[发明专利]一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统及方法

说明书

本发明公开一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统及方法，该系统包括PEMFC物理实体、PEMFC虚拟实体、孪生数据库、服务层及连接；PEMFC虚拟实体用于映射PEMFC物理实体的运行状态，并与孪生数据库间动态互联；孪生数据库用于存储来自PEMFC物理实体与PEMFC虚拟实体的数据；服务层用于根据孪生数据库中的数据进行PEMFC物理实体运行状态的判断和故障预测，并进行相应输入的调控；连接包括外部连接与内部连接；本发明利用五维数字孪生技术极大的改良了质子交换膜燃料电池的测试方法，能够对质子交换膜燃料电池的水淹以及膜干进行预测性的维护。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统及方法。

背景技术

目前，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的应用前景已经十分明了，氢能将成为未来能源的终极解决方案，而质子交换膜燃料电池，将成为氢能利用的一个较好的方式。然而，质子交换膜燃料电池的应用目前主要受制于耐久性以及故障难以预测的条件。而质子交换膜燃料电池内部反应复杂，为多物理场耦合的应用条件，因此难有有效的方式可以进行在线检测其故障。数字孪生系统则能很好的提供质子交换膜燃料电池在使用过程中的测量困难，难以有效的反映故障量的问题。

质子交换膜燃料电池的故障预测与健康管理是其商业化过程中的重要条件。针对多物理场耦合的工况，针对质子交换膜燃料电池的故障诊断目前的研究方向主要有三个，一是基于实验的故障诊断方法，二是基于模型的故障诊断方法，三是基于数据驱动的故障诊断方法。但是，在应用过程中，普通传感器难以有效的反映全部的数据，而普通的仿真很难保证高精度的物理映射，基于数据的方法前期需要大量的实验进行采集数据，其中不乏大量的故障样本，这样经济性将受到一定的限制，此外，所述测试实验通常需要由经过良好培训的人员完成。例如，燃料电池系统的调试将涉及多学科知识，包括化学、机械、电化学、电气、电子、仪器仪表和自动化工程，并且需要具有工程经验的专家。燃料电池系统的常规调试通常使用手动操作，这种操作缺乏稳健性并且易于出错。需要以最少人为错误使调试过程自动化，从而将系统质量和寿命最大化。

发明内容

本发明针对目前并没有有效的针对于质子交换膜燃料电池的故障诊断以及健康管理方法，基于模型的方法难以实现高精度的分析，基于试验的方法数据采集并不够客观，基于数据驱动的方法则需要大量的实验测试数据的问题，提出一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提出一种基于五维数字孪生技术的PEMFC故障预测及健康管理系统，包括PEMFC物理实体、PEMFC虚拟实体、孪生数据库、服务层及连接；

所述PEMFC物理实体包括温度调节系统、燃料处理系统及质子交换膜燃料电池电堆；所述质子交换膜燃料电池电堆上连接有传感器；

所述PEMFC虚拟实体用于映射PEMFC物理实体的运行状态，并与孪生数据库间动态互联；

所述孪生数据库用于存储来自PEMFC物理实体与PEMFC虚拟实体的数据；

所述服务层用于根据孪生数据库中PEMFC物理实体与PEMFC虚拟实体的数据进行PEMFC物理实体运行状态的判断和故障预测，并进行相应输入的调控；

所述连接包括外部连接与内部连接；所述外部连接用于通过传感器采集与感知PEMFC物理实体的参数，并将参数上传至孪生数据库以及作为PEMFC虚拟实体的输入；内部连接则用于反馈PEMFC虚拟实体的参数至孪生数据库。

进一步地，所述燃料处理系统包括氢气罐，氢气循环泵，压力调节器，排氢阀，滤清器，空气压缩机以及增湿器；所述氢气罐，氢气循环泵，压力调节器依次相连；所述压力调节器的输出端一端连接质子交换膜燃料电池电堆，一端连接排氢阀；所述滤清器，空气压缩机，增湿器以及质子交换膜燃料电池电堆依次相连。