一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制系统和方法与流程

本发明涉及氢燃料电池系统领域，尤其涉及燃料电池系统供氢子系统阳极进堆压力控制，具体为一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制系统和方法。

背景技术：

1、氢燃料电池主要通过把氢和氧分别供给阳极和阴极，通过氧化还原反应把化学能直接转化为电能的电化学发电装置，燃料电池系统供氢子系统阳极路压力波动对燃料电池系统造成一定影响，如果进堆氢气压力过大会造成电堆内部膜的损坏，对电堆造成不可逆的损伤，对阳极进气压力、温度、湿度流量的控制十分重要，因此基于数字孪生的燃料电池系统供氢系统压力控制系统和方法解决进氢压力波动的问题。

2、现有技术中，如公开号cn109873185a的中国专利于2019年6月11日公开的基于数字孪生体的管理系统和方法及基于数字孪生体的燃料电池管理系统和方法，公开号cn113884899a的中国专利于2022年1月4日公开的一种基于数字孪生的燃料电池仿真标定系统及方法，公开号cn114004168a的中国专利于2022年2月1日公开的一种基于数字孪生的燃料电池综合管理系统及方法等，都已提出基于数字孪生燃料电池系统测试标定和远程监测调整整个系统的状态，只是侧重方向有所不同。针对燃料电池供氢子系统如何建模、供氢压力稳定进行不足，本发明设计了一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制系统和方法，来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明主要针对在燃料电池系统运行过程中阳极压力波动、氢喷或比例阀内漏对燃料电池系统造成损害的问题，提供一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制系统和方法，用以提高燃料电池系统进气压力的稳定性，保障燃料电池电堆内部膜的安全性，提高燃料电池系统的性能。

2、根据本发明说明书的一方面，提供一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制系统，包括：

3、物理实体燃料电池供氢子系统，用于提供燃料电池供氢子系统实体，获取其实际运行时的压力数据并上传，以及根据接收的调控指令执行调控操作；

4、数字孪生云计算仿真平台，用于构建燃料电池供氢子系统模型和燃料电池供氢子系统故障处理平台，其中，所述燃料电池供氢子系统模型将运行时的仿真数据发送给燃料电池供氢子系统故障处理平台，所述燃料电池供氢子系统故障处理平台将所述仿真数据与燃料电池供氢子系统实体的压力数据进行比对，并在比对结果异常时，对燃料电池供氢子系统模型进行参数修正，同时发送调控指令给物理实体燃料电池供氢子系统进行调控。

5、作为可选地，技术方案，所述压力控制系统还包括数据存储平台，用于接收燃料电池供氢子系统实体的压力数据并进行存储，以及将存储的压力数据发送给数字孪生云计算仿真平台。

6、作为可选地，技术方案，所述物理实体燃料电池供氢子系统包括进气中高压传感器，用于获取氢喷或比例阀进口压力；低压传感器，用于获取引射器前端压力；进堆压力传感器，用于获取燃料电池电堆进堆压力，出堆压力传感器，用于获取燃料电池电堆出堆压力；水汽分离器出口压力传感器，用于获取水汽分离器排水阀或排氮阀打开时的压力。

7、作为可选地，技术方案，所述燃料电池电堆的进堆处设有电磁阀，用于调控燃料电池电堆进堆压力。

8、作为可选地，技术方案，所述燃料电池供氢子系统模型包括：氢喷或比例阀模型，用于燃料电池供氢子系统的进气仿真；引射器模型，用于燃料电池供氢子系统的引射仿真；氢泵和水分离器模型，用于燃料电池供氢子系统回流路上水汽分离的仿真；流量模型，用于燃料电池供氢子系统的进气流量和回流流量的仿真。

9、作为可选地，技术方案，所述引射器模型采用引射器与氢泵串联的方式。

10、作为可选地，技术方案，在低加载功率下，打开所述氢泵；在高加载功率下，关闭所述氢泵。

11、根据本发明说明书的一方面，提供一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制方法，采用所述的系统实现，所述方法包括：

12、获取燃料电池供氢子系统实体运行时的压力数据；

13、获取燃料电池供氢子系统模型运行时的仿真数据；

14、将所述仿真数据与压力数据进行比对，并在比对结果异常时，对燃料电池供氢子系统模型进行参数修正，同时发送调控指令给物理实体燃料电池供氢子系统进行调控。

15、作为可选地，技术方案，所述方法还包括：在所述仿真数据与压力数据之间的误差大于阈值时，对燃料电池供氢子系统模型进行参数修正，同时对氢喷或比例阀的频率和开度进行调整。

16、作为可选地，技术方案，所述方法包括：在燃料电池电堆进堆压力过大时，发送调控指令控制燃料电池电堆进堆电磁阀打开。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

18、本发明基于数字孪生技术在云端仿真平台上搭建燃料电池供氢系统(氢喷、引射及整个回流)模型，与供氢系统实体模型的实际工作环境一致，建立氢喷内漏、压力波动故障处理库，再由数字孪生云存储平台实时动态接收供氢系统运行产生的温度、湿度、压力、进氢和回流流量和云端虚拟模型运行产生的虚拟数据后进行数据分析融合处理，根据数据处理结果实时与供氢系统运行数据进行比较，计算出供氢系统最优控制，解决了阳极路氢气压力不稳对燃料电池系统运行的影响。

技术特征：

1.一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制系统，其特征在于，所述压力控制系统还包括数据存储平台，用于接收燃料电池供氢子系统实体的压力数据并进行存储，以及将存储的压力数据发送给数字孪生云计算仿真平台。

3.根据权利要求1所述一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制系统，其特征在于，所述物理实体燃料电池供氢子系统包括进气中高压传感器，用于获取氢喷或比例阀进口压力；低压传感器，用于获取引射器前端压力；进堆压力传感器，用于获取燃料电池电堆进堆压力，出堆压力传感器，用于获取燃料电池电堆出堆压力；水汽分离器出口压力传感器，用于获取水汽分离器排水阀或排氮阀打开时的压力。

4.根据权利要求3所述一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制系统，其特征在于，所述燃料电池电堆的进堆处设有电磁阀，用于调控燃料电池电堆进堆压力。

5.根据权利要求1所述一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制系统，其特征在于，所述燃料电池供氢子系统模型包括：氢喷或比例阀模型，用于燃料电池供氢子系统的进气仿真；引射器模型，用于燃料电池供氢子系统的引射仿真；氢泵和水分离器模型，用于燃料电池供氢子系统回流路上水汽分离的仿真；流量模型，用于燃料电池供氢子系统的进气流量和回流流量的仿真。

6.根据权利要求5所述一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制系统，其特征在于，所述引射器模型采用引射器与氢泵串联的方式。

7.根据权利要求6所述一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制系统，其特征在于，在低加载功率下，打开所述氢泵；在高加载功率下，关闭所述氢泵。

8.一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制方法，采用权利要求1-7任一项中所述的系统实现，其特征在于，所述方法包括：

9.根据权利要求8所述一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述仿真数据与压力数据之间的误差大于阈值时，对燃料电池供氢子系统模型进行参数修正，同时对氢喷或比例阀的频率和开度进行调整。

10.根据权利要求8所述一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制方法，其特征在于，所述方法包括：在燃料电池电堆进堆压力过大时，发送调控指令控制燃料电池电堆进堆电磁阀打开。

技术总结
本发明公开一种基于数字孪生燃料电池供氢系统压力控制系统和方法，系统包括：物理实体燃料电池供氢子系统，用于提供燃料电池供氢子系统实体，获取其实际运行时的压力数据并上传，以及根据接收的调控指令执行调控操作；数字孪生云计算仿真平台，用于构建燃料电池供氢子系统模型和燃料电池供氢子系统故障处理平台，其中，所述燃料电池供氢子系统模型将运行时的仿真数据发送给燃料电池供氢子系统故障处理平台，所述燃料电池供氢子系统故障处理平台将所述仿真数据与燃料电池供氢子系统实体的压力数据进行比对，并在比对结果异常时，对燃料电池供氢子系统模型进行参数修正，同时发送调控指令给物理实体燃料电池供氢子系统进行调控。

技术研发人员：张振旺,王佳,柴结实
受保护的技术使用者：江苏徐工工程机械研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14