[发明专利]一种质子交换膜燃料电池健康状态量化方法

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池健康状态量化方法，属于混合动力能量分配领域。本发明的质子交换膜燃料电池健康状态量化方法，同时考虑了水含量和电堆实际输出的电压及其变化率，两种因素交叉耦合共同作用，更准确实时反映了PEMFC的健康状态，具有广泛的工程实践意义；采用本发明方法只需要对气体相对湿度和电堆实际输出电压进行测量，即可得到PEMFC的健康状态，操作简便。基于质子交换膜燃料电池健康状态量化方法，本发明在混合动力系统功率分配的过程中，能够同时对PEMFC的健康状态进行管控，从而延缓其性能衰减，提高PEMFC的运行寿命。

技术领域

本发明属于混合动力能量分配领域，更具体地，涉及一种质子交换膜燃料电池健康状态量化方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具有清洁、高效、无污染的特点，在新能源汽车领域得到了广泛的应用，PEMFC工作在常温环境，相对于其他燃料电池，其更便于使用，且PEMFC体积小、重量轻，噪声较小，很适合用于新能源汽车。

目前已有很多学者研究如图1所示的PEMFC与锂电池混合的动力系统,研究方向主要集中在能量分配方法，但传统的能量分配策略往往只关注如何协调PEMFC与锂电池之间的功率分配，忽略了PEMFC和锂电池的自身性能的衰减，没有量化PEMFC和锂电池的使用寿命，为了维持混合动力系统的长时间正常工作，在功率分配的过程中对PEMFC和锂电池进行健康管控十分必要。并且以往的这些动力传动系统配置旨在让燃料电池组提供大部分功率需求，并将电池仅用作高瞬态功率需求的缓冲装置。不同的功率管理策略通常会导致不同的负载循环，这可能会显著影响燃料电池组的寿命。因此，了解燃料电池组的退化机制并通过将这些机制纳入功率管理系统来提高其耐久性非常重要。质子交换膜燃料电池(PEMFC)各种各样的原因下，都有可能导致性能的下降。PEMFC的衰减便指的是出现这种情况而导致的结果。在PEMFC的衰减中，有一部分性能是可以通过一些补救措施来进行还原的，但是还有一部分性能则是永久性的损失。为了能够尽可能的减少PEMFC的衰减，保证PEMFC能够拥有较长的使用寿命，对于PEMFC健康的研究便越来越火热。同时为了保证PEMFC长时间高效率的工作，对于PEMFC混合动力系统也提出了较高的要求。如果不能保证PEMFC的长寿命运行，那么PEMFC在实际使用中便需要频繁地更换电堆，这样不仅不便于PEMFC的使用，而且极大地增加了PEMFC的使用成本。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池健康状态量化方法，其目的在于量化PEMFC使用寿命，进而在混动系统功率分配过程中对其进行健康管控。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种质子交换膜燃料电池健康状态量化方法，包括：

S1.构建ECSA衰减模型；所述ECSA衰减模型包括水含量影响子模型、电压影响子模型和催化层气体流道子模型；其中，水含量影响子模型，用于计算质子交换膜燃料电池当前运行状态下水含量对ECSA的影响因子；

电压影响子模型，用于计算质子交换膜燃料电池电堆实际输出电压及其变化率对ECSA的影响因子；

催化层气体流道子模型，用于根据水含量影响子模型输出的影响因子和电压影响子模型输出的影响因子乘积，计算质子交换膜燃料电池催化层当前的ECSA；

S2.在质子交换膜正常工作状态下，计算电堆内部水含量值并获取当前电堆输出电压及其变化率，将其输入ECSA衰减模型，得到质子交换膜燃料电池当前健康状态。

进一步地，水含量影响子模型的建模过程，

计算质子交换膜不同气体相对湿度对应的水含量；

测量不同水含量下ECSA随时间的变化关系；

根据ECSA随时间变化的对数的斜率，获得水含量对ECSA变化的影响因子。