[发明专利]一种基于模型的质子交换膜燃料电池阻抗在线估计方法

说明书

本发明涉及一种基于模型的质子交换膜燃料电池阻抗在线估计方法，包括以下步骤：S1建立适用于实车控制器应用的动态燃料电池集总参数模型；S2采用遗传粒子群混合寻优算法对动态燃料电池集总参数模型进行参数辨识；S3将高频阶跃电流信号施加到辨识后的动态燃料电池集总参数模型中，得到高频电压响应数据；S4对时域数据进行加汉宁窗处理，并采用快速傅里叶变换对燃料电池的电压和电流进行时域到频域转换，基于变换后的电压和电流计算各频率下的燃料电池阻抗。与现有技术相比，本发明具有无需交流激励源、计算量少、速度快、减少频谱泄露等优点。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种基于模型的质子交换膜燃料电池阻抗在线估计方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种以氢能为载体将化学能转化为电能的发电装置，具有反应温度低、动态响应速度快、反应效率高、功率密度高等优点，在交通领域具有广泛的应用前景。但是，燃料电池大规模商业化应用受到耐久性和可靠性制约，主要由供气不足引起的反应饥饿以及不当水管理引起的膜干和水淹造成。为进一步提升燃料电池性能和使用寿命，需要对燃料电池内部状态进行诊断并实时控制。电化学阻抗谱能够解析燃料电池内部不同电化学过程，从而可推断出燃料电池内部关键状态，如质子交换膜内水含量、多孔介质内部液态水含量、反应气体供给状态等，因此广泛用于燃料电池故障诊断。

中国专利CN103904348公开了一种用于诊断燃料电池堆阻抗的方法和系统。该发明主要是先合成不同频率的多个正弦信号，将合成的正弦信号施加于燃料电池堆，获取电压电流数据并进行傅里叶变换，从而计算阻抗。其中，合成多个正弦信号源是本发明方法的关键，因此严重依赖信号发生器和信号合成器，大大增加了硬件成本。

中国专利CN105699902公开了一种用于燃料电池诊断的阻抗测定装置及其方法，该发明主要是利用电流的变动状态对燃料电池组的电流及电压进行采样，并进行阻抗演算，但该方法主要针对一个或两个频率成分进行计算，频率范围宽度不够，高频阻抗获取受到硬件采样频率限制。

中国专利CN107482911公开了一种适用于氢燃料电池堆交流阻抗测试的DC/DC变换器，但该发明DC/DC的拓扑结构为传统boost电路，无法适用于大功率燃料电池系统。另外，中国专利CN109212431优化了DC/DC拓扑结构，但为了产生适用于燃料电池阻抗测试的激励源，硬件成本和复杂度都会增加。

因此，为了减小车载阻抗获取的成本和难度，有必要提出一种适用于实车控制器的宽频率带的在线阻抗计算方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于模型的质子交换膜燃料电池阻抗在线估计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于模型的质子交换膜燃料电池阻抗在线估计方法，包括以下步骤：

S1建立适用于实车控制器应用的动态燃料电池集总参数模型；

S2采用遗传粒子群混合寻优算法对动态燃料电池集总参数模型进行参数辨识；

S3将高频阶跃电流信号施加到辨识后的动态燃料电池集总参数模型中，得到高频电压响应数据；

S4对时域数据进行加汉宁窗处理，并采用快速傅里叶变换对燃料电池的电压和电流进行时域到频域转换，基于变换后的电压和电流计算各频率下的燃料电池阻抗。

所述的步骤S1中，基于以下假设条件建立动态燃料电池集总参数模型，则有：

1)所有气体均视为理想气体；

2)内部气体组分的压力、温度和浓度均匀分布；

3)不考虑热力学动态过程，电池温度视为恒定不变。