[發(fā)明專利]一種基于螢火蟲算法的氫氧燃料電池模型優(yōu)化方法

有效

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• 申請日: 2021-03-02
• 公開（公告）號: CN113036185B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周正康;王卓爾;魏嵐;王慶宇;李政穎
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號: H01M8/04298
• 分類號: H01M8/04298;H01M8/04992
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 張惠玲

1.一種基于螢火蟲算法的氫氧燃料電池模型優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1，確定氫氧燃料電池模型的電池電壓V_cell，并進(jìn)一步確定氫氧燃料電池模型的性能參數(shù)，構(gòu)建氫氧燃料電池模型；

步驟S2，在建立氫氧燃料電池模型之后，選擇引入螢火蟲算法對模型進(jìn)行求解；

步驟S3，在對氫氧燃料電池模型工作電壓進(jìn)行建模之前，將實(shí)際燃料電池理想化，在允許的范圍內(nèi)降低參數(shù)要求，按照慣例做出假設(shè)；

步驟S4，針對完整氫氧燃料電池模型進(jìn)行仿真；利用Simulink建立的氫氧燃料電池輸出電壓模型，包含理論電壓模型、活化電壓模型、電阻電壓損耗模型和濃度極化電壓4個(gè)模塊，通過虛擬電壓表測得各模塊輸出電壓以及氫氧燃料電池模型最終輸出電壓；

步驟S5，通過基于實(shí)際60w氫氧燃料電池參數(shù)的整體仿真測試確定模型曲線的整體正確性，調(diào)整參數(shù)至30kw氫氧燃料電池后，選取實(shí)際30kw氫氧燃料電池工作點(diǎn)進(jìn)行比對，驗(yàn)證模型的普適性；

電池電壓V_cell由式(1)中的各參數(shù)決定；

V_cell＝V_theory-V_act-V_ohm-V_conc (1)

其中，V_theory指代的是理論電壓，V_act指代的是活化極化電壓，V_ohm指代的是電阻電壓，V_conc指代的是濃度極化電壓；

在步驟S1中所述的燃料電池理論電壓V_theory的具體計(jì)算公式如下，

T′＝(T-298.15)×8.5×10^-4 (2)

式中，指代的是氫氣分壓，指代的是氧氣分壓，T指代的是溫度，C代表的是常數(shù)；

所述活化極化電壓V_act，具體計(jì)算公式如下:

式中，參數(shù)R取值為8.3145，參數(shù)F取值為96485，參數(shù)α取值為1；T指代的是溫度，i指代的是電流密度，i₀為常數(shù)，為簡化之后的理論分析將i₀取值為0.1；

所述電阻電壓V_ohm，具體計(jì)算公式如下：

V_ohm＝i·R_i (4)

式中，i指代的是電流密度，而電阻R_i由式(5)中各部分組成電阻決定；

R_i＝R_i,i+R_i,e+R_i,c (5)

對于電阻R_i,c，有式(6)得

式中，A和l均為常數(shù)，將A取值為100，l取值為0.0127；

而ρ_M則由式(7)決定；

其中，A為式(6)中的常數(shù)，取值為100；為一個(gè)常數(shù)，取值為15；i指代的是電流密度，與上述討論的電流密度變量為同一電流密度變量；T指代的是氫氧燃料電池模型溫度，有效范圍在323.15-373.15開爾文之間；

而對于式(5)中的R_i,i+R_i,e部分，在氫氧燃料電池溫度T的取值范圍在323.15-373.15的范圍內(nèi)的時(shí)候，取值為常數(shù)，計(jì)算出該取值為0.05；

最終，通過整合式(4)、式(5)、式(6)、式(7)得到電阻電壓的表達(dá)式；

所述濃度極化電壓V_conc，具體計(jì)算公式如下；

其中，c和d為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般將c取值為3×10^-5V，將d取值為0.125A·cm^-2；i指代的是電流密度；

在步驟S2中所述螢火蟲算法是受螢火蟲閃爍行為啟發(fā)的啟發(fā)式算法，閃光的螢火蟲用來作吸引其它螢火蟲的信號系統(tǒng)；吸引力與亮度成正比，對任何兩只螢火蟲來說，暗的螢火蟲都會(huì)吸引，移向亮的那一只，亮度隨著距離的增加而降低；如果沒有一只螢火蟲比某一只更亮，那它就會(huì)隨機(jī)移動(dòng)；光度和目標(biāo)函數(shù)相關(guān)聯(lián)；

其中，算法描述如表1所示；

表1螢火蟲算法描述表

在建立模型之后，選擇螢火蟲算法對模型進(jìn)行求解，在算法實(shí)現(xiàn)的過程中，需要定義以下變量：

定義螢光亮度；

I_r＝I₀·e^-γ·r (9)

式中，I₀為螢火蟲的最大熒光亮度，γ為光強(qiáng)吸收系數(shù)，設(shè)為常數(shù)，r通常為螢火蟲i與j的歐氏距離，定義為：

式中，d為空間維數(shù)，x_i,k為蠻火蟲i在d維空間中的第k個(gè)分量；在優(yōu)化問題中，在位置x處蠻火蟲的熒光亮度I(x)∝f(x)，f(x)為待優(yōu)化函數(shù)；

定義吸引度；

β₀為最大吸引度，即光源x＝0處吸引度；γ為光強(qiáng)吸收系數(shù)；參數(shù)m通常取值為2；

定義位置更新；

x_i(t+1)＝x_i(t)+β(x_j(t)-x_i(t))+α′ε_i (12)

式中，x_i(t+1)為螢火蟲x_i第i次移動(dòng)后的位置；α＇為步長因子，是[0,1]上的常數(shù)；ε_i為[0,1]上服從高斯分布的隨機(jī)因子；

在步驟S3中所述假設(shè)為：

(1)理想氣體屬性；

(2)理想氣體混合物；

(3)不可壓縮流；

(4)膜和電極結(jié)構(gòu)各向同性且均勻；

對此做出誤差分析，可知實(shí)際燃料電池工作電壓低于理論電壓，因?yàn)殡姵毓ぷ鲿r(shí)存在著各種消耗，影響因素如下：

(1)電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力；

(2)內(nèi)部電子阻抗和離子阻抗；

(3)反應(yīng)物難于到達(dá)反應(yīng)點(diǎn)；

(4)雜散電流；

(5)反應(yīng)物相互滲透；

所以在氫氧燃料電池電壓建模的過程中，在理論電勢的基礎(chǔ)上，計(jì)算其與消耗電壓的差值，得到燃料電池電壓的模型；電壓損耗分為活化極化電壓損耗，電阻損耗，濃度極化電壓，最終得到的電壓為氫氧燃料電池輸出電壓。