基于寿命预测的PEMFC延迟退化控制方法及系统

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种基于寿命预测的pemfc延迟退化控制方法及系统。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell, pemfc)因其效率高，无污染，低噪音等优点而吸引到许多领域的注意，无论是在载人航天还是在汽车飞机等交通工具方面都有燃料电池的应用。但是当前耐久性有限、成本高、可靠性低仍是质子交换膜燃料电池系统大规模商业应用的主要障碍。因此故障预测在提高pemfc的可靠耐用性上有着重要作用，首先通过预测pemfc的剩余寿命（remaining useful life，rul），然后利用预测性维护（previously developed maintenance, pdm）可以来延长pemfc的寿命。为了使延长燃料电池的使用寿命，在准确预测燃料电池的剩余寿命后，需要对其运行过程进行控制来达到减缓燃料电池性能退化的目的。因此，延迟退化控制对于保证燃料电池系统的完整性非常重要，可以保障系统连续运行而不会出现故障和停机。

2、然而大多数质子交换膜燃料电池控制研究都集中在系统级的功率跟踪能力上，比如控制阴极中的氧气流量以防止反应物匮乏或者故障容错控制，解决其耐久性问题的延迟退化控制研究较少。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种基于寿命预测的pemfc延迟退化控制方法及系统，从延迟退化控制的角度出发，基于多尺度的pemfc寿命预测形成一种考虑稳态和动态工况下的延迟退化控制策略。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于寿命预测的pemfc延迟退化控制方法，包括：

4、对质子交换膜燃料电池pemfc运行数据进行预处理，获得归一化数据，构成燃料电池的数据集，所述数据集包括燃料电池电池输出电压、老化时间、电流、电压、功率、电池温度、氢气总流量、空气总流量；运行数据包括动态数据和稳态数据；

5、依据燃料电池的数据集搭建pemfc动态工况和稳态工况的寿命预测模块；

6、利用寿命预测模块得到的预测电压退化结果进行电压衰退速率计算，得到稳态和动态工况下的电压退化率曲线；

7、在电压退化速率曲线的基础上，设计参考电压退化速率轨迹，将参考电压退化速率轨迹作为控制目标，引入比例积分微分型迭代学习控制器pid-ilc对pemfc系统进行控制，该控制器的控制对象为燃料电池；

8、通过调整pid迭代控制的参数，使pemfc的实际输出电压退化速率符合参考退化电压速率。

9、进一步地，所述燃料电池的数据集的数据包括输入部分和输出部分；输入部分的特征量包括电堆电压、电流、电池温度、燃料气体压力；输出部分的特征量为预测电压。

10、进一步地，所述对质子交换膜燃料电池pemfc运行数据进行预处理，获得归一化数据包括：首先利用滤波器进行数据平滑，然后进行线性归一化，最后将燃料电池的数据集划分为训练集和测试集。

11、进一步地，所述进行电压衰退速率计算包括：

12、                     （1）

13、式中，为输出电压；t为pemfc当前运行时刻；为电压退化速率的时间间隔，为电压衰退速率。

14、进一步地，引入比例积分微分型迭代学习控制器pid-il 的具体表达式如下：

15、             （2）

16、式中，、和分别为误差、误差积分以及误差导数的增益；k为迭代学习次数，t时刻输出为；k-1时刻的输出为、偏差积分为、偏差为ek-1(t)和偏差的导数为；为误差时间。

17、进一步地，通过控制燃料电池的空气进气压力和氢气进气压力来调节电池输出电压。

18、进一步地，调整pid迭代控制包括如下步骤：

19、步骤1：设置k=0，设置给定参考轨迹yd(t)、初始状态xk(0)、初始控制输入u0(t)；

20、步骤2：设置第k次的操作任务所使用迭代学习率的相关参数值；

21、步骤3：被控系统开始迭代运行，计算被控系统实时输出值与参考轨迹的误差量；

22、步骤4：判断此次迭代得到的输出误差值是否符合停止条件：|yd(t)-yk(t)|<ε，符合则停止迭代，被控系统恢复正常运行：若不符合，转步骤5；ε为输出误差允许的最小值。

23、步骤5：更新迭代学习的控制输入，根据之前批次的控制输入、输出以及二者的误差值产生下一批次迭代控制输入值，同时迭代次数加1并转至步骤4继续运行。

24、本发明还提供一种基于寿命预测的pemfc延迟退化控制系统，包括如下模块：

25、预处理模块，对质子交换膜燃料电池pemfc运行数据进行预处理，获得归一化数据，构成燃料电池的数据集，所述数据集包括燃料电池电池输出电压、老化时间、电流、电压、功率、电池温度、氢气总流量、空气总流量；运行数据包括动态数据和稳态数据 ；

26、工况选择模块，依据燃料电池的数据集搭建pemfc动态工况和稳态工况的寿命预测模块；

27、预测模块，利用寿命预测模块得到的预测电压退化结果进行电压衰退速率计算，得到稳态和动态工况下的电压退化率曲线；

28、参考电压退化速率模块，在电压退化速率曲线的基础上，设计参考电压退化速率轨迹，将参考电压退化速率轨迹作为控制目标，引入比例积分微分型迭代学习控制器pid-ilc对pemfc系统进行控制，该控制器的控制对象为燃料电池 ；

29、控制模块，通过调整pid迭代控制的参数，使pemfc的实际输出电压退化速率符合参考退化电压速率。

30、进一步地，所述预处理模块首先利用滤波器进行数据平滑，然后进行线性归一化，最后将燃料电池的数据集划分为训练集和测试集。

31、进一步地，所述预测模块的输入包括老化时间、电流、电压、功率、电池温度、氢气总流量、空气总流量；所述进行电压衰退速率计算包括：

32、                     （1）

33、式中，为输出电压；t为pemfc当前运行时刻；为电压退化速率的时间间隔，为电压衰退速率。

34、进一步地，所述控制模块中，控制器是pid型迭代学习控制算法，该控制模块通过迭代学习控制算法实现电压退化速率的跟踪，通过调节燃料的进气流量和空气进气流量来完成对电池电压退化的控制；

35、             （2）

36、式中，、和分别为误差、误差积分以及误差导数的增益；k为迭代学习次数，t时刻输出为；k-1时刻的输出为、偏差积分为、偏差为ek-1(t)和偏差的导数为；为误差时间。

37、进一步地，所述工况选择模块对pemfc寿命预测时选择电池运行工况，稳态工况使用稳态寿命预测模型，动态工况时使用动态寿命预测模型。

38、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。

39、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

40、有益效果：

41、本发明采用pid迭代学习控制算法为控制器结合了燃料电池的多尺度寿命预测，在预测电压退化速率的基础上，设置出满足电池稳定运行的参考电压退化速率，通过引入pid迭代学习控制算法控制燃料电池的进气压力来实现跟踪电池参考电压退化速率的目标，达到减缓电压衰减的目的。该方法在每个周期内利用之前的经验来改善控制性能，从而实现更精确的跟踪和控制。对比传统的控制目的，本发明可以延长电池的使用寿命，提高pemfc系统的可靠性。经过本发明的延迟退化控制pemfc在稳态工况和动态工况下的耐久性都明显增加，延迟退化效果明显。