氫燃料電池壽命預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究-華志廣

NORTHWESTERNPOLYTECHNICALUNIVE氫燃料電池壽命預(yù)測西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系華志廣，教授/博導(dǎo)個人簡歷口個人信息口個人信息華志廣，教授，博導(dǎo)，國家級青年人才；研究方向為燃料電池壽命預(yù)測、新能源變換器、永磁同步電機等；主持國家級軍口縱向項目2項、國家自然科學(xué)基金項目1項、其他省部級項目4項；累計發(fā)表論文35篇，以第一作者發(fā)表一區(qū)TOP期刊論文8篇，授權(quán)專利12項；參與研制太陽翼展開機構(gòu)電機，成功應(yīng)用于空間站“夢天”實驗艙并收到總體單位感謝信?？诮逃尘芭c工作經(jīng)歷口教育背景與工作經(jīng)歷時間西安理工大學(xué)學(xué)士西北工業(yè)大學(xué)碩士博士博士后啟元實驗室科研工作2023.11-至今西北工業(yè)大學(xué)教授/博導(dǎo)02氫燃料電池壽命預(yù)測03研究團隊介紹西業(yè)工薰大學(xué)優(yōu)點低操作溫度、無需貴金屬催化劑、對CO不敏感、無需貴金屬催化劑、無需貴金屬催化劑、高功率重量比高效率缺點需貴金屬催化劑、不能低溫啟動、需貴金屬催化劑不能低溫啟動抗高溫問題交通運輸、便攜設(shè)備、備用電源載人航天、潛艇熱電聯(lián)供、分布式能源軍用電力、分布式發(fā)電輔助動力裝置、陽極和陰極化學(xué)反應(yīng)方程式OOxygenMolecule總反應(yīng)方程式三峽氫舟1號三峽氫舟1號飛躍一號飛躍一號口氫燃料電池應(yīng)用情況口氫燃料電池應(yīng)用情況按地區(qū)劃分的應(yīng)用兆瓦數(shù)(MW)燃料電池應(yīng)用區(qū)域：亞洲，歐洲，北美和其他按地區(qū)劃分的出貨量(1,000臺)AFCNCFCAFCNCFC按各燃料電池類型的應(yīng)用兆瓦數(shù)(MW)按各燃料電池類型的出貨量(1,000臺)按場景劃分的應(yīng)用兆瓦數(shù)(MW)按場景劃分的出貨量(1,000臺)1.4當前狀態(tài)與期望目標1.4當前狀態(tài)與期望目標西業(yè)工黃大學(xué)口口氫燃料電池當前應(yīng)用情況與期望目標短壽命mngDem12006200r?mngDem12006200r?相關(guān)規(guī)定：與初始功率相比，功率下降10%作為壽命閾值；>負載電流是額定電流的55%-65%;測試過程中不包含嚴重的電堆事故。提02氫燃料電池壽命預(yù)測綱研究團隊介紹研究團隊介紹西業(yè)工薰大學(xué)西業(yè)工薰大學(xué)口定義與作用口定義與作用>壽命：當前時刻與到達一定退化閾值的時間間隔>壽命預(yù)測：在壽命區(qū)間內(nèi)用不同的方法來預(yù)測退化趨勢>壽命預(yù)測的作用：①估計健康狀態(tài)；②及時更換燃料電池；③避免致命事故；④提供退化信息；⑤延長壽命。基于模型的方法優(yōu)點：揭露物理機理缺點：依賴模型精度；非線性、多時間尺度的退化建模困難。等效電路(ECM)5時間基于數(shù)據(jù)的方法一個“黑箱”;無需理機理；依賴大量歷西業(yè)工黃大學(xué)氫燃料電池重卡汽車氫燃料電池汽車(MobyPost)0~20km環(huán)境模擬箱燃料電池半物理仿真平臺PEMFC小功率測試平臺PEMFC大功率測試平臺燃料電池電推進系統(tǒng)燃料電池供氣系統(tǒng)長時間尺度-維護周期包括定期的檢查、清理和替換元件的時間表包括定期的檢查、清理和替換元件的時間表包括電池組件的降解機制、材料的耐久-堆積響應(yīng)(如積碳),可能-堆積響應(yīng)(如積碳),可能影響電極表面的活性，需要周期性的維護和清理通道的穩(wěn)定性等短時間尺度通道的穩(wěn)定性等瞬態(tài)響應(yīng)在啟動、停止或負載變化時的瞬微觀時間尺度態(tài)響應(yīng)，影響電池的動態(tài)性能和PEMFCstack[1]穩(wěn)定性-電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)-離子和電子傳輸-整個壽命周期分析包括制造、運行、維護和處置，涉及多年的運行和使用“數(shù)據(jù)來源：《C.Robinetal.IhnternationalJournalofHydrogenEnergy,2013口多時間尺度分解口多時間尺度分解>離散小波變換(DWT)是一種通過數(shù)據(jù)的伸縮與平移實現(xiàn)特征分析的數(shù)據(jù)變換技術(shù)1002003004100200300100200300高通濾波器高頻部分低通濾波器低頻部分002100高通濾波器高頻部分低通濾波器低頻部分機N~~/Mw機100200300:AD[0步驟1分解與重構(gòu)Multi-timescaledecomposedApproximationDetail…DPredictionofeachsub-waveformsbyESN步驟3集合預(yù)測結(jié)果步驟2不同時間尺度信號預(yù)測解決方案：處理不同時間尺度信息，提升預(yù)測精度?！猅nitiagsigal0西業(yè)工薰大學(xué)200400600訓(xùn)練長度的結(jié)果對比圖單個ESN與集合ESN40%訓(xùn)練長度的結(jié)果對比圖單個ESN與集合ESN50%訓(xùn)練長度的結(jié)果對比圖口動態(tài)案例1-案例3案例訓(xùn)練長度案例1案例2森3口口多輸入實施步驟PouH?)單輸入與多輸入ESN的結(jié)構(gòu)框圖多輸入ESN(2inputsand1output)的預(yù)測結(jié)構(gòu),predictedvoltageattime,and?2;represenyreprescntsU,attimctxre西業(yè)工薰大學(xué)西業(yè)工薰大學(xué)x0二200400600180基于1-inputESN的壽命預(yù)測波形基于2-inputESN的壽命預(yù)測波形0200400600—Targetsgnal基于1-inputESN的壽命預(yù)測波形基于2-inputESN的壽命預(yù)測波形不同案例準動態(tài)案例西業(yè)工黃大學(xué)口穩(wěn)態(tài)案例和準動態(tài)案例的2口穩(wěn)態(tài)案例和準動態(tài)案例的2-inputESN組合結(jié)果穩(wěn)態(tài)案例準動態(tài)案例穩(wěn)態(tài)案例準動態(tài)案例 U 三組動態(tài)測試(μ-CHP應(yīng)用)中的影響。(特別是溫度和I)能夠提升預(yù)測精度≥10%。西業(yè)工薰大學(xué)口動態(tài)案例1-案例3口動態(tài)案例1-案例3動態(tài)案例1西業(yè)工薰大學(xué)西業(yè)工薰大學(xué)口不確定性分析實施步驟口不確定性分析實施步驟KKo輸入層Nw中間層(儲備池)L_OO…○w泄露率：調(diào)整神經(jīng)元狀態(tài)的更新速度，改變動態(tài)特性，影響網(wǎng)絡(luò)對輸入數(shù)據(jù)的響應(yīng)方式；譜半徑：決定ESN的記憶能力，不確定性來源于蓄水池內(nèi)部連接權(quán)值的隨機性；正則化因子：影響網(wǎng)絡(luò)的記憶能力和動態(tài)性，控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不確定性。:ESN1-tParticleswarmoptimizaWimandWdistributionformsdatapreparationStep2:Degradationpredi…mm,y;representsU,attimet;predictedvoltageattimet,andt?22.5不確定性分析研究>當前方法：單輸入ESN2.5不確定性分析研究存在問題：ESN中隨機生成的輸入矩陣和內(nèi)部權(quán)重矩陣具有不確定性。>解決方案：從統(tǒng)計學(xué)的角度分析隨機矩陣的影響，建立集成ESN結(jié)構(gòu)，提供預(yù)測結(jié)果的平均值和95%置信區(qū)間。西業(yè)工薰大學(xué)西業(yè)工薰大學(xué)口穩(wěn)態(tài)案例口穩(wěn)態(tài)案例AA—TrainingM—Predictionsignal高斯分布下預(yù)測結(jié)果高斯分布下95%置信區(qū)間預(yù)測結(jié)—Predictionsignal隨機均勻分布下預(yù)測結(jié)果隨機均勻分布下95%置信區(qū)間預(yù)測結(jié)果口動態(tài)案例口動態(tài)案例高斯分布下預(yù)測結(jié)果高斯分布下95%置信區(qū)間預(yù)測結(jié)果口誤差分析口誤差分析XX均勻分布和高斯分布的概率密度函數(shù)穩(wěn)態(tài)工況下100組ESNs的RMSE隨機均勻分布下預(yù)測結(jié)果隨機均勻分布下95%置信區(qū)間預(yù)測結(jié)果21動態(tài)工況下100組動態(tài)工況下100組ESNs的RMSE準動態(tài)工況下100組ESNs的RMSE西業(yè)工黃大學(xué)方向一方向一>提升預(yù)測精度(傳感器噪聲、運行參數(shù)、環(huán)境因素、用戶操作);方向三>實現(xiàn)在線預(yù)測(構(gòu)建數(shù)學(xué)模型、“黑箱”關(guān)系);Partunderstudy燃料電池汽車動力系統(tǒng)*數(shù)據(jù)來源：《Huangfu,etal,2019.》劣勢劣勢優(yōu)勢>供氣時間短>污染小更大的有效載荷容量，便于攜帶設(shè)備(傳感器、攝像頭、通訊設(shè)備)02氫燃料電池壽命預(yù)測03研究團隊介紹waIesnmoncIem3.1研究團隊及平臺waIesnmoncIem智能驅(qū)動研究團隊從事航空航天特種電機研究，為平流層飛艇、載人空間站、運20、風(fēng)云系列衛(wèi)星等提供特種電機。承擔(dān)973重點項目1項，國家科技攻關(guān)項目4項，國家863項目6項，承擔(dān)型號任務(wù)十余項，獲國家發(fā)明二等獎1項，省部級科技獎勵11項，立部級三等功1次，發(fā)表論文1