【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池等效电路模型参数辨识，具体涉及一种燃料电池等效电路模型参数不确定性及敏感性评估方法。
技术介绍
1、随着社会对清洁、环保能源的需求日益增加，质子交换膜燃料电池(pemfc)由于其零排放、易于安装和维护、高能量转换效率、无噪声运行等独特的优点，已获得广泛关注和应用。它不仅拥有燃料电池通用的清洁无污染、能量转换效率高等特点，还具有工作温度低、启动时间短、无电解液泄漏腐蚀等特性。基于这些优点，质子交换膜燃料电池广泛应用于航空航天和军事等特殊领域，在电动汽车、便携式移动电源和大规模储能方面也有巨大的应用潜力。因此，越来越多的研究人员开始关注质子交换膜燃料电池领域，并对pemfc精确建模及模型参数辨识等方面进行了深入探索。
2、为了提高pemfc系统性能和判断pemfc水管理状态，有必要建立能够准确反映pemfc电化学过程和水管理故障的等效电路模型。并且由于质子交换膜燃料电池系统本身的复杂性，精确地辨识模型参数也存在困难。由于燃料电池系统设备故障或异常、环境干扰、传感器测量误差和其他因素引起的不确定性可能导致测量噪声和燃料电池电压和电流数据的不稳定。在实际燃料电池模型参数辨识过程中，往往存在许多不可控因素对辨识结果造成影响，机械、设备、人为、电气和环境因素都可能导致模型参数表现出高度的随机性和不确定性。因此，在准确辨识燃料电池等效电路模型参数过程中，需要考虑模型参数不确定性量化评估。而现有技术未考虑到测量噪声、环境干扰、设备故障等因素造成的模型参数不确定性，造成燃料电池等效电路模型参数辨识的精度、稳定性和
3、另外，现有的技术也未解决不同水管理状态下燃料电池等效电路模型参数对模型输出的影响权重。
4、因此，为了准确辨识燃料电池等效电路模型的参数，并量化模型参数的不确定性，考虑不确定性量化评估的燃料电池等效电路模型参数辨识方法成为了解决上述问题的对策。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是针对上述技术的不足，提供一种燃料电池等效电路模型参数不确定性及敏感性评估方法，确定对模型输出影响较大的关键性参数，为实现后期故障诊断决策提供关键信息，从而改善操作条件，促进燃料电池性能优化。
2、为实现上述目的，本专利技术所涉及的燃料电池等效电路模型参数不确定性及敏感性评估方法，
3、a)基于燃料电池测试平台完成燃料电池故障模拟实验，分别采集燃料电池在正常、水淹和膜干三种水管理状态下的交流阻抗谱数据；
4、b)建立燃料电池rl-(rl)2(rq)等效电路模型，并确定rl-(rl)2(rq)等效电路模型的待辨识参数的向量；
5、c)针对rl-(rl)2(rq)等效电路模型中的待辨识参数，采用基于自动微分变分原理的变分贝叶斯算法进行模型待辨识参数的不确定性评估，引入变分后验分布并最大化对数边缘似然函数的下界，迭代更新隐变量和待辨识参数的后验分布表达式直至算法收敛，从而得到所构建rl-(rl)2(rq)等效电路模型中待辨识参数的概率分布区间，拟合燃料电池的交流阻抗谱；
6、d)以rl-(rl)2(rq)等效电路模型为分析对象，基于自动微分变分原理的变分贝叶斯算法所获得的待辨识参数的概率分布区间，结合sobol全局敏感性分析方法，量化评估不同水管理状态下rl-(rl)2(rq)等效电路模型待辨识参数变化对rl-(rl)2(rq)等效电路模型输出的影响程度。
7、优选地，所述步骤a)中，基于燃料电池测试平台，调整电堆工作温度、阴阳极进气压力、反应气体流量以及进气湿度操作条件，完成燃料电池的故障模拟实验，分别诱导电堆进入正常、水淹和膜干三种水管理状态，并通过交流阻抗测试仪获取电堆相应水管理状态下的交流阻抗谱数据。
8、优选地，所述步骤b)中，根据燃料电池内部电化学反应过程，建立燃料电池rl-(rl)2(rq)等效电路模型，燃料电池总阻抗zcell由如下公式表示：
9、
10、其中，rohm表示欧姆电阻，l2表示高频感应电感，r3和l1串联环节表示低频感应效应，q1和α1共同表示恒相位元件cpe1，q2和α2共同表示恒相位元件cpe2，r1与cpe1串联环节表示燃料电池阴极阻抗，r2与cpe2串联环节表示燃料电池阳极阻抗。
11、优选地，所述步骤b)中，待辨识参数的向量θ为[rohm,l2,α1,q1,r1,α2,q2,r2,r3,l1]t。
12、优选地，所述步骤c)中，采用基于自动微分变分原理的变分贝叶斯算法进行模型参数不确定性评估包括如下步骤：
13、c1)初始化待辨识参数以及先验分布超参数；
14、c2)令系统观测数据为cobs，隐藏数据集为cmis，在贝叶斯估计中，定义系统观测数据cobs的边缘似然函数p(cobs)为：
15、p(cobs)＝∫p(cobs,cmis,θ)dcmisdθ；
16、c3)引入可分解的变分后验分布q(cmis,θ)，假定q(cmis,θ)＝q(cmis)q(θ)，则下界函数f[q(cmis),q(θ)]表示为：
17、
18、根据jensen不等式，对数边缘似然函数具有以下性质：
19、
20、c4)计算对数边缘似然函数ln p(cobs)和下界函数f[q(cmis),q(θ)]的差值定义为kullback-leibler散度kl(q||p)，以表示变分后验分布q(cmis,θ)与实际目标分布p(cmis,||cobs)之间的差异：
21、
22、c5)最大化下界函数f[q(cmis),q(θ)]，重复步骤c1)～步骤c4)，更新隐变量和待辨识参数的后验分布表达式，完成n次迭代，使变分后验分布q(cmis,θ)逐步逼近真实目标分布p(cmis,θ|cobs)，获得待辨识参数的概率分布区间。
23、优选地，所述步骤d)中，首先根据燃料电池在正常、水淹和膜干三种水管理状态下变分贝叶斯算法得到的模型参数后验分布情况，设定燃料电池每种水管理状态下sobol敏感性分析输入参数的定义域；然后在定义域内使用马尔科夫蒙特卡罗采样法产生指定数量的输入样本；再对输入样本进行模型评估，生成一组模型输出值；最后将模型输出值的方差分解为单个输入参数和多个输入参数集成子函数的组合，并使用方差量化单个输入参数对于模型输出的敏感性和多个输入参数之间的耦合关系对于模型输出的敏感性。
24、优选地，所述步骤d)中，基于燃料电池rl-(rl)2(rq)等效电路模型的sobol敏感性分析方法包括如下步骤：
25、d1)定义输入参数：将rl-(rl)2(rq)等效电路模型中待辨识参数的向量θ的10个参数定义为输入参数，并设定燃料电池每种水管理状态下输入参数的定义域，设定输出函数为y＝f(x)，其中x＝[rohm,l2,α1,q1,r1,α2,q2,r2,r3,l1]，x∈ωk，其定义域表示为：
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【技术保护点】
1.一种燃料电池等效电路模型参数不确定性及敏感性评估方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.如权利要求1所述燃料电池等效电路模型参数不确定性及敏感性评估方法，其特征在于：所述步骤A)中，基于燃料电池测试平台，调整电堆工作温度、阴阳极进气压力、反应气体流量以及进气湿度操作条件，完成燃料电池的故障模拟实验，分别诱导电堆进入正常、水淹和膜干三种水管理状态，并通过交流阻抗测试仪获取电堆相应水管理状态下的交流阻抗谱数据。
3.如权利要求1所述燃料电池等效电路模型参数不确定性及敏感性评估方法，其特征在于：所述步骤B)中，根据燃料电池内部电化学反应过程，建立燃料电池RL-(RL)2(RQ)等效电路模型，燃料电池总阻抗Zcell由如下公式表示：
4.如权利要求3所述燃料电池等效电路模型参数不确定性及敏感性评估方法，其特征在于：所述步骤B)中，待辨识参数的向量θ为[Rohm,L2,α1,Q1,R1,α2,Q2,R2,R3,L1]T。
5.如权利要求4所述燃料电池等效电路模型参数不确定性及敏感性评估方法，其特征在于：所述步骤C)中，采用基于自动微分变分原
6.如权利要求5所述燃料电池等效电路模型参数不确定性及敏感性评估方法，其特征在于：所述步骤D)中，首先根据燃料电池在正常、水淹和膜干三种水管理状态下变分贝叶斯算法得到的模型参数后验分布情况，设定燃料电池每种水管理状态下Sobol敏感性分析输入参数的定义域；然后在定义域内使用马尔科夫蒙特卡罗采样法产生指定数量的输入样本；再对输入样本进行模型评估，生成一组模型输出值；最后将模型输出值的方差分解为单个输入参数和多个输入参数集成子函数的组合，并使用方差量化单个输入参数对于模型输出的敏感性和多个输入参数之间的耦合关系对于模型输出的敏感性。
7.如权利要求6所述燃料电池等效电路模型参数不确定性及敏感性评估方法，其特征在于：所述步骤D)中，基于燃料电池RL-(RL)2(RQ)等效电路模型的Sobol敏感性分析方法包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种燃料电池等效电路模型参数不确定性及敏感性评估方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.如权利要求1所述燃料电池等效电路模型参数不确定性及敏感性评估方法，其特征在于：所述步骤a)中，基于燃料电池测试平台，调整电堆工作温度、阴阳极进气压力、反应气体流量以及进气湿度操作条件，完成燃料电池的故障模拟实验，分别诱导电堆进入正常、水淹和膜干三种水管理状态，并通过交流阻抗测试仪获取电堆相应水管理状态下的交流阻抗谱数据。
3.如权利要求1所述燃料电池等效电路模型参数不确定性及敏感性评估方法，其特征在于：所述步骤b)中，根据燃料电池内部电化学反应过程，建立燃料电池rl-(rl)2(rq)等效电路模型，燃料电池总阻抗zcell由如下公式表示：
4.如权利要求3所述燃料电池等效电路模型参数不确定性及敏感性评估方法，其特征在于：所述步骤b)中，待辨识参数的向量θ为[rohm,l2,α1,q1,r1,α2,q2,r2,r3,l1]t。
5.如权利要求4所述燃料电...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨扬，谢长君，刘相万，黄亮，万文欣，朱文超，杜帮华，余晓然，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
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