燃料电池剩余寿命在线预报方法及装置与流程

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池剩余寿命在线预报方法及装置。

背景技术：

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应转化成电能的清洁能源发电装置，具有能量转换效率高、无污染等优点，将其作为动力电池具有很好的应用前景，并且十分适用于便携式电源、固定电源及军事应用等领域。在燃料电池运行过程当中，尤其是在车用燃料电池领域，寿命问题是燃料电池研究的核心问题之一，延长燃料电池寿命也是当前燃料电池发展的重点任务。因此，对燃料电池寿命进行评估以及预测剩余寿命成为燃料电池寿命研究的重中之重，对剩余寿命进行预测既可以优化燃料电池的使用，也可以对燃料电池的设计和制造进行指导。

相关技术中，一般采用实验室实验和测试的手段，通过在实验室进行加速实验或模拟工况的方法来评估和预测燃料电池寿命，但是实验室的手段很难以准确地匹配实际的运行条件，对燃料电池剩余寿命的预测准确度不高。此外，目前很多寿命预测的方法大多采用性能线性衰减和拟合的方式，但是燃料电池随着运行时间的增加、运行工况的不断变化，性能衰减会呈现非线性下降的趋势，即性能会加速衰减。同时，燃料电池在使用过程中性能衰减率也会随着使用时间和使用条件的变化而发生变化，但是目前很多寿命预测方法难以实时对性能衰减率进行更新和校正，亟待解决。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种燃料电池剩余寿命在线预报方法，该方法可以，实现在线预报，并且提高预测结果准确度，提高预测的实时性。

本发明的另一个目的在于提出一种燃料电池剩余寿命在线预报装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种燃料电池剩余寿命在线预报方法，包括以下步骤：在燃料电池堆运行时，采集电压-时间数据和电流-时间数据，并根据所述电压-时间数据和电流-时间数据获取标定工作电流下的平均单片电压-时间数据，得到所述燃料电池堆的电压衰减率；判断在所述标定工作电流下的截止平均单片电压是否大于预先设定的分离点所对应标定工作电流下的平均单片电压；如果是，则通过线性公式预测所述燃料电池堆的可使用寿命，否则通过非线性公式预测所述可使用寿命；根据所述可使用寿命和已使用寿命的差值得到所述燃料电池堆的剩余寿命；实时显示预报所述燃料电池堆的剩余寿命。

本发明实施例的燃料电池剩余寿命在线预报方法，可以通过对燃料电池的非线性性能衰减进行预测，并根据实时采集的电压-时间数据对燃料电池的衰减率进行实时更新，从而实时更新剩余寿命预测值，实现在线预报，并且提高预测结果准确度，提高预测的实时性。

另外，根据本发明上述实施例的燃料电池剩余寿命在线预报方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过线性公式预测所述燃料电池堆的可使用寿命，进一步包括：

在所述截止平均单片电压大于所述分离点的平均单片电压时，所述电压衰减率为所述燃料电池堆从使用开始至当前状态下的平均单片电压随时间变化率，所述线性公式为：

其中，v0为所述燃料电池堆在所述标定工作电流下的初始平均单片电压，v为所述燃料电池堆在所述标定工作电流下的截止平均单片电压，a为所述电压衰减率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过非线性公式预测所述可使用寿命，进一步包括：

在所述截止平均单片电压小于或等于所述分离点的平均单片电压时，所述电压衰减率为所述燃料电池堆从使用开始至分离点的平均单片电压随时间变化率，所述非线性公式为：

其中，vl为所述燃料电池堆的极限寿命点所对应的在所述标定工作电流下的平均单片电压，vb为所述燃料电池堆预先设定的分离点所对应的在所述标定工作电流下的平均单片电压，e为自然底数常数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述燃料电池堆的极限寿命点所对应的在所述标定工作电流下的平均单片电压处于所述燃料电池堆在所述标定工作电流下的初始平均单片电压的85％-90％范围内。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述截止平均单片电压为根据所述燃料电池堆工作需要为预测燃料电池堆工作至预设电压的剩余寿命时设定的标定工作电流下的平均单片电压；所述预先设定的分离点平均单片电压为电压-时间曲线中线性段与非线性段的分离点，并根据预测精度设定所述分离点平均单片电压。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种燃料电池剩余寿命在线预报装置，包括：采集模块，用于在燃料电池堆运行时，采集电压-时间数据和电流-时间数据，并根据所述电压-时间数据和电流-时间数据获取标定工作电流下的平均单片电压-时间数据，得到所述燃料电池堆的电压衰减率；判断模块，用于判断在所述标定工作电流下的截止平均单片电压是否大于预先设定的分离点所对应标定工作电流下的平均单片电压；如果是，则通过线性公式预测所述燃料电池堆的可使用寿命，否则通过非线性公式预测所述可使用寿命；计算模块，用于根据所述可使用寿命和已使用寿命的差值得到所述燃料电池堆的剩余寿命；显示预报模块，用于实时显示预报所述燃料电池堆的剩余寿命。

本发明实施例的燃料电池剩余寿命在线预报装置，可以通过对燃料电池的非线性性能衰减进行预测，并根据实时采集的电压-时间数据对燃料电池的衰减率进行实时更新，从而实时更新剩余寿命预测值，实现在线预报，并且提高预测结果准确度，提高预测的实时性。

另外，根据本发明上述实施例的燃料电池剩余寿命在线预报装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述判断模块，进一步包括：

在所述截止平均单片电压大于所述分离点的平均单片电压时，所述电压衰减率为所述燃料电池堆从使用开始至当前状态下的平均单片电压随时间变化率，所述线性公式为：

其中，v0为所述燃料电池堆在所述标定工作电流下的初始平均单片电压，v为所述燃料电池堆在所述标定工作电流下的截止平均单片电压，a为所述电压衰减率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过非线性公式预测所述可使用寿命，进一步包括：

在所述截止平均单片电压小于或等于所述分离点的平均单片电压时，所述电压衰减率为所述燃料电池堆从使用开始至分离点的平均单片电压随时间变化率，所述非线性公式为：

其中，vl为所述燃料电池堆的极限寿命点所对应的在所述标定工作电流下的平均单片电压，vb为所述燃料电池堆预先设定的分离点所对应的在所述标定工作电流下的平均单片电压，e为自然底数常数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述燃料电池堆的极限寿命点所对应的在所述标定工作电流下的平均单片电压处于所述燃料电池堆在所述标定工作电流下的初始平均单片电压的85％-90％范围内。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述截止平均单片电压为根据所述燃料电池堆工作需要为预测燃料电池堆工作至预设电压的剩余寿命时设定的标定工作电流下的平均单片电压；所述预先设定的分离点平均单片电压为电压-时间曲线中线性段与非线性段的分离点，并根据预测精度设定所述平均单片电压。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的燃料电池剩余寿命在线预报方法流程图；

图2为根据本发明一个具体实施例的燃料电池剩余寿命在线预报方法流程图；

图3为根据本发明一个具体实施例的燃料电池剩余寿命在线预测示意图；

图4为根据本发明一个具体实施例的燃料电池剩余寿命在线预测效果对比示意图；

图5为根据本发明实施例的燃料电池剩余寿命在线预报装置结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的燃料电池剩余寿命在线预报方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的燃料电池剩余寿命在线预报方法。

图1是本发明实施例的燃料电池剩余寿命在线预报方法的流程图。

如图1所示，该燃料电池剩余寿命在线预报方法包括以下步骤：

在步骤s101中，在燃料电池堆运行时，采集电压-时间数据和电流-时间数据，并根据电压-时间数据和电流-时间数据获取标定工作电流下的平均单片电压-时间数据，得到燃料电池堆的电压衰减率。

可以理解的是，燃料电池堆运行过程中，本发明实施例可以通过实时采集电压-时间和电流-时间数据，并且记入数据库，以根据实时采集的数据选取标定工作电流下的平均单片电压-时间数据，从而计算燃料电池堆的电压衰减率a。

在步骤s102中，判断在标定工作电流下的截止平均单片电压是否大于预先设定的分离点所对应标定工作电流下的平均单片电压。

其中，在本发明的一个实施例中，截止平均单片电压为根据燃料电池堆工作需要为预测燃料电池堆工作至预设电压的剩余寿命时设定的标定工作电流下的平均单片电压；预先设定的分离点平均单片电压为电压-时间曲线中线性段与非线性段的分离点，并根据预测精度设定平均单片电压。

可以理解的是，当截止平均单片电压ve＞预先设定的分离点平均单片电压vb时，电压衰减率a为燃料电池堆从使用开始至当前状态下的平均单片电压随时间变化率；当ve≤vb时，电压衰减率a为燃料电池堆从使用开始至分离点的平均单片电压随时间变化率。

其中，截止平均单片电压ve是根据燃料电池堆工作需要为预测燃料电池堆工作至这一电压的剩余寿命时设定的标定工作电流下的平均单片电压；预先设定的分离点平均单片电压vb为电压-时间曲线中线性段与非线性段的分离点，本发明实施例根据预测精度需要来设定vb数值，并且越靠近实际线性段与非线性段分离点，预测精度越高。

在步骤s103中，如果是，则通过线性公式预测燃料电池堆的可使用寿命，否则通过非线性公式预测可使用寿命。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过线性公式预测燃料电池堆的可使用寿命，进一步包括：在截止平均单片电压大于分离点的平均单片电压时，电压衰减率为燃料电池堆从使用开始至当前状态下的平均单片电压随时间变化率，线性公式为：

其中，v0为燃料电池堆在标定工作电流下的初始平均单片电压，v为燃料电池堆在标定工作电流下的截止平均单片电压，a为电压衰减率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过非线性公式预测可使用寿命，进一步包括：在截止平均单片电压小于或等于分离点的平均单片电压时，电压衰减率为燃料电池堆从使用开始至分离点的平均单片电压随时间变化率，非线性公式为：

其中，vl为燃料电池堆的极限寿命点所对应的在标定工作电流下的平均单片电压，vb为燃料电池堆预先设定的分离点所对应的在标定工作电流下的平均单片电压，e为自然底数常数。

其中，在本发明的一个实施例中，燃料电池堆的极限寿命点所对应的在标定工作电流下的平均单片电压处于燃料电池堆在标定工作电流下的初始平均单片电压的85％-90％范围内。

可以理解的是，本发明实施例在实时在线预报剩余寿命时，当设定的电池堆在标定工作电流下的截止平均单片电压ve大于预先设定的分离点平均单片电压vb时，本发明实施例可以利用以下线性公式预测可使用寿命t：

当ve≤vb时，本发明实施例可以利用以下非线性公式预测可使用寿命t：

其中，v0为燃料电池在标定工作电流下的初始平均单片电压，vl为燃料电池堆的极限寿命点所对应的在标定工作电流下的平均单片电压，一般可设定为初始平均单片电压v0的85％-90％。

在步骤s104中，根据可使用寿命和已使用寿命的差值得到燃料电池堆的剩余寿命。

可以理解的是，预报燃料电池堆的剩余寿命tr，即预测可使用寿命t减去已使用寿命tu，利用以下公式计算剩余寿命：

tr＝t-tu

其中，已使用寿命tu为燃料电池堆自初始状态工作至当前状态的时间，可以从数据库中直接读取。

在步骤s105中，实时显示预报燃料电池堆的剩余寿命。

可以理解的是，通过实时显示预报燃料电池堆的剩余寿命更有利于对燃料电池剩余寿命的信息进行实时掌握，而且显示的方式有很多，如通过液晶显示屏、二极管等，在此不做具体限定。

如图2所示，在本发明的一个具体实施例中，本发明实施例的燃料电池剩余寿命在线预报方法包括以下步骤：

首先，燃料电池堆运行过程中，实时采集电压-时间和电流-时间数据，记入数据库，根据实时采集的数据，选取标定工作电流下的平均单片电压-时间数据，计算燃料电池堆的电压衰减率a。

如图3所示，截止平均单片电压ve为根据燃料电池堆工作需要为预测燃料电池堆工作至这一电压的剩余寿命时设定的e点所对应的标定工作电流下的平均单片电压；vb为预先设定的分离点b点的平均单片电压，是电压-时间曲线中线性段与非线性段的分离点，本发明实施例可以根据预测精度需要设定vb数值。

当ve＞vb时，电压衰减率a为燃料电池堆从使用开始至当前状态下的平均单片电压随时间变化率；当ve≤vb时，电压衰减率a为燃料电池堆从使用开始至分离点b点的平均单片电压随时间变化率。

其次，本发明实施例在实时在线预报剩余寿命时，当设定的电池堆在标定工作电流下的截止平均单片电压ve大于预先设定的分离点b点平均单片电压vb，利用以下线性公式预测可使用寿命t：

当ve≤vb时，利用以下非线性公式预测可使用寿命t：

如图3所示，v0为燃料电池在标定工作电流下的初始平均单片电压；vl为燃料电池堆的极限寿命点l点所对应的在标定工作电流下的平均单片电压，一般可设定为初始平均单片电压v0的85％-90％。

最后，预报燃料电池堆的剩余寿命tr，即预测可使用寿命t减去已使用寿命tu，利用以下公式计算剩余寿命：

tr＝t-tu

其中，已使用寿命tu为燃料电池堆自初始状态工作至当前状态的时间，可以从数据库中直接读取。

下面结合图4对本发明实施例的燃料电池剩余寿命在线预测效果对比示意图进行说明。

如图4所示，vl设定为初始平均单片电压v0的90％，即图中η％＝10％；分离点平均单片电压vb设定为初始电压v0的95％。

在燃料电池实际运行过程中，电压变化规律会随着时间的不断增加从近似线性衰减逐渐向非线性衰减即加速衰减变化，本发明实施例的燃料电池剩余寿命在线预报方法能够同时对线性衰减和非线性衰减进行预测，并可以根据实时电压-时间数据进行衰减率的不断更新以更新剩余寿命预测值。如图4所示，本发明实施例的燃料电池系统实测数据曲线可以与采用本发明预测方法的拟合数据曲线相吻合，因此，本发明实施例的方法能够准确地进行燃料电池剩余寿命的在线实时预报。

根据本发明实施例提出的燃料电池剩余寿命在线预报方法，可以通过对燃料电池的非线性性能衰减进行预测，并根据实时采集的电压-时间数据对燃料电池的衰减率进行实时更新，从而实时更新剩余寿命预测值，实现在线预报，并且提高预测结果准确度，提高预测的实时性。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的燃料电池剩余寿命在线预报装置。

图5是本发明实施例的燃料电池剩余寿命在线预报装置的结构示意图。

如图5所示，该燃料电池剩余寿命在线预报装置10包括：采集模块100、判断模块200、计算模块300和显示预报模块400。

其中，采集模块100用于在燃料电池堆运行时，采集电压-时间数据和电流-时间数据，并根据电压-时间数据和电流-时间数据获取标定工作电流下的平均单片电压-时间数据，得到燃料电池堆的电压衰减率。判断模块200用于判断在标定工作电流下的截止平均单片电压是否大于预先设定的分离点所对应标定工作电流下的平均单片电压。如果是，则通过线性公式预测燃料电池堆的可使用寿命，否则通过非线性公式预测可使用寿命。计算模块300用于根据可使用寿命和已使用寿命的差值得到燃料电池堆的剩余寿命。显示预报模块400用于实时显示预报所述燃料电池堆的剩余寿命。本发明实施例的装置10可以根据实时采集的电压-时间数据对燃料电池的衰减率进行实时更新，从而实时更新剩余寿命预测值，实现在线预报，并且提高预测结果准确度，提高预测的实时性。

进一步地，在本发明的一个实施例中，判断模块200进一步包括：在截止平均单片电压大于分离点的平均单片电压时，电压衰减率为燃料电池堆从使用开始至当前状态下的平均单片电压随时间变化率，线性公式为：

其中，v0为燃料电池堆在标定工作电流下的初始平均单片电压，v为燃料电池堆在标定工作电流下的截止平均单片电压，a为电压衰减率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过非线性公式预测可使用寿命，进一步包括：在截止平均单片电压小于或等于分离点的平均单片电压时，电压衰减率为燃料电池堆从使用开始至分离点的平均单片电压随时间变化率，非线性公式为：

其中，vl为燃料电池堆的极限寿命点所对应的在标定工作电流下的平均单片电压，vb为燃料电池堆预先设定的分离点所对应的在标定工作电流下的平均单片电压，e为自然底数常数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，燃料电池堆的极限寿命点所对应的在标定工作电流下的平均单片电压处于燃料电池堆在标定工作电流下的初始平均单片电压的85％-90％范围内。

进一步地，在本发明的一个实施例中，截止平均单片电压为根据燃料电池堆工作需要为预测燃料电池堆工作至预设电压的剩余寿命时设定的标定工作电流下的平均单片电压；预先设定的分离点平均单片电压为电压-时间曲线中线性段与非线性段的分离点，并根据预测精度设定平均单片电压。

需要说明的是，前述对燃料电池剩余寿命在线预报方法实施例的解释说明也适用于该实施例的燃料电池剩余寿命在线预报装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的燃料电池剩余寿命在线预报装置，可以通过对燃料电池的非线性性能衰减进行预测，并根据实时采集的电压-时间数据对燃料电池的衰减率进行实时更新，从而实时更新剩余寿命预测值，实现在线预报，并且提高预测结果准确度，提高预测的实时性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。