本發(fā)明涉及一種儲氫系統(tǒng)容量狀態(tài)估算方法，具體是一種mh固態(tài)儲氫系統(tǒng)容量狀態(tài)估算方法，屬于固態(tài)儲氫。

背景技術(shù)：

1、氫能作為一種具有較高熱值、且在燃燒過程中不產(chǎn)生二氧化碳的清潔能源，在汽車、船舶、工業(yè)熱能以及電力領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前常見的儲氫方式包括氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫，其中采用高壓氣瓶的氣態(tài)儲氫方式的體積儲氫密度低、不適合大規(guī)模固定式氫存儲，且需要特殊設(shè)計(jì)的昂貴罐體以耐受氫氣壓力，成本較高；液態(tài)儲氫方式需要在極低溫的儲存條件，運(yùn)輸困難且成本高昂；而固態(tài)儲氫方式則主要是將氫氣存儲于固體材料中，具有高體積儲氫密度、高安全性等優(yōu)點(diǎn)，并且利用金屬氫化物(metalhydride，mh)儲氫材料可以實(shí)現(xiàn)固定式高密度、高穩(wěn)定性以及快速響應(yīng)的固態(tài)氫存儲，具有更大的研究價(jià)值和應(yīng)用潛力。

2、利用金屬氫化物儲氫材料的固態(tài)儲氫系統(tǒng)(mh固態(tài)儲氫系統(tǒng))的儲/放氫特性與固態(tài)儲氫系統(tǒng)的壓力-成分-溫度(pressure-composition-temperature，pct)曲線密切相關(guān)，該曲線可以反映不同溫度下氫氣儲/放過程的平衡壓力與氫含量之間的關(guān)系。mh固態(tài)儲氫系統(tǒng)在儲氫時(shí)會釋放大量熱量，放氫時(shí)又需要吸收熱量，這種熱效應(yīng)直接影響氫氣的儲/放氫效率。因此，合理的熱管理系統(tǒng)對于維持儲氫罐內(nèi)的溫度穩(wěn)定至關(guān)重要。在固態(tài)儲氫系統(tǒng)運(yùn)行中，壓力和溫度可以通過傳感器直接實(shí)時(shí)測量，但氫含量卻難以實(shí)時(shí)通過直接測量獲取。因此，需要進(jìn)行容量狀態(tài)估算以準(zhǔn)確獲得固態(tài)儲氫系統(tǒng)的實(shí)時(shí)儲氫狀態(tài)，進(jìn)而制定高效的熱管理策略，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的儲/放氫速率控制、并延長固態(tài)儲氫系統(tǒng)運(yùn)行壽命。

3、mh固態(tài)儲氫系統(tǒng)的氫含量狀態(tài)(state?of?charge，soc)指固態(tài)儲氫系統(tǒng)當(dāng)前剩余的氫含量與總儲氫量的比率，通常以如下式所示的百分比形式表示。soc的精準(zhǔn)計(jì)算可判斷氫氣的剩余可用量，從而優(yōu)化控制氫氣的使用，提高運(yùn)行效率。

4、

5、目前，針對mh固態(tài)儲氫系統(tǒng)soc估算，常規(guī)的方法包括流量積分法和開路pct法。流量積分法通過對系統(tǒng)進(jìn)出氫氣流量的積分計(jì)算來估算soc，其優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算簡單，能夠通過連續(xù)的氫氣流量測量實(shí)現(xiàn)soc的實(shí)時(shí)計(jì)算，然而該方法的不足之處在于傳感器測量誤差會隨著時(shí)間的推移而累積、導(dǎo)致soc估算產(chǎn)生偏差，在長時(shí)間運(yùn)行中，微小的測量誤差可能導(dǎo)致較大的累計(jì)誤差，嚴(yán)重影響soc的準(zhǔn)確性，此外，流量積分法無法有效考慮系統(tǒng)中的氫氣泄漏或損耗，會進(jìn)一步加大soc估算值與實(shí)際狀態(tài)的偏差；開路pct法通過結(jié)合系統(tǒng)當(dāng)前的壓力和溫度狀態(tài)，利用pct曲線反映的平衡壓力與氫含量之間的關(guān)系來推算soc，盡管這一方法在理論上較為完備，但其適用性受到動態(tài)非平衡狀態(tài)下氫氣儲/放速率差異的影響，可能會導(dǎo)致估算結(jié)果滯后，此外，pct曲線的變化受到溫度和壓力等外部因素影響，稍有偏差就可能導(dǎo)致soc估算偏差增大。因此，亟需研發(fā)一種能夠提高soc估算精度、具備良好動態(tài)響應(yīng)能力的估算方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種固態(tài)儲氫系統(tǒng)容量狀態(tài)估算方法，能夠在實(shí)現(xiàn)避免氫氣流量積分中誤差累積的現(xiàn)象、提升soc估算精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)在動態(tài)工況下實(shí)時(shí)估算系統(tǒng)氫含量狀態(tài)并指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行的動態(tài)控制、減少測量噪聲和模型不確定性帶來的誤差。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本固態(tài)儲氫系統(tǒng)容量狀態(tài)估算方法具體包括以下步驟：

3、step1，根據(jù)固態(tài)儲/放氫的化學(xué)反應(yīng)學(xué)動力學(xué)方程，將高維數(shù)值計(jì)算模型簡化為集總參數(shù)模型，再進(jìn)行線性化處理，獲得mh固態(tài)儲氫系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程及線性化模型；

4、線性系統(tǒng)狀態(tài)空間表示如下：

5、

6、式中：x、u、y分別是狀態(tài)向量、輸入向量、輸出向量；a、b、c、d分別是狀態(tài)矩陣、輸入矩陣、輸出矩陣、前饋矩陣；是狀態(tài)向量x對時(shí)間的求導(dǎo)；

7、將固態(tài)儲氫罐外部熱流體的溫度、金屬氫化物儲氫材料的密度、儲氫罐中的溫度定義為狀態(tài)變量，將熱管理設(shè)備提供的熱功率、氫氣緩沖罐壓力和儲/放氫流量分別定義為控制變量、可測干擾量和控制目標(biāo)量，則固態(tài)儲/放氫模型的狀態(tài)空間具體表達(dá)式描述如下：

8、

9、式中：式中：x、u、y分別是狀態(tài)向量、輸入向量、輸出向量；x′表示狀態(tài)向量對時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)向量；δ表示可測干擾向量；表示熱流體的溫度，單位k；ρmh表示金屬氫化物儲氫材料的密度，單位kg/m3；tmh表示儲氫罐內(nèi)的溫度，單位k；表示儲氫罐氫氣通道處的氫氣流量，單位kg/s；pheat表示熱管理設(shè)備提供的熱功率，單位kw；pbt表示氫氣緩沖罐中的壓力，單位pa；

10、線性系統(tǒng)狀態(tài)空間中的狀態(tài)矩陣a、輸入矩陣b、輸出矩陣c和前饋矩陣d分別通過在系統(tǒng)穩(wěn)定工作狀態(tài)下的一階泰勒展開得到；

11、step2，使用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法估算固態(tài)儲氫系統(tǒng)未來時(shí)刻的狀態(tài)，據(jù)此輸出mh固態(tài)儲氫系統(tǒng)的氫含量soc狀態(tài)；通過循環(huán)迭代執(zhí)行系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)測和更新，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)soc估算值；

12、step2-1，初始化：

13、首先在確定初始狀態(tài)估算時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的初始條件和先驗(yàn)知識來估算初始soc，設(shè)為將初始狀態(tài)估算設(shè)為一個(gè)接近真實(shí)值的猜測值組合，即

14、其次，確定初始協(xié)方差矩陣，初始協(xié)方差矩陣根據(jù)先驗(yàn)知識和系統(tǒng)的預(yù)期誤差來設(shè)定，表示為：

15、

16、step2-2，預(yù)測：

17、首先進(jìn)行系統(tǒng)的狀態(tài)預(yù)測，將狀態(tài)向量擴(kuò)展為包含soc的如下形式：

18、

19、其中，對于soc的預(yù)測根據(jù)系統(tǒng)的儲/放氫模型和上一時(shí)刻的soc進(jìn)行估算；

20、其次進(jìn)行系統(tǒng)的協(xié)方差預(yù)測，協(xié)方差矩陣相應(yīng)地?cái)U(kuò)展和更新為包含soc的如下形式：

21、

22、step2-3，更新：

23、輸出向量中增加soc的測量或估算值，表示為：

24、

25、其中是與儲/放氫流量相關(guān)的測量量；

26、則卡爾曼增益計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

27、

28、系統(tǒng)狀態(tài)更新為：

29、

30、對于soc的更新，根據(jù)卡爾曼增益和測量值與預(yù)測值的差異進(jìn)行調(diào)整；

31、系統(tǒng)協(xié)方差更新為：

32、

33、step2-4，循環(huán)迭代：

34、持續(xù)進(jìn)行上述預(yù)測和更新步驟的循環(huán)迭代，不斷調(diào)整和優(yōu)化儲氫系統(tǒng)soc的估算值，同時(shí)也更新狀態(tài)變量的估算，實(shí)現(xiàn)對mh固態(tài)儲氫系統(tǒng)狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測和soc的實(shí)時(shí)估算。

35、進(jìn)一步的，step1中，線性系統(tǒng)狀態(tài)空間中的狀態(tài)矩陣a、輸入矩陣b、輸出矩陣c和前饋矩陣d分別通過在系統(tǒng)穩(wěn)定工作狀態(tài)下的一階泰勒展開得到，具體步驟如下：

36、在系統(tǒng)穩(wěn)定工作狀態(tài)下x0＝[t0,h2o,ρ0,mh,t0,mh]、u0＝[p0,heat]、δ0＝p0,bt，將狀態(tài)空間進(jìn)行一階泰勒展開，獲得各動態(tài)矩陣的數(shù)值，表達(dá)式如下：

37、

38、根據(jù)獲得的動態(tài)矩陣，再將狀態(tài)空間進(jìn)行傅里葉逆變換得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，表示為：

39、

40、式中：y(s)和u(s)是輸入和輸出的拉普拉斯變換；s是復(fù)頻域變量。

41、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本固態(tài)儲氫系統(tǒng)容量狀態(tài)估算方法通過mh固態(tài)儲氫系統(tǒng)的模型，結(jié)合pct特性和熱力學(xué)特性，對系統(tǒng)的壓力、溫度、氫氣流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)預(yù)測并校正mh固態(tài)儲氫系統(tǒng)的soc。與傳統(tǒng)的流量積分法和開路pct法相比，本固態(tài)儲氫系統(tǒng)容量狀態(tài)估算方法具有以下優(yōu)勢：

42、1.通過融合多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，擴(kuò)展卡爾曼濾波算法能夠過濾掉流量測量誤差、溫度和壓力波動帶來的不確定性，避免氫氣流量積分中誤差累積的現(xiàn)象，提升soc估算精度。

43、2.由于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法能持續(xù)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行自我調(diào)整，即使外部環(huán)境(如溫度或壓力)發(fā)生變化，系統(tǒng)仍能維持高精度的soc估算，可彌補(bǔ)開路pct法對外部條件過于敏感的缺陷，此外，在mh固態(tài)儲氫系統(tǒng)的非平衡動態(tài)過程中動態(tài)修正誤差，可提高mh固態(tài)儲氫系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

44、3.通過擴(kuò)展卡爾曼濾波算法估算的mh固態(tài)儲氫系統(tǒng)soc，可以根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)更智能地管理儲/放氫過程，優(yōu)化氫氣供給，防止過度儲/放氫引起的材料劣化，從而延長mh等固態(tài)儲氫材料的使用壽命。

45、4.發(fā)明的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法不僅適用于mh固態(tài)儲氫系統(tǒng)的soc估算，還可用于基于固態(tài)儲氫的氫能源系統(tǒng)中的非線性過程，能夠在動態(tài)工況下實(shí)時(shí)估算系統(tǒng)氫含量狀態(tài)并指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行的動態(tài)控制，減少測量噪聲和模型不確定性帶來的誤差，可以為氫能技術(shù)在更廣泛領(lǐng)域內(nèi)的規(guī)?；瘧?yīng)用提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。