[发明专利]一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法及系统

说明书

本发明公开了一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法及系统，方法具体步骤为：建立系统故障树，确定底层零部件故障率范围和失效概率函数，根据零部件故障率范围确定地产生相应sigma点和对应权值，确定每次仿真总时间，将总时间等分为时间段，代入一个sigma点数据，随机抽样产生每个零部件的失效概率，计算得出相应失效时间，结合系统故障树函数，得到系统故障时间，多次仿真后，统计故障时间数据，剔除超出偏差范围的仿真数据，根据每个sigma点代入仿真后的结果和相应权值，估计出系统可靠性指标的期望值；本发明方法克服了无迹变换对于高度非线性系统计算精度大为降低的弱点，也大大减少了蒙特卡洛仿真次数，节约了时间和硬件成本。

技术领域

本发明涉及输入量非定值的非线性复杂系统可靠性分析技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池长时运行时使用概率模型仿真分析其可靠性的方法及系统。

背景技术

燃料电池是一种电化学能源转化装置，它将燃料和氧化剂的化学能经电化学反应方式直接转化为电能和热能以供应能量，不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高；环境友好，反应物清洁，无氮氧化物和硫氧化物排放；配置机动灵活，振动和噪声小。因此，燃料电池被认为是21世纪能源技术开发的热点。

燃料电池系统复杂，其电子设备和元器件种类繁多，电磁干扰环境恶劣，在实际运行或台架实验中难免会发生各种故障。燃料电池中大部分组成部件是早已应用于其它领域的成熟产品，因此，燃料电池特性应从部件着手，进行综合分析。

燃料电池性能衰减主要从各个部件的退化开始，质子交换膜、催化剂、电极、双极板和密封材料等都可能发生老化，而电池的辅助单元包含气、水、热管理单元，以及电池的监控单元更是高度复杂的动态系统。任何一个设备或元器件的失效都会影响燃料电池系统正常运行。因此，对燃料电池开展可靠性研究，对促进其今后的产业化发展具有重大意义。

可靠性是指产品或设备在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，系统可靠性评估一直是可靠性工程的重要研究内容之一。由于燃料电池系统联调试验耗费时间和各种成本；且系统复杂，仅通过试验不利于排查故障，无法分析基本设备、元器件可靠性对于系统可靠性的影响，因此需借助于仿真模拟方法来分析其可靠性。燃料电池系统规模较大，难以用数学模型直接描述；并且其中元件故障率受各种因素影响会在一定范围内波动而非定值，因此，燃料电池系统可靠性指标难以精确求得解析值，可采用概率方法得到估计值。

无迹变换作为一种将已知概率分布的输入变量通过非线性变换得到函数值的期望和协方差的方法，对于一般非线性函数计算精度较高，但是燃料电池系统输入变量包括各元件故障率和失效概率，属于高度非线性系统，单纯采用无迹变换方法并不适用。

蒙特卡洛作为一种将已知概率分布的输入变量进行随机抽样，将统计处理结果作为问题近似解的方法，当各元件故障率和失效概率同时作为输入变量时，抽样和仿真次数过多，计算效率低。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的之一是提供一种基于概率分布模型的燃料电池系统的可靠性仿真分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池系统的可靠性仿真分析方法，具体包括下述步骤：

步骤一，建立底层零部件数量为M的系统故障树，由零部件的故障规律确定每个零部件的失效概率函数F_i(t)和每个零部件的故障率变化范围[λ_iL，λ_iU](i＝1，2，3，…，M)，进而得到系统结构函数P，通过函数P可获知每个基本零部件失效后系统能否正常运行；所述的系统结构函数P＝x₁x₂+x₃x₄+x₅+x₆+x₇+…x₃₄+x₃₅，其中用x_i表示每个零部件工作状态：x_i＝0表示零部件正常，x_i＝1表示零部件故障；