(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111596655.6 (22)申请日 2021.12.24 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114004168 A (43)申请公布日 2022.02.01 (73)专利权人 武汉理工大 学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122号 (72)发明人 谢长君　朱文超　张展　杨扬　 (74)专利代理 机构 武汉开元知识产权代理有限 公司 42104 代理人 刘琳 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06K 9/62(2022.01)G06N 3/04(2006.01) G06N 3/08(2006.01) H01M 8/04992(2016.01) (56)对比文件 CN 113591364 A,2021.1 1.02 审查员 李斌 (54)发明名称 一种基于数字孪生的燃料电池综合管理系 统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于数字孪生的燃料电 池综合管 理系统及方法， 所述系统包括实体电池 组： 用于在运行中产生动态性能参数； 数字孪生 模型： 用于实时仿真实体燃料电池组的动态性能 参数； 数据采集平台： 用于实时采集实体燃料电 池组运行的动态性能参数， 对数据进行预处理和 特征提取， 将提取的特征数据传输至数字孪生模 型， 驱动模型的运行； 燃料电池与锂电池终端管 理模块： 为人机交互界面， 用于远程实时可视化 呈现数字孪生模 型的运行状态， 控制实体燃料电 池组和数字孪生模型的调节参数。 本发明可以对 复杂的燃 料电池系统做到远程实时可视化监控； 根据数字孪生模型的运行结果及时准确的来调 整物理设备的各相关物理量， 使性能达到最佳状 态。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 114004168 B 2022.04.29 CN 114004168 B 1.一种基于数字孪生的燃料电池综合管理系统， 其特征在于： 所述系统包括实体电池 组、 数字孪生模型、 数据采集平台、 燃料电池与锂电池终端管理模块， 所述实体电池组： 用于在运行中产生动态性能参数， 实体电池组为实 际工作中所选用 的燃料电池与锂电池， 若干个单体燃料电池组成燃料电池电堆， 若干个单体锂电池组成锂 电池组； 所述数字孪生模型： 用于实时仿真实体燃料电池组在运行中产生动态性能参数， 包括 数字电池组、 电池工作模拟模型和故障和预测模 型； 所述数字电池组为电池结构 3D模型， 以 Autocad软件为平台构建电池的结构模 型， 对实体电池的大小和结构做模拟； 所述数字电池 组对实体燃料电池、 实体锂电池的几何结构与物理、 化学规则进行映射， 通过3D建模、 图形 渲染、 构建运动学方程的操作构建燃料电池数字孪生体和锂电池数字孪生体， 所述数字电 池与实体电池在形状、 结构、 容量以及所遵循的自然 科学规则均相同； 所述电池工作模拟模 型在Simulink中搭建进排气、 冷却循环子系统， 将各子系统模型连接起来， 对电池的运行过 程和结果做仿真， 所述故障和预测模型通过结合人工智能算法对故障数据进行处理， 判定 故障情况； 所述数字电池组、 电池工作模拟模型和故障和预测模型都通过设置端口集成在 LabVIEW平台中； 数字孪生模 型在经过一次完整运行后， 输出电堆状态信息和/或故障情况； 所述数据采集平台： 用于实时采集实体燃料电池组运行 的动态性能参数， 对数据进行预处 理和特征提取， 通过建立的通信协议将提取的特征数据传输至数字孪生模型， 驱动模型 的 运行； 所述数据采集平台包括信息采集模块和信息传输模块； 所述信息采集模块分为数据 采集、 特征参数提取、 数据存储、 数据读取和数据导出， 其中数据采集是通过各类型传感器 实时采集电池组运行时的热力、 电力和压力关键信息， 实时显示信号曲线； 特征参数提取是 将采集到的相关参数进行特征工程处理， 得到特征参数集后供其他模块使用； 所述信息传 输模块基于TCP/IP协议采用同一时间一对一通信模式实现数据采集平台与数字孪生模型 之间的数据传输； 所述燃料电池与锂电池终端管理模块： 为人机交互界面， 用于远程实时可视化呈现数 字孪生模型 的运行状态， 控制实体燃料电池组和数字孪生模型的调节参数， 对单体电池的 放电状态与电池组输出功率进行控制调节， 控制锂电池在不同时间根据需求储能或释能， 从而对燃料电池的输出做辅助补偿。 2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的燃料电池综合管理系统， 其特征在于： 所 述电池工作模拟模型融合热力学、 动力学原理， 受数据驱动后开始运行， 对实体燃料电池的 物理实体运行状态的实时仿真。 3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的燃料电池综合管理系统， 其特征在于： 所 述故障和预测模型通过数据采集平台采集并存储的历史数据经特征提取后形成特征参数 集， 采用神经网络将特征参数集作为训练和测试数据集， 在经过反复优化后得到故障诊断 模型和电池寿命预测模型两个成熟的神经网络模型， 两个模型的输出分别是故障类型及严 重程度、 电池的剩余使用寿命。 4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的燃料电池综合管理系统， 其特征在于： 所 述特征参数提取的过程 为： （1） 对各个传感器采集的电堆状态数据进行标准化、 归一化、 多项式特征变换等基础预 处理操作；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114004168 B 2（2） 数据预处理完成后， 从特征是否发散以及特征与目标的相关性等两个方面来考虑 特征选择； （3） 特征选择提取完成后， 将特征数据输送给数字孪生模型， 或是输入机器学习的算法 和模型进行训练。 5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的燃料电池综合管理系统， 其特征在于： 所 述实体燃料电池组包括实体燃料电池与实体锂电池， 均为实际工作过程中所选用的燃料电 池电堆和锂电池电池组， 实体锂电池作为燃料电池的辅助系统， 根据控制策略对燃料电池 输出的电能进行储 存或补充， 平衡燃料电池的动态输出性能。 6.一种基于数字孪生的燃料电池综合管理系统 的工作方法， 所述方法基于权利要求1~ 5中任一项 所述的基于数字孪生的燃料电池综合管理系统实现， 其特征在于： 所述方法包括 步骤： a、 根据选用的实体燃料电池与实体锂电池， 对其几何结构与物 理、 化学规则进行映射， 通过3D建模、 图形渲染、 构建运动学方程的操作来构建燃料电池数字孪生体和锂电池数字 孪生体， 数字电池组与实体电池组在形状、 结构、 容 量以及所遵循的规则均相同； b、 在给定条件下实体电池开始工作， 数据采集平台通过各类型传感器采集实体电池组 运行产生的实体数据， 并将数据备份储 存起来； c、 数据采集平台对数据做预处理并进行特征提取， 通过建立的通信协议， 匹配发送和 接收端口， 将特 征数据传输 到数字孪生模型， 驱动模型的运行； d、 数字孪生模型受数据驱动后对物理实体进行实时仿真描述， 输出当前时刻的运行状 态或是故障情况， 当物理实体发生改变时， 数字 孪生模型也相应发生实时的改变； e、 管理人员在燃料电池与锂电池终端管理模块的远端观察交互界面信息， 通过数字孪 生模型的运行结果实时且精确 地知晓燃料电池系统的运行状态， 实时诊断系统的故障， 进 而通知相关人员对输入条件进行调节， 对故障处物理设备进行维修或者更 换。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114004168 B 3