表征，所述运行状态参数用于表征燃料电池电堆的外部运行状态。

45、通过上述技术方案，能够将用于反映燃料电池内部状态变化的阻抗特征参数，与用于反映燃料电池外部运行状态的运行状态参数建立关联，使阻抗特征能够结合实际工作负载和运行条件进行分析，而不是仅依据单一阻抗值进行状态判断。

46、具体来说，不同工作电流或电流密度下，燃料电池内部的电化学反应速率、产水量、产热量、气体消耗量和传质需求均会发生变化，因此，同一运行状态参数在不同工作负载点下可能对应不同的阻抗响应。通过敏感性实验等方式，可以选取与相应运行状态参数具有明显关联关系的阻抗特征参数用于阻抗域构建。

47、在实际应用中，通过将阴极活化极化阻抗、传质阻抗与冷却温度、阴极流量、阴极压力等参数进行组合，可以将燃料电池内部反应动力学和传质状态与外部运行条件进行融合，使同一阻抗值能够结合其对应的负载、温度、流量或压力条件进行判断。

48、优选的，所述阴极流量根据阴极计量比换算得到，阴极计量比表示为：

49、；

50、燃料电池电堆的阴极氧气摩尔消耗流量表示为：

51、；

52、阴极氧气质量消耗流量表示为：

53、；

54、使用空气作为阴极反应气体时，理论阴极空气质量流量表示为：

55、；

56、其中：

57、；

58、实际阴极空气质量流量表示为：

59、；

60、式中，为阴极计量比，为无量纲参数；下标表示阴极；下标表示实际供给值；下标表示理论消耗值；为实际供给至燃料电池阴极的空气质量流量，单位为g/s；为燃料电池阴极电化学反应所需的理论空气质量流量，单位为g/s；为燃料电池电堆的氧气摩尔消耗流量，单位为mol/s；为燃料电池电堆的工作电流，单位为a；为燃料电池电堆所包含的单电池节数，为无量纲正整数；为法拉第常数，单位为c/mol；数值4表示每摩尔氧气参与阴极还原反应所需的电子摩尔数；为阴极氧气质量消耗流量，单位为g/s；为氧气摩尔质量，其值为32g/mol；为空气平均摩尔质量，其值约为29g/mol；为空气中氧气的体积分数，为无量纲参数，取0.21。

61、通过上述技术方案，能够根据阴极计量比、电堆工作电流、电堆所包含的单电池节数以及空气中氧气含量等参数，将阴极计量比换算为实际供给至燃料电池阴极的空气质量流量，从而获得与当前工作负载相对应的阴极流量参数。

62、具体来说，首先根据燃料电池电堆的工作电流和单电池节数确定阴极电化学反应对应的氧气摩尔消耗量，再根据氧气摩尔质量获得氧气质量消耗量；使用空气作为阴极反应气体时，再结合空气中氧气体积分数及空气平均摩尔质量确定理论阴极空气质量流量，并根据阴极计量比获得实际阴极空气质量流量。

63、在实际应用中，阴极计量比可以作为燃料电池控制过程中的供气参数，而由阴极计量比换算得到的阴极空气质量流量则可以直接作为阻抗域中的运行状态参数。说明书中也明确将阴极计量比换算得到的阴极空气质量流量用于与冷却温度和阻抗特征参数共同构成空间点。

64、优选的，步骤s4中，将运行状态参数向量表示为：

65、；

66、将所述标准阻抗面表示为：

67、；

68、各运行状态参数的推荐运行范围所形成的参数空间表示为：

69、；

70、步骤s5中，所述上限阻抗面和下限阻抗面分别表示为：

71、；

72、；

73、其中：

74、；

75、所述正常阻抗域表示为：

76、；

77、式中，n为正常阻抗域的空间维数，且n≥2；x为运行状态参数向量；为第i个运行状态参数；为第i个运行状态参数推荐运行范围的下限值；为第i个运行状态参数推荐运行范围的上限值；为各运行状态参数推荐运行范围形成的参数空间；f(x)为根据离散数据点集进行平滑拟合得到的函数关系；为运行状态参数向量x对应的标准阻抗值；为运行状态参数向量x对应的上限阻抗值；为运行状态参数向量x对应的下限阻抗值；z为正常阻抗域内的阻抗坐标值；为相对于标准阻抗值设定的阻抗偏差百分数；为无量纲的相对阻抗偏差率；d为由上限阻抗面、下限阻抗面及参数空间边界包络形成的正常阻抗域；所述、、和的单位均与所选阻抗特征参数的单位相同；

78、所述阻抗偏差百分数根据同一运行状态参数组合下的多次重复测量结果确定，并使对应的阻抗偏差值大于阻抗测试设备的测量误差。

79、所述阻抗偏差百分数根据同一运行状态参数组合下的多次重复测量结果确定，并使对应的阻抗偏差值大于阻抗测试设备的测量误差。

80、通过上述技术方案，能够根据离散数据点集建立阻抗特征参数随运行状态参数变化的标准阻抗面，并在标准阻抗面的基础上形成上限阻抗面和下限阻抗面，使燃料电池的正常运行状态由具有一定范围的空间区域进行表征。

81、具体来说，对有限的离散实验数据进行平滑拟合后，可形成连续的标准阻抗面，使未被实验逐点覆盖的运行状态参数组合也能够获得相应的参考阻抗值。该标准阻抗面用于表示对应工作负载点下阻抗特征参数与运行状态参数之间的基准关系。

82、在实际应用中，燃料电池实际阻抗值会受到测试误差和运行状态波动等因素影响，因此在标准阻抗面基础上设置允许偏差，并由上限阻抗面、下限阻抗面及运行状态参数边界形成正常阻抗域。将阻抗偏差设置为大于设备测量误差，可以减少正常测量波动被判断为异常偏移的情况。

83、优选的，燃料电池运行过程中，将实时采集的运行状态参数表示为：

84、；

85、并将实时提取的阻抗特征参数和所述运行状态参数映射为实时状态点：

86、；

87、当满足：

88、；

89、时，判定燃料电池处于对应工作负载点下的正常运行状态；当满足：

90、；

91、时，判定燃料电池的实时运行状态相对于所述正常阻抗域发生偏移；

92、式中，为实时运行状态参数向量；下标rt表示实时测量值；为实时采集的第i个运行状态参数；为根据实时电化学交流阻抗测试数据提取的阻抗特征参数；为燃料电池当前运行状态在所述n维空间内对应的实时状态点；为第k个工作负载点下的正常阻抗域；

93、分别构建不同工作电流或不同电流密度下的阴极活化极化阻抗域和传质阻抗域，并按照工作负载点进行关联存储，以形成所述多元阻抗域数据库；按照周期性重新标定或根据关键运行状态参数重新构建正常阻抗域，对所述多元阻抗域数据库进行迭代更新。

94、通过上述技术方案，能够将燃料电池实时采集的运行状态参数与实时提取的阻抗特征参数共同映射至当前工作负载点对应的正常阻抗域中，通过实时状态点与正常阻抗域之间的位置关系确定燃料电池当前状态是否相对于标定正常状态发生偏移。

95、具体来说，由于不同工作电流或电流密度下燃料电池的产热量、产水量、气体消耗量、极化损失和传质状态存在差异，本发明分别在多个工作负载点下构建正常阻抗域，并按照工作负载点及阻抗特征参数进行关联存储，以形成多元阻抗域数据库。

96、在实际应用中，燃料电池系统控制器可以根据当前工作电流或电流密度调用相应的正常阻抗域，再将实时状态点映射到所调用的阻抗域中进行状态判断。同时，随着燃料电池运行时间增加，还可以根据周期性重新标定结果或关键运行状态参数重新构建正常阻抗域，对数据库进行迭代更新。

97、优选的，当所述正常阻抗域由两个运行状态参数和一个阻抗特征参数构成三维空间时，还包括构建层级状态空间，具体为：

98、选取具体阻抗值r，以阻抗坐标满足下式的截交面与所述正常阻抗域相截交：

99、；

100、所述截交面与标准阻抗面相交形成核心控制线：

101、；

102、所述截交面与第一下偏差控制面和第一上偏差控制面相交，分别形成下缓冲界和上缓冲界：

103、；

104、；

105、所述截交面与第二下偏差控制面和第二上偏差控制面相交，分别形成下异常边界和上异常边界：

106、；

107、；

108、其中：

109、；

110、式中，r为用于截切正常阻抗域的具体阻抗值，其单位与所选阻抗特征参数的单位相同；表示阻抗坐标值恒定为r的截交面；为核心控制线；为下缓冲界；为上缓冲界；为下异常边界；为上异常边界；为缓冲边界相对于标准阻抗值的第一偏差百分数；为异常边界相对于标准阻抗值的第二偏差百分数；为第一相对阻抗偏差率；为第二相对阻抗偏差率；

111、根据所述核心控制线、下缓冲界、上缓冲界、下异常边界和上异常边界，将所述截交面控制区划分为核心稳定区、缓冲过渡区、动态调节区和异常状态区。

112、通过上述技术方案，能够在已构建正常阻抗域的基础上，以具体阻抗值对三维阻抗域进行截切，将三维空间中的阻抗域转换为对应阻抗条件下的参量控制区，并进一步根据不同偏差范围形成具有不同状态含义的层级区域。

113、具体来说，截交面与标准阻抗面相交形成核心控制线，该核心控制线对应当前阻抗值下的基准状态；截交面与不同偏差控制面相交后分别形成缓冲界和异常边界，由此可根据实时状态点相对于核心控制线及不同边界的位置，将燃料电池状态划分为不同层级。说明书将该层级状态空间用于把阻抗域判断结果进一步转换为相应的控制区域和控制动作。

114、在实际应用中，实时状态点位于核心稳定区、缓冲过渡区、动态调节区或异常状态区时，可以分别对应不同程度的运行状态偏移，使系统能够区分正常状态、小幅偏移、需要主动调节的状态以及需要进一步诊断和镇定处理的异常状态，而不是仅采用正常和异常两种状态进行判断。

115、优选的，将燃料电池在所述截交面上的实时状态点表示为：

116、；

117、从所述核心控制线中选取与所述实时状态点距离最近的锚点作为收敛目标：

118、；

119、并根据所述实时状态点与所述锚点之间的方向和距离确定运行状态参数的调节方向和调节幅度；

120、实时状态点位于核心稳定区时保持当前运行状态；实时状态点位于缓冲过渡区时进入观测状态；实时状态点位于动态调节区时调节运行状态参数，以使实时状态点向缓冲过渡区或核心控制线收敛；实时状态点位于异常状态区时启动多维度诊断和镇定控制。

121、通过上述技术方案，能够在完成实时状态点区域判断后，从核心控制线中确定与实时状态点对应的收敛目标，并根据实时状态点与锚点之间的位置关系确定运行状态参数的调节方向和调节幅度，使燃料电池状态能够按照层级状态空间逐步进行调节。

122、具体来说，系统控制器从核心控制线中选取与实时状态点距离最近的点作为锚点，并根据实时状态点与该锚点之间的方向确定运行状态参数的调整方向，根据二者之间的距离确定相应的调整程度。对于状态偏移程度较大的情况，可以先使状态点向缓冲过渡区收敛，再根据燃料电池的后续运行状态决定是否继续向核心稳定区进行渐进调节。

123、在实际应用中，当实时状态点位于核心稳定区时保持当前运行状态；位于缓冲过渡区时进入观测状态；位于动态调节区时，根据状态点与目标区域之间的偏差对运行状态参数进行调节；位于异常状态区时启动多维度诊断和镇定控制。通过这种方式，可以避免状态点从异常区域直接向核心稳定区进行一步式调节所可能造成的控制过冲或执行部件较大波动。

124、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

125、1.本发明将阴极活化极化阻抗、传质阻抗等能够反映燃料电池内部反应与传质状态的阻抗特征参数，与冷却温度、阴极流量、压力等外部运行状态参数进行联合表征，并在多维空间内构建正常阻抗域。相较于仅依据单一阻抗值或固定阈值进行判断，该方式能够结合实际运行条件分析阻抗变化，使同一阻抗特征在不同工况下得到更有针对性的状态判定。

126、2.本发明针对不同工作电流或电流密度分别建立对应的阻抗域，并将各负载点下形成的正常阻抗域关联存储为多元阻抗域数据库。燃料电池运行时，可根据当前负载调用相应的正常阻抗域，将实时运行状态参数与阻抗特征参数共同映射为空间状态点，从而减少不同负载条件下反应速率、产热、供气需求及传质状态差异对统一阈值判断造成的影响。

127、3.本发明在正常阻抗域基础上进一步划分核心稳定区、缓冲过渡区、动态调节区和异常状态区，并依据实时状态点与目标锚点之间的方向和距离确定运行参数的调节方向及调节幅度。该方式能够把阻抗域的状态识别结果与空压机、冷却系统及压力调节等控制动作联系起来，并通过分阶段、渐进式调节降低状态点跨区域变化时出现控制过冲和执行部件频繁波动的可能。