一种基于数字孪生的燃料电池低温运行控制系统及方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的燃料电池低温运行控制系统及方法。


背景技术：

2.数字孪生其实是指最大限度地使用物理模型、运行历史、传感器更新等信息数据，集成多学科、多尺度、多概率、多物理量的仿真过程，实现虚拟空间的映射，以反映出相应的实体装备的整个生命周期过程。简单地说，数字孪生其实就是构建一个事物的数字版本动态“克隆体”，目前，工业制造和智慧城市是数字孪生技术的主要应用领域。
3.燃料电池低温运行过程中，其启机过程和停机过程会与常温存在较大不同，启机阶段和关机阶段需要对燃料电池系统上的电堆和各零部件进行实时监测。但由于涉及的零部件的参考因素和控制方式较多，传统的控制方式无法对燃料电池各零部件实现统一地控制，因此燃料电池的启机和停机控制效果差；此外，氢燃料电池发动机在停机之后以及再次开机时会进行吹扫，通过吹出内部残留水，避免在低温下内部水在流道或气体扩散层内结冰。现有的燃料电池发动机的吹扫方式仅参考电池系统内部的因素，并未考虑系统外部环境因素，在实际应用中，系统外部环境同样会影响吹扫效果，使吹扫不准确，继而影响燃料电池发电工作。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提出一种基于数字孪生的燃料电池低温运行控制系统及其方法，旨在解决现有的燃料电池的启机和停机涉及的参考因素较多，无法对燃料电池各零部件实现统一地控制；以及燃料电池缺乏充足的参考因素导致其吹扫工作不准确，影响燃料电池发电工作的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提出一种基于数字孪生的燃料电池低温运行控制系统，包括：燃料电池模组、数据采集模块、数字孪生模型和控制模块；所述数据采集模块的输入端与输出端分别与所述燃料电池模组、所述数字孪生模型连接，其用于采集所述燃料电池模组的检测参数，并将检测参数传输至所述数字孪生模型；所述数字孪生模型用于根据所述燃料电池模组的几何结构与所述检测参数构建与所述燃料电池模组形成映射关系且可联动的虚拟模型，所述虚拟模型以三维图像显示在人机交互终端上；所述控制模块的输入端与输出端分别与所述数字孪生模型、所述燃料电池模组连接，其用于根据所述检测参数计算最优的控制指令，且根据所述控制指令调整所述燃料电池模组的工作参数；以及根据所述检测参数更新所述数字孪生模型；其中，所述控制模块还用于为不同的检测参数赋予预设的权重值，并且根据权重值匹配
预设的燃料电池模组的运行策略；所述数字孪生模型还用于出现不在预设的权重值范围内的检测参数时，根据当前检测参数形成预测运行策略，控制模块根据所述运行策略或所述预测运行策略，调整燃料电池模组的工作参数；还包括多个设置于所述燃料电池模组上的传感器，所述传感器用于检测燃料电池模组的工况以及所述燃料电池模组所处环境的温、湿度，且形成所述检测参数；所述工作参数包括：燃料电池单元、动力电池单元的低温启机方式；燃料电池单元吹扫的空气流量、空气压力、吹扫时长。
6.作为本发明的进一步改进：所述燃料电池模组包括燃料电池单元、动力电池单元，所述检测参数包括：动力电池单元的剩余电量、充放电功率速率；燃料电池单元的高频阻抗值、水路温度、阳极温度、流量、压力，以及燃料电池单元的采用的吹扫策略、吹扫温度；燃料电池单元、动力电池单元的运行时间；燃料电池单元、动力电池单元的上次停机状态、停机时间；氢循环泵、排水排氮阀的工作状态；其中，所述燃料电池单元、动力电池单元的检测参数均采用所述传感器进行采集。
7.作为本发明的进一步改进：还包括外接模块，所述外接模块与所述数据采集模块连接，所述外接模块包括温、湿度传感器；所述外接模块还包括通讯组件和/或定位组件；所述通讯组件用于通过互联网获取天气数据；所述定位组件用于定位所述燃料电池模组的地理位置。
8.本发明提出一种基于数字孪生的燃料电池低温运行控制方法，包括上述的基于数字孪生的燃料电池低温运行控制系统，包括如下步骤：检测燃料电池模组的工况以及燃料电池模组所处环境的温、湿度，形成检测参数；数据采集模块采集燃料电池模组的检测参数，并将检测参数传输至数字孪生模型；数字孪生模型根据燃料电池模组的几何结构与检测参数构建与燃料电池模组形成映射关系且可联动的虚拟模型，所述虚拟模型以三维图像显示在人机交互终端上；控制模块根据检测参数计算最优的控制指令，且根据控制指令调整燃料电池模组的工作参数；控制模块根据检测参数更新数字孪生模型。
9.作为本发明的进一步改进：所述控制模块根据检测参数计算最优的控制指令的步骤包括：为不同种类、不同数值的检测参数赋予预设的权重值；比对当前获取的检测参数是否满足预设赋值条件，若是，对满足预设赋值条件的检测参数的权重值求和，获得权重总值；为不同的权重总值匹配预设的燃料电池模组的运行策略；
根据运行策略，调整燃料电池模组的工作参数。
10.作为本发明的进一步改进：还包括如下步骤：控制模块将多个预设的燃料电池模组的运行策略集合形成运行策略库；控制模块将存储的检测参数与对应的最优的控制指令形成训练数据库且将训练数据库传输至数字孪生模型，使数字孪生模型学习以及多次迭代更新；当前启机时出现不在预设权重值范围内的检测参数，数字孪生模型根据当前检测参数形成预测运行策略；控制模块根据预测运行策略，调整燃料电池模组的工作参数。
11.作为本发明的进一步改进：还包括如下步骤：以下一次启机时的检测参数验证预测运行策略；当下一次启机时的检测参数满足预设的稳定条件，存储该预测运行策略并且传输至运行策略库。
12.作为本发明的进一步改进：还包括如下步骤：通过互联网获取天气数据，将天气数据传输至数字孪生模型和控制模块。
13.作为本发明的进一步改进：还包括如下步骤：获取当前燃料电池模组的地理位置，记录该地理位置对应的环境的温、湿度，生成历史环境数据；当下一次获取地理位置与历史环境数据的地理位置相同，且当通讯组件在启机时无法在预设时长内获取天气数据，调用历史环境数据对应的环境的温、湿度，将其传输至数字孪生模型和控制模块。
14.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本技术方案通过数字孪生模型构建与燃料电池模组形成映射关系且可联动的虚拟模型，利用数据采集模块采集燃料电池模组的检测参数，以及利用控制模块调整燃料电池模组的工作参数，从而实现在终端上统一监测及控制燃料电池的零部件；此外，通过设置于燃料电池模组上的传感器获取燃料电池模组所处环境的温、湿度，将外部环境因素纳入计算范围内，可实时提供更准确的吹扫策略，保证燃料电池的正常工作以及有利于燃料电池的寿命保持。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
16.图1为本技术基于数字孪生的燃料电池低温运行控制系统一实施例的结构示意图。
17.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
20.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，若全文中出现的“和/或”或者“及/或”，其含义包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
21.请参阅图1，本技术方案提供一种基于数字孪生的燃料电池低温运行控制系统，在某一实施例中，控制系统包括：燃料电池模组、数据采集模块、数字孪生模型和控制模块；所述数据采集模块的输入端与输出端分别与所述燃料电池模组、所述数字孪生模型连接，其用于采集所述燃料电池模组的检测参数，并将检测参数传输至所述数字孪生模型；所述数字孪生模型用于根据所述燃料电池模组的几何结构与所述检测参数构建与所述燃料电池模组形成映射关系且可联动的虚拟模型，所述虚拟模型以三维图像显示在人机交互终端上；所述控制模块的输入端与输出端分别与所述数字孪生模型、所述燃料电池模组连接，其用于根据所述检测参数计算最优的控制指令，且根据所述控制指令调整所述燃料电池模组的工作参数；以及根据所述检测参数更新所述数字孪生模型；其中，所述控制模块还用于为不同的检测参数赋予预设的权重值，并且根据权重值匹配预设的燃料电池模组的运行策略；所述数字孪生模型还用于出现不在预设的权重值范围内的检测参数时，根据当前检测参数形成预测运行策略，控制模块根据所述运行策略或所述预测运行策略，调整燃料电池模组的工作参数；还包括多个设置于所述燃料电池模组上的传感器，所述传感器用于检测燃料电池模组的工况以及所述燃料电池模组所处环境的温、湿度，且形成所述检测参数；所述工作参数包括：燃料电池单元、动力电池单元的低温启机方式；燃料电池单元吹扫的空气流量、空气压力、吹扫时长。
22.本技术方案通过数字孪生模型构建与燃料电池模组形成映射关系且可联动的虚拟模型，通过数据采集模块采集燃料电池模组的检测参数，通过控制模块调整燃料电池模组的工作参数，从而实现在终端上统一监测及控制燃料电池的零部件；此外，通过设置于燃
料电池模组上的传感器获取燃料电池模组所处环境的温、湿度，将外部环境因素纳入计算范围内，可实时提供更准确的吹扫策略，保证燃料电池的正常工作以及有利于燃料电池的寿命保持。
23.进一步地，所述燃料电池模组包括燃料电池单元、动力电池单元，所述检测参数包括：动力电池单元的剩余电量、充放电功率速率；燃料电池单元的高频阻抗值、水路温度、阳极温度、流量、压力，以及燃料电池单元的采用的吹扫策略、吹扫温度；燃料电池单元、动力电池单元的运行时间；燃料电池单元、动力电池单元的上次停机状态、停机时间；氢循环泵、排水排氮阀等部件的工作状态；其中，所述燃料电池单元、动力电池单元的检测参数均采用所述传感器进行采集。
24.进一步地，低温运行控制系统还包括外接模块，所述外接模块与所述数据采集模块连接，所述外接模块包括温、湿度传感器；所述外接模块还包括通讯组件和/或定位组件，通讯组件用于启机时通过内置基带芯片联网从而获取天气数据，所述定位组件通过内置的gps模块获取燃料电池模组的地理位置。
25.本技术方案基于数字孪生的燃料电池低温运行控制系统，还提供一种基于数字孪生的燃料电池低温运行控制方法，低温运行控制方法包括如下步骤：s10：检测燃料电池模组的工况以及燃料电池模组所处环境的温、湿度，形成检测参数；s20：数据采集模块采集燃料电池模组的检测参数，并将检测参数传输至数字孪生模型；s30：数字孪生模型根据燃料电池模组的几何结构与检测参数构建与燃料电池模组形成映射关系且可联动的虚拟模型，所述虚拟模型以三维图像显示在人机交互终端上；s40：控制模块根据检测参数计算最优的控制指令，且根据控制指令调整燃料电池模组的工作参数；s50：控制模块根据检测参数更新数字孪生模型。
26.进一步地，所述控制模块根据检测参数计算最优的控制指令的步骤包括：s41：为不同种类、不同数值的检测参数赋予预设的权重值；s42：比对当前获取的检测参数是否满足预设赋值条件，若是，对满足预设赋值条件的检测参数的权重值求和，获得权重总值；s43：为不同的权重总值匹配预设的燃料电池模组的运行策略；s44：根据运行策略，调整燃料电池模组的工作参数。
27.具体而言，在步骤s41中，不同种类、不同数值的检测参数，其参考价值程度均不同。燃料电池的环境温度的参考价值相对于水路温度的参考价值要高，因此，在最适宜燃料电池工作的环境温度相对于最适宜的水路温度的情况下，前者获得的权重值更高（例如预设当前环境温度为25度时，对应获得10权重值；预设当前水路温度为25度时，对应获得5权重值）；其次，同一种类而不同数值的检测参数，最适宜的参数相对于其他较适宜的参数获
得的权重值更多（例如燃料电池工作的环境温度为20度时，可获得7权重值，环境温度为10度时，该温度不利于电池的吹扫，因此获得2权重值）。如此计算最优的控制指令的设计，对不同检测参数赋予不同的参考价值，其更利于最优运行策略的选择。
28.在步骤s42中，若某一检测参数的数值在预设的范围内，例如当前获取的环境温度为25度，获得10权重值，当环境温度为35度，不赋予权重值；当前水路温度为20度，对应获得2权重值，两者权重总值为12。
29.在步骤s43-s44中，控制系统根据当前燃料电池的检测参数，匹配预设的燃料电池模组的运行策略，该运行策略包含众多控制指令，各控制指令为对应的燃料电池模组的工作参数做出调整，使燃料电池单元、动力电池单元的低温启机方式更准确；燃料电池单元吹扫的空气流量、空气压力、吹扫时长更符合当前燃料电池的工况需求。
30.进一步地，低温运行控制系统还包括如下步骤：s60：控制模块将多个预设的燃料电池模组的运行策略集合形成运行策略库；s70：控制模块将存储的检测参数与对应的最优的控制指令形成训练数据库且将训练数据库传输至数字孪生模型，使数字孪生模型学习以及多次迭代更新；s80：当前启机时出现不在预设权重值范围内的检测参数，数字孪生模型根据当前检测参数形成预测运行策略；s90：控制模块根据预测运行策略，调整燃料电池模组的工作参数。
31.具体而言，由于运行策略以及对应的控制指令均通过人为输入，当检测参数的种类及数值达到一定数量后，人为输入的方式不利于自动化工艺的生产需求，因此，本技术方案通过数字孪生模型学习以及多次迭代更新，自动预测不在预设权重值范围内的检测参数所对应的运行策略，不仅提高了控制系统的自动化程度，并且可提高控制系统的运行效率，保证工作的连续性。
32.进一步地，低温运行控制系统还包括如下步骤：s100：以下一次启机时的检测参数验证预测运行策略；s110：当下一次启机时的检测参数满足预设的稳定条件，存储该预测运行策略并且传输至运行策略库。
33.具体而言，预测运行策略对应的检测参数与下一次启机时的检测参数误差不大于20%，则判定为稳定的预测运行策略，控制模块存储该预测运行策略至运行策略库以及训练数据库。
34.进一步地，低温运行控制系统还包括如下步骤：s120：通过互联网获取天气数据，将天气数据传输至数字孪生模型和控制模块。如此设置，可将未来数日的环境温度提前纳入参考范围内，进一步提高调整燃料电池模组的工作参数的准确性。
35.进一步地，低温运行控制系统还包括如下步骤：s130：获取当前燃料电池模组的地理位置，记录该地理位置对应的环境的温、湿度，生成历史环境数据；s140：当下一次获取地理位置与历史环境数据的地理位置相同，且当通讯组件在启机时无法在预设时长内获取天气数据，调用历史环境数据对应的环境的温、湿度，将其传输至数字孪生模型和控制模块。
36.具体而言，步骤s130-s140中的环境的温、湿度具体为未来数日的环境温、湿度，由于未来数日的环境温、湿度无法通过传感器提前获取，而未来数日的环境温、湿度的变化趋势对燃料电池预测的吹扫策略而言具备参考价值，因此该步骤在启机过程中，控制系统无法在预设时长内（例如启机5秒内）获取天气数据，则调用历史环境数据对应的环境的温、湿度，将其传输至数字孪生模型和控制模块作为检测参数以参考。
37.以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种基于数字孪生的燃料电池低温运行控制系统，其特征在于，包括：燃料电池模组、数据采集模块、数字孪生模型和控制模块；所述数据采集模块的输入端与输出端分别与所述燃料电池模组、所述数字孪生模型连接，其用于采集所述燃料电池模组的检测参数，并将检测参数传输至所述数字孪生模型；所述数字孪生模型用于根据所述燃料电池模组的几何结构与所述检测参数构建与所述燃料电池模组形成映射关系且可联动的虚拟模型，所述虚拟模型以三维图像显示在人机交互终端上；所述控制模块的输入端与输出端分别与所述数字孪生模型、所述燃料电池模组连接，其用于根据所述检测参数计算最优的控制指令，且根据所述控制指令调整所述燃料电池模组的工作参数；以及根据所述检测参数更新所述数字孪生模型；其中，所述控制模块还用于为不同的检测参数赋予预设的权重值，并且根据权重值匹配预设的燃料电池模组的运行策略；所述数字孪生模型还用于出现不在预设的权重值范围内的检测参数时，根据当前检测参数形成预测运行策略，控制模块根据所述运行策略或所述预测运行策略，调整燃料电池模组的工作参数；还包括多个设置于所述燃料电池模组上的传感器，所述传感器用于检测燃料电池模组的工况以及所述燃料电池模组所处环境的温、湿度，且形成所述检测参数；所述工作参数包括：燃料电池单元、动力电池单元的低温启机方式；燃料电池单元吹扫的空气流量、空气压力、吹扫时长。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的燃料电池低温运行控制系统，其特征在于，所述燃料电池模组包括燃料电池单元、动力电池单元，所述检测参数包括：动力电池单元的剩余电量、充放电功率速率；燃料电池单元的高频阻抗值、水路温度、阳极温度、流量、压力，以及燃料电池单元的采用的吹扫策略、吹扫温度；燃料电池单元、动力电池单元的运行时间；燃料电池单元、动力电池单元的上次停机状态、停机时间；氢循环泵、排水排氮阀的工作状态；其中，所述燃料电池单元、动力电池单元的检测参数均采用所述传感器进行采集。3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的燃料电池低温运行控制系统，其特征在于，还包括外接模块，所述外接模块与所述数据采集模块连接，所述外接模块包括温、湿度传感器；所述外接模块还包括通讯组件和/或定位组件；所述通讯组件用于通过互联网获取天气数据；所述定位组件用于定位所述燃料电池模组的地理位置。4.一种基于数字孪生的燃料电池低温运行控制方法，包括权利要求1-3任一项所述的基于数字孪生的燃料电池低温运行控制系统，其特征在于，包括如下步骤：检测燃料电池模组的工况以及燃料电池模组所处环境的温、湿度，形成检测参数；数据采集模块采集燃料电池模组的检测参数，并将检测参数传输至数字孪生模型；
数字孪生模型根据燃料电池模组的几何结构与检测参数构建与燃料电池模组形成映射关系且可联动的虚拟模型，所述虚拟模型以三维图像显示在人机交互终端上；控制模块根据检测参数计算最优的控制指令，且根据控制指令调整燃料电池模组的工作参数；控制模块根据检测参数更新数字孪生模型。5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的燃料电池低温运行控制方法，其特征在于，所述控制模块根据检测参数计算最优的控制指令的步骤包括：为不同种类、不同数值的检测参数赋予预设的权重值；比对当前获取的检测参数是否满足预设赋值条件，若是，对满足预设赋值条件的检测参数的权重值求和，获得权重总值；为不同的权重总值匹配预设的燃料电池模组的运行策略；根据运行策略，调整燃料电池模组的工作参数。6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的燃料电池低温运行控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：控制模块将多个预设的燃料电池模组的运行策略集合形成运行策略库；控制模块将存储的检测参数与对应的最优的控制指令形成训练数据库且将训练数据库传输至数字孪生模型，使数字孪生模型学习以及多次迭代更新；当前启机时出现不在预设权重值范围内的检测参数，数字孪生模型根据当前检测参数形成预测运行策略；控制模块根据预测运行策略，调整燃料电池模组的工作参数。7.根据权利要求6所述的基于数字孪生的燃料电池低温运行控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：以下一次启机时的检测参数验证预测运行策略；当下一次启机时的检测参数满足预设的稳定条件，存储该预测运行策略并且传输至运行策略库。8.根据权利要求4所述的基于数字孪生的燃料电池低温运行控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：通过互联网获取天气数据，将天气数据传输至数字孪生模型和控制模块。9.根据权利要求4所述的基于数字孪生的燃料电池低温运行控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：获取当前燃料电池模组的地理位置，记录该地理位置对应的环境的温、湿度，生成历史环境数据；当下一次获取地理位置与历史环境数据的地理位置相同，且当通讯组件在启机时无法在预设时长内获取天气数据，调用历史环境数据对应的环境的温、湿度，将其传输至数字孪生模型和控制模块。

技术总结
本发明公开一种基于数字孪生的燃料电池低温运行控制系统及方法，包括：燃料电池模组、数据采集模块、数字孪生模型和控制模块。本技术方案通过数字孪生模型构建与燃料电池模组形成映射关系且可联动的虚拟模型，利用数据采集模块采集燃料电池模组的检测参数，以及利用控制模块调整燃料电池模组的工作参数，从而实现在终端上统一监测及控制燃料电池的零部件；此外，通过设置于燃料电池模组上的传感器获取燃料电池模组所处环境的温、湿度，将外部环境因素纳入计算范围内，可实时提供更准确的吹扫策略，保证燃料电池的正常工作以及有利于燃料电池的寿命保持。电池的寿命保持。电池的寿命保持。


技术研发人员：潘嘉裕 戴添翼 杨硕 唐乾坤
受保护的技术使用者：上海重塑能源科技有限公司
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/7/12