一種燃料電池系統(tǒng)健康狀態(tài)檢測(cè)方法及裝置與流程
1.本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)健康狀態(tài)檢測(cè)方法及裝置,屬于燃料電池系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
2.質(zhì)子交換膜燃料電池因其清潔、能量效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于燃料電池汽車領(lǐng)域。燃料電池系統(tǒng)隨運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)增加,燃料電池系統(tǒng)健康狀態(tài)會(huì)逐漸發(fā)生變化。一方面,絕大多數(shù)燃料電池系統(tǒng)故障觸發(fā)并非突發(fā)的,而是因?yàn)椴粩嗥x理想狀態(tài)而導(dǎo)致的,另一方面,燃料電池系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),必然會(huì)對(duì)燃料電池系統(tǒng)壽命造成一定影響,因此實(shí)時(shí)監(jiān)控燃料電池健康度狀態(tài)可以提前識(shí)別燃料電池系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)處理,有效提升燃料電池系統(tǒng)可靠性及耐久性。
3.目前行業(yè)內(nèi)雖然有監(jiān)控燃料電池運(yùn)行狀態(tài)的方法,但都是單獨(dú)對(duì)燃料電池某個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,例如監(jiān)控燃料電池含水量是否正常,無(wú)法實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)整體健康度的計(jì)算,無(wú)法評(píng)估燃料電池系統(tǒng)整體的健康狀態(tài),不能對(duì)燃料電池系統(tǒng)健康狀態(tài)及時(shí)預(yù)警,無(wú)法提前對(duì)存在風(fēng)險(xiǎn)的部件進(jìn)行維護(hù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
4.本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池系統(tǒng)健康狀態(tài)檢測(cè)方法及裝置,能夠通過(guò)計(jì)算燃料電池系統(tǒng)健康度實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)健康狀態(tài)的判斷。
5.為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了一種燃料電池系統(tǒng)健康狀態(tài)檢測(cè)方法,該方法包括以下步驟:
6.在燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,至少實(shí)時(shí)獲取燃料電池中每個(gè)電芯的單體電壓值、燃料電池的實(shí)際總電壓值、燃料電池系統(tǒng)的氫氣泄漏值h1和燃料電池系統(tǒng)的絕緣阻值ω2;
7.利用燃料電池中所有電芯的單體電壓值和燃料電池的實(shí)際總電壓值,計(jì)算得到燃料電池單體電壓一致性健康度α1、燃料電池單體電壓壓差健康度α2、燃料電池最低單體電壓健康度α3和燃料電池性能健康度α4;
8.利用α1判斷燃料電池是否出現(xiàn)單體電壓不一致故障,利用α2判斷燃料電池是否出現(xiàn)單體電壓壓差過(guò)大故障,利用α3判斷燃料電池是否出現(xiàn)單體電壓過(guò)低故障,利用α4判斷燃料電池是否出現(xiàn)輸出功率過(guò)低故障,利用h1判斷燃料電池系統(tǒng)是否出現(xiàn)氫氣泄漏故障,利用ω2判斷燃料電池系統(tǒng)是否出現(xiàn)絕緣阻值過(guò)低故障;
9.當(dāng)上述故障均未出現(xiàn)時(shí),將α1、α2、α3和α4的加權(quán)和作為燃料電池電堆健康度β1,并計(jì)算燃料電池系統(tǒng)氫氣泄露健康度β2和燃料電池系統(tǒng)絕緣健康度β3,h2為允許的氫氣泄露最大值,ω1為允許的絕緣阻值最低值,e2為第二修正系數(shù);
10.將β1、β2和β3的加權(quán)和作為燃料電池系統(tǒng)健康度γ,根據(jù)γ值的大小確定燃料電池系統(tǒng)的健康狀態(tài),γ值越大,燃料電池系統(tǒng)越健康。
11.本發(fā)明還提供了一種燃料電池系統(tǒng)健康狀態(tài)檢測(cè)裝置,該裝置包括處理器和存儲(chǔ)器,所述處理器執(zhí)行由所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序,以實(shí)現(xiàn)上述的燃料電池系統(tǒng)健康狀態(tài)檢測(cè)方法。
12.本發(fā)明的有益效果是:從多個(gè)維度計(jì)算燃料電池系統(tǒng)健康度,根據(jù)燃料電池系統(tǒng)健康度的大小確定燃料電池系統(tǒng)的健康狀態(tài),能實(shí)時(shí)掌握燃料電池健康狀態(tài),提前識(shí)別風(fēng)險(xiǎn),提升燃料電池系統(tǒng)可靠性及耐久性,有效降低燃料電池系統(tǒng)故障率以及因故障造成的損失。
13.進(jìn)一步地,在上述方法及裝置中,該方法在計(jì)算燃料電池系統(tǒng)健康度γ時(shí)還包括燃料電池系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性健康度β4,將β1、β2、β3和β4的加權(quán)和作為燃料電池系統(tǒng)健康度γ;其中,通過(guò)獲取燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)與燃料電池系統(tǒng)所處的環(huán)境參數(shù)相匹配時(shí)的燃料電池電流和該燃料電池電流對(duì)應(yīng)的燃料電池實(shí)際平均電壓,利用所述燃料電池實(shí)際平均電壓判斷燃料電池系統(tǒng)是否出現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性故障,在燃料電池系統(tǒng)未出現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性故障時(shí),計(jì)算燃料電池系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性健康度β4,δv5為所述燃料電池電流對(duì)應(yīng)的燃料電池實(shí)際平均電壓與平均電壓參考值的偏差值,δv6為對(duì)應(yīng)電流下允許的燃料電池實(shí)際平均電壓與平均電壓參考值的最大偏差值。
14.進(jìn)一步地,在上述方法及裝置中,v1為燃料電池中所有電芯的單體電壓值的方差,v2為允許的方差最大值;δv1為最高單體電壓值與最低單體電壓值的差值,δv2為允許的單體電壓壓差最大值;e1為第一修正系數(shù),v4為最低單體電壓值,v3為允許的單體電壓最低值;δv3為燃料電池的實(shí)際總電壓值與燃料電池初始總電壓值的偏差值,δv4為允許的燃料電池的實(shí)際總電壓值與燃料電池初始總電壓值的最大偏差值。
15.進(jìn)一步地,在上述方法及裝置中,所述根據(jù)γ值的大小確定燃料電池系統(tǒng)的健康狀態(tài)的過(guò)程包括:
16.當(dāng)γ>γ0時(shí),判斷燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)正常,γ0為設(shè)定的健康度下限值;
17.當(dāng)γ<γ0且γ
0-γ>γ1時(shí),判斷燃料電池系統(tǒng)故障,γ1為設(shè)定的健康度偏差值;
18.當(dāng)γ<γ0但γ
0-γ<γ1時(shí),根據(jù)燃料電池系統(tǒng)各部件的狀態(tài)對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)修正,若修正后γ>γ0,則判斷燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)恢復(fù)正常;若修正后γ<γ0且γ
0-γ>γ1,則判斷燃料電池系統(tǒng)故障;若修正后γ<γ0但γ
0-γ<γ1,則對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警。
19.進(jìn)一步地,在上述方法及裝置中,所述預(yù)警為分級(jí)預(yù)警。
20.進(jìn)一步地,在上述方法及裝置中,當(dāng)v1>v2時(shí),判斷燃料電池出現(xiàn)單體電壓不一致故障;當(dāng)δv1>δv2時(shí),判斷燃料電池出現(xiàn)單體電壓壓差過(guò)大故障;當(dāng)v4<v3時(shí),判斷燃料電池出現(xiàn)單體電壓過(guò)低故障;當(dāng)δv3>δv4時(shí),判斷燃料電池出現(xiàn)輸出功率過(guò)低故障。
21.進(jìn)一步地,在上述方法及裝置中,當(dāng)h1>h2時(shí),判斷燃料電池系統(tǒng)出現(xiàn)氫氣泄漏故障。
22.進(jìn)一步地,在上述方法及裝置中,當(dāng)ω2<ω1時(shí),判斷燃料電池系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣阻值過(guò)低故障。
23.進(jìn)一步地,在上述方法及裝置中,當(dāng)δv5>δv6時(shí),判斷燃料電池系統(tǒng)出現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性故障。
附圖說(shuō)明
24.圖1是本發(fā)明方法實(shí)施例中的燃料電池系統(tǒng)健康狀態(tài)檢測(cè)方法流程圖;
25.圖2是本發(fā)明方法實(shí)施例中的燃料電池電堆健康度計(jì)算流程圖;
26.圖3是本發(fā)明方法實(shí)施例中的燃料電池環(huán)境適應(yīng)性健康度計(jì)算流程圖;
27.圖4是本發(fā)明方法實(shí)施例中的燃料電池系統(tǒng)分級(jí)預(yù)警流程圖;
28.圖5是本發(fā)明裝置實(shí)施例中的燃料電池系統(tǒng)健康狀態(tài)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
29.為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
30.方法實(shí)施例:
31.如圖1所示,本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)健康狀態(tài)檢測(cè)方法包括以下步驟:
32.步驟1、在燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,實(shí)時(shí)獲取燃料電池中每個(gè)電芯的單體電壓值、燃料電池的實(shí)際總電壓值、燃料電池系統(tǒng)的氫氣泄漏值h1、燃料電池系統(tǒng)的絕緣阻值ω2,以及燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)與燃料電池系統(tǒng)所處的環(huán)境參數(shù)相匹配時(shí)的燃料電池電流和該燃料電池電流對(duì)應(yīng)的燃料電池實(shí)際平均電壓;
33.其中,若燃料電池系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)與燃料電池系統(tǒng)當(dāng)前所處的環(huán)境參數(shù)相匹配,就直接獲取匹配時(shí)的燃料電池電流和該燃料電池電流對(duì)應(yīng)的燃料電池實(shí)際平均電壓;若燃料電池系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)與燃料電池系統(tǒng)當(dāng)前所處的環(huán)境參數(shù)不匹配,就先將燃料電池的運(yùn)行參數(shù)調(diào)整為與燃料電池系統(tǒng)當(dāng)前所處的環(huán)境參數(shù)相匹配,再獲取匹配時(shí)的燃料電池電流和該燃料電池電流對(duì)應(yīng)的燃料電池實(shí)際平均電壓。
34.步驟2、對(duì)燃料電池電堆是否故障、燃料電池系統(tǒng)是否出現(xiàn)氫氣泄漏故障、燃料電池系統(tǒng)是否出現(xiàn)絕緣阻值過(guò)低故障和燃料電池系統(tǒng)是否出現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性故障進(jìn)行判斷;
35.其中,燃料電池電堆是否故障的判斷步驟如下:
36.(1)當(dāng)v1>v2時(shí),判斷燃料電池出現(xiàn)單體電壓不一致故障;v1為燃料電池中所有電芯的單體電壓值的方差,vi為燃料電池中第i片電芯的單體電壓,vo為燃料電池中所有電芯的單體電壓的平均值,m為燃料電池中電芯的總數(shù),v2為允許的方差最大值;
37.(2)當(dāng)δv1>δv2時(shí),判斷燃料電池出現(xiàn)單體電壓壓差過(guò)大故障;δv1為最高單體電壓值與最低單體電壓值的差值,δv2為允許的單體電壓壓差最大值;
38.(3)當(dāng)v4<v3時(shí),判斷燃料電池出現(xiàn)單體電壓過(guò)低故障;v4為最低單體電壓值,v3為允許的單體電壓最低值;
39.(4)當(dāng)δv3>δv4時(shí),判斷燃料電池出現(xiàn)輸出功率過(guò)低故障;δv3為燃料電池的實(shí)
際總電壓值與燃料電池初始總電壓值的偏差值,δv4為允許的燃料電池的實(shí)際總電壓值與燃料電池初始總電壓值的最大偏差值。
40.燃料電池系統(tǒng)是否出現(xiàn)氫氣泄漏故障的判斷步驟如下:當(dāng)h1>h2時(shí),判斷燃料電池系統(tǒng)出現(xiàn)氫氣泄漏故障,h2為允許的氫氣泄露最大值。
41.燃料電池系統(tǒng)是否出現(xiàn)絕緣阻值過(guò)低故障的判斷步驟如下:當(dāng)ω2<ω1時(shí),判斷燃料電池系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣阻值過(guò)低故障,ω1為允許的絕緣阻值最低值。
42.燃料電池系統(tǒng)是否出現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性故障的判斷步驟如下:當(dāng)δv5>δv6時(shí),判斷燃料電池系統(tǒng)出現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性故障,δv5為燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)與燃料電池系統(tǒng)所處的環(huán)境參數(shù)相匹配時(shí)的燃料電池電流對(duì)應(yīng)的燃料電池實(shí)際平均電壓與平均電壓參考值的偏差值,δv6為對(duì)應(yīng)電流下允許的燃料電池實(shí)際平均電壓與平均電壓參考值的最大偏差值。其中,平均電壓參考值為對(duì)應(yīng)環(huán)境參數(shù)和燃料電池電流下燃料電池的理想平均電壓(例如通過(guò)在對(duì)應(yīng)環(huán)境參數(shù)和燃料電池電流下進(jìn)行實(shí)際場(chǎng)景測(cè)試,將測(cè)試得到的平均電壓值作為平均電壓參考值),可事先制定環(huán)境參數(shù)、燃料電池電流和平均電壓參考值的對(duì)應(yīng)關(guān)系表,通過(guò)查表獲得相應(yīng)環(huán)境參數(shù)和燃料電池電流對(duì)應(yīng)的平均電壓參考值。
43.步驟3、當(dāng)上述步驟2中的故障均未出現(xiàn)時(shí),計(jì)算燃料電池系統(tǒng)健康度γ,根據(jù)γ值的大小確定燃料電池系統(tǒng)的健康狀態(tài),γ值越大,燃料電池系統(tǒng)越健康。
44.其中,燃料電池系統(tǒng)健康度qi為βi的權(quán)重系數(shù),且β1為燃料電池電堆健康度(見(jiàn)圖2),ki為αi的權(quán)重系數(shù),且α1為燃料電池單體電壓一致性健康度,α2為燃料電池單體電壓壓差健康度,α3為燃料電池最低單體電壓健康度,e1為第一修正系數(shù),α4為燃料電池性能健康度,β2=為燃料電池系統(tǒng)氫氣泄露健康度,β3為燃料電池系統(tǒng)絕緣健康度,e2為第二修正系數(shù);β4為燃料電池系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性健康度(見(jiàn)圖3),其中,在不同電流點(diǎn)下第一修正系數(shù)e1和第二修正系數(shù)e2的取值不同,一般e1、e2的取值范圍為1~1.2,電流點(diǎn)越大e1、e2的取值越大。
45.其中,根據(jù)燃料電池系統(tǒng)健康度確定燃料電池系統(tǒng)的健康狀態(tài)的判斷邏輯如下:
46.當(dāng)γ>γ0時(shí),判斷燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)正常,γ0為設(shè)定的健康度下限值;
47.當(dāng)γ<γ0且γ
0-γ>γ1時(shí),判斷燃料電池系統(tǒng)故障,γ1為設(shè)定的健康度偏差值;
48.當(dāng)γ<γ0但γ
0-γ<γ1時(shí),根據(jù)燃料電池系統(tǒng)各部件的狀態(tài)對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)修正,若修正后γ>γ0,則判斷燃料電池系統(tǒng)狀態(tài)恢復(fù)正常;若修正后γ<γ0且γ
0-γ>γ1,則判斷燃料電池系統(tǒng)故障;若修正后γ<γ0但γ
0-γ<γ1,則對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警。
49.一般情況下,γ0為通過(guò)大量數(shù)據(jù)獲取的燃料電池系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生故障的健康度最小值,γ1為通過(guò)大量數(shù)據(jù)獲取的燃料電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障概率超過(guò)30%時(shí)(γ
0-γ)的差值。對(duì)于采用不同零部件及不同結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)γ0和γ1會(huì)不同,γ0和γ1的具體取值需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。
50.其中,當(dāng)γ<γ0但γ
0-γ<γ1時(shí),通過(guò)查找燃料電池系統(tǒng)中各部件的狀態(tài),找到
出現(xiàn)異常的部件,通過(guò)對(duì)該部件進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池系統(tǒng)的修正,例如若查找到是氫閥異常,就對(duì)氫閥進(jìn)行調(diào)整。
51.本實(shí)施例中對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警時(shí),根據(jù)γ
0-γ的大小將預(yù)警分為三個(gè)等級(jí)(見(jiàn)圖4),例如當(dāng)(γ
0-γ)<40%γ1時(shí)一級(jí)預(yù)警,此時(shí)對(duì)比大數(shù)據(jù)分析出導(dǎo)致健康度較差的燃料電池系統(tǒng)組件并提醒其存在風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)40%γ1<(γ
0-γ)<60%γ1時(shí)二級(jí)預(yù)警,此時(shí)檢查燃料電池系統(tǒng)中健康度最差的三個(gè)組成部分相關(guān)零件并進(jìn)行保養(yǎng);當(dāng)(γ
0-γ)>60%γ1時(shí)三級(jí)預(yù)警,此時(shí)對(duì)燃料電池系統(tǒng)全面維保。
52.本實(shí)施例中,燃料電池系統(tǒng)健康度γ為燃料電池電堆健康度β1、燃料電池系統(tǒng)氫氣泄露健康度β2、燃料電池系統(tǒng)絕緣健康度β3和燃料電池系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性健康度β4的加權(quán)和,其中,權(quán)重的設(shè)置以安全性為原則,能影響燃料電池安全的指標(biāo)權(quán)重相對(duì)較大,例如令燃料電池系統(tǒng)氫氣泄露健康度β2和燃料電池系統(tǒng)絕緣健康度β3的權(quán)重較大,令燃料電池電堆健康度β1和燃料電池系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性健康度β4的權(quán)重較小。作為其他實(shí)施方式,還可以僅將β1、β2和β3的加權(quán)和作為燃料電池系統(tǒng)健康度γ,此時(shí)可以省略與燃料電池系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性健康度有關(guān)的步驟;或者,還可以通過(guò)考慮更多影響燃料電池系統(tǒng)健康度的因素,將這些因素的健康度也作為燃料電池系統(tǒng)健康度的一部分,例如將尾排氫氣濃度健康度β5作為燃料電池系統(tǒng)健康度的一部分,此時(shí),需實(shí)時(shí)獲取燃料電池系統(tǒng)的尾排氫氣濃度c1,當(dāng)c1>允許的尾排氫氣濃度最大值c2時(shí),判斷燃料電池系統(tǒng)出現(xiàn)尾排氫氣濃度過(guò)大故障,在燃料電池系統(tǒng)未出現(xiàn)尾排氫氣濃度過(guò)大故障及上述步驟2中的故障時(shí),計(jì)算尾排氫氣濃度健康度β5=c1/c2,將β1、β2、β3、β4和β5的加權(quán)和作為燃料電池系統(tǒng)健康度γ。
53.本實(shí)施例中,燃料電池電堆健康度包含:燃料電池單體電壓一致性健康度、燃料電池單體電壓壓差健康度、燃料電池單體最低電壓健康度和燃料電池性能健康度,其中,權(quán)重的設(shè)置只要保證燃料電池單體最低電壓健康度的權(quán)重最大即可;作為其他實(shí)施方式,還可以通過(guò)考慮更多影響燃料電池電堆健康度的因素,將這些因素的健康度也作為燃料電池電堆健康度的一部分。
54.裝置實(shí)施例:
55.本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)健康狀態(tài)檢測(cè)裝置,如圖5所示,該裝置包括處理器、存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序,所述處理器在執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)上述方法實(shí)施例中的方法。
56.也就是說(shuō),以上方法實(shí)施例中的方法應(yīng)理解為可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)健康狀態(tài)檢測(cè)方法的流程??商峁┻@些計(jì)算機(jī)程序指令到處理器,使得通過(guò)處理器執(zhí)行這些指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)上述方法流程所指定的功能。
57.本實(shí)施例所指的處理器是指微處理器mcu或可編程邏輯器件fpga等的處理裝置。
58.本實(shí)施例所指的存儲(chǔ)器包括用于存儲(chǔ)信息的物理裝置,通常是將信息數(shù)字化后再以利用電、磁或者光學(xué)等方式的媒體加以存儲(chǔ)。例如:利用電能方式存儲(chǔ)信息的各式存儲(chǔ)器,ram、rom等;利用磁能方式存儲(chǔ)信息的的各式存儲(chǔ)器,硬盤、軟盤、磁帶、磁芯存儲(chǔ)器、磁泡存儲(chǔ)器、u盤;利用光學(xué)方式存儲(chǔ)信息的各式存儲(chǔ)器,cd或dvd。當(dāng)然,還有其他方式的存儲(chǔ)器,例如量子存儲(chǔ)器、石墨烯存儲(chǔ)器等等。
59.通過(guò)上述存儲(chǔ)器、處理器以及計(jì)算機(jī)程序構(gòu)成的裝置,在計(jì)算機(jī)中由處理器執(zhí)行相應(yīng)的程序指令來(lái)實(shí)現(xiàn),處理器可以搭載各種操作系統(tǒng),如windows操作系統(tǒng)、linux系統(tǒng)、
android、ios、ros系統(tǒng)等。
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