1.本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种基于阻抗信息反馈的燃料电池运行状态闭环管理系统。
背景技术：
2.氢能是一种高效、清洁、可持续的能源形式，具备三个层次的能源属性：热能、电能和交通燃料，被认为是构建未来低碳能源体系的优良载体。质子交换膜燃料电池作为一种重要的氢能利用方式，具有能量转换效率高、环境友好及功率响应快等优点，因而在能源及交通领域具有广泛的应用前景。目前，燃料电池系统的可靠性及耐久性是制约其大规模商业化应用的瓶颈。一般而言，燃料电池系统可靠性及耐久性的提升可从两个层次逐步进行：一方面，电堆及附属部件设计及制造水平的提升，例如开发电催化新材料技术以抵抗复杂动态工况，优化电堆的流场设计以加快水热的排出速度，实现空压机的级联设计为反应提供稳定充足的氧气等；另一方面，通过对集成系统与控制策略的优化，使燃料电池避开不利条件或减少不利条件存在的时间，达到系统稳定可靠运行、延缓电堆寿命衰减的目的。本发明从上述第二方面即集成系统的运行控制与管理的角度来提供j9九游会真人的解决方案。
3.燃料电池系统作为气-水-电-热多物理场耦合的多输入多输出复杂系统，其故障种类繁多(包括电堆故障及附属子系统故障)，故障的特征各异(故障的识别依赖于大量故障数据的分析)，故障起因不同，相应的处理方法也是存在较大差异。因此，遍历所有可能的故障并建立相应的故障诊断及处理方法将是一项庞大的工程。此外，当燃料电池的不利运行状态恶化到可明确诊断为“故障状态”时，该不利条件已对电堆造成了实质性的损害。因此，需要采用逆向思维，通过明确定义燃料电池的“健康状态”，将系统运行维持在“健康状态”，规避亚健康及故障工作区间，保证了系统的高效性和高耐久性。
技术实现要素：
4.针对上述现有技术中的问题，本发明提供了一种基于阻抗信息反馈的燃料电池运行状态闭环管理系统，通过在线测量电堆的阻抗信息，作为电堆运行健康状态的反馈量，与目标阻抗信息作差后控制调节获得运行条件的修正量，从而保持燃料电池运行在目标阻抗附近，该目标阻抗表征了系统运行于“健康状态”，可避免运行于亚健康及故障工作区间，保证了系统的高效性和高耐久性。
5.本发明所采用的技术方案如下：
6.一种基于阻抗信息反馈的燃料电池运行状态闭环管理系统，其特征在于，包括基础条件查找模块、阻抗目标查找模块、闭环控制模块和燃料电池系统，所述燃料电池系统包括辅助子系统和燃料电池电堆；
7.所述基础条件查找模块包括由一一对应的电堆电流和基础运行条件构成的基础条件查找表；所述阻抗目标查找模块包括由一一对应的电堆电流和目标阻抗信息构成的阻抗目标查找表；
8.以当前运行的电堆电流需求i
stk
为外部输入，基础条件查找模块根据i
stk
在基础条件查找表中索引得到对应的基础运行条件x0；阻抗目标查找模块根据i
stk
在阻抗目标查找表中索引得到对应的目标阻抗信息z*；测量得到燃料电池电堆的实测阻抗信息z，将目标阻抗信息z*与实测阻抗信息z的差值δz＝z*-z，输入至闭环控制模块，通过控制算法计算得到运行条件的修正量δx；将修正量δx与基础运行条件x0的叠加量x*＝δx x0，输入至辅助子系统，辅助子系统再向燃料电池电堆提供运行条件x；燃料电池电堆的实测阻抗信息z为燃料电池运行状态闭环管理系统的反馈值。
9.进一步地，基础条件查找表中的基础运行条件和阻抗目标查找表中的目标阻抗信息，均通过在测试平台上对长时间稳定运行的燃料电池电堆进行测量得到。
10.进一步地，x*、δx、x0和x均为由多个操作条件组合而成的向量，包括阴极空气计量比λ
ca
、阴极空气湿度rh
ca
、阳极氢气计量比λ
an
、阳极氢气湿度rh
an
、电堆运行压力p
stk
和电堆运行温度t
stk
。
11.进一步地，闭环控制模块接收到差值δz后，任意选择至少一个操作条件对调控变量，通过控制算法计算得到调控变量为非零值的修正量δx。
12.进一步地，δz、z*和z均为频率范围10hz～10khz内的阻抗幅值相位信息。
13.进一步地，实测阻抗信息z通过对与燃料电池电堆相连的直流变换器(dc-dc)或电子负载施加电流扰动，计算扰动电流与电堆响应电压来获得。
14.本发明的有益效果为：
15.1、本发明提出了一种基于阻抗信息反馈的燃料电池运行状态闭环管理系统，通过实时测量燃料电池电堆的阻抗信息，作为其运行健康状态的指征，以实时调控燃料电池电堆的操作条件，使阻抗信息维持在目标阻抗信息附近，进而保证燃料电池电堆持续、安全和高效地运行；
16.2、本发明通过在原有的基础运行条件上叠加修正量进行调控，从而不改变原有控制系统的设计，便于实施及维护。
附图说明
17.图1为本发明实施例1提出的基于阻抗信息反馈的燃料电池运行状态闭环管理方法的控制框图；
18.图2为本发明实施例1中以阴极空气计量比为调控变量的闭环控制原理框图；
19.图3为本发明实施例1中以阴极空气计量比为调控变量的闭环控制实验结果图。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
21.下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
22.实施例1
23.本实施例提供了一种基于阻抗信息反馈的燃料电池运行状态闭环管理系统，如图1所示，包含如下模块：基础条件查找模块1、阻抗目标查找模块2、闭环控制模块3和燃料电
池系统4；其中，燃料电池系统4包括辅助子系统41和燃料电池电堆42。
24.所述基础条件查找模块1包括由一一对应的电堆电流和基础运行条件构成的基础条件查找表；所述阻抗目标查找模块2包括由一一对应的电堆电流和目标阻抗信息构成的阻抗目标查找表。
25.以当前运行的电堆电流需求i
stk
为外部输入，基础条件查找模块1根据i
stk
在基础条件查找表中索引得到对应的基础运行条件x0；阻抗目标查找模块2根据i
stk
在阻抗目标查找表中索引得到对应的目标阻抗信息z*；测量得到燃料电池电堆42的实测阻抗信息z，将目标阻抗信息z*与实测阻抗信息z的差值δz＝z*-z，输入至闭环控制模块3，通过控制算法计算得到运行条件的修正量δx；将修正量δx与基础运行条件x0的叠加量x*＝δx x0，输入至辅助子系统41，辅助子系统41再向燃料电池电堆42提供运行条件x；燃料电池电堆42的实测阻抗信息z为燃料电池运行状态闭环管理系统的反馈值。
26.本实施例中的x*、δx、x0和x均为由多个操作条件组合而成的向量，具体由阴极空气计量比λ
ca
、阴极空气湿度rh
ca
、阳极氢气计量比λ
an
、阳极氢气湿度rh
an
、电堆运行压力p
stk
和电堆运行温度t
stk
这六个操作条件组成，即(λ
ca
,rh
ca
,λ
an
,rh
an
,p
stk
,t
stk
)；其中，基础运行条件x0为通过在测试平台上长时间测量燃料电池电堆42，而获得的可以使燃料电池电堆42长时间稳定运行的操作条件。
27.因此，本实施例中的基础条件查找表见下表1所示：
28.表1.某型电堆的基础条件查找表
29.电堆电流需求i
stk
λ
ca
rh
ca
λ
an
rh
an
p
stk
t
stk
…………………
0.5a/cm22.648％2.248％60670.6a/cm22.446％2.046％60680.7a/cm22.346％1.946％6068
…………………
30.通过以电堆电流需求i
stk
为索引，可获得不同电堆电流需求i
stk
下的基础运行条件：当i
stk
＝0.5a/cm2时，x0＝(2.6,48％,2.2,48％,60,67)；当i
stk
＝0.6a/cm2时，x0＝(2.4,46％,2.0,46％,60,68)；当i
stk
＝0.7a/cm2时，x0＝(2.3,46％,1.9,46％,60,68)。
31.本实施例中的δz、z*和z均为60hz处的阻抗幅值相位信息；其中，实测阻抗信息z通过对与燃料电池电堆42相连的电子负载施加电流扰动测量得到，施加的扰动比例不超过5％；目标阻抗信息z*作为电堆运行“健康状态”的指征，具体为通过将燃料电池电堆42在测试平台上长时间的测试，而获得的良好运行状态下的阻抗相位信息。
32.因此，本实施例中的阻抗目标查找表见下表2所示：
33.表2.某型电堆的阻抗目标查找表
34.电堆电流需求i
stk
…
0.4a/cm20.5a/cm20.6a/cm20.7a/cm2…
60hz阻抗相位
…
31.8
°
31.3
°
31.3
°
31.3
°…
35.通过以电堆电流需求i
stk
为索引，可获得不同电堆电流需求i
stk
下的目标阻抗信息：当电堆电流需求i
stk
分别为0.5a/cm2、0.6a/cm2和0.7a/cm2时，目标阻抗信息z*均为31.3
°
。
36.本实施例中闭环控制模块3采用单因素控制法，调控变量选用阴极空气计量比λ
ca
，
其控制框图如图2所示。以0.6a/cm2为例，图中目标阻抗信息z*＝θ
60hz
＝31.3
°
，差值δz＝z*-z，经pi(比例积分)控制器运算后得到阴极空气计量比的修正量δλ
ca
，即δx＝(δλ
ca
,0,0,0,0,0)，只改变阴极空气计量比，其他操作条件维持为基础运行条件。其中，pi控制器的表达形式为：式中比例参数k
p
＝-1，积分参数ki＝-0.5，控制周期为0.5秒，k为运行总时长。修正量δλ
ca
与当前阴极空气计量比的基础运行条件λ
ca-ref
＝2.5相加后，得到λ
ca
*＝λ
ca-ref
δλ
ca
，输入至辅助子系统41，辅助子系统41再向燃料电池电堆42提供运行条件x。
37.利用图2所示的控制策略，在0.6
±
0.1a/cm2条件下开展实验，获得如图3所示的结果，可知所设计的控制策略可以维持阻抗相角(实测阻抗信息z)稳定在31.3
°
附近。当阻抗相角(实测阻抗信息z)稳定在目标阻抗信息z*附近时，燃料电池电堆42的平均节电压同样具有很好的平稳性，几乎不随时间发生跌落。
38.上述实施例仅说明本发明的原理及优点，而非用于限制本发明，仅为帮助理解本发明原理，本发明保护范围亦不限于上述的配置和实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。