CN109301290B - 一种带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统 - Google Patents

一种带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统，该系统包括至少一个单电池选通单元、检测单元、控制单元以及故障诊断单元；所述控制单元用于向单电池选通单元提供控制信号，将单片电池选通到测量母线上；所述单电池选通单元用于根据控制单元的控制信号，把待测单片电池依次加载到测量母线上；所述检测单元用于采集测量母线上的单片电池电压信号，并送入故障诊断单元；所述故障诊断单元用于根据电压信号进行水淹诊断。本发明系统控制策略简单，操作简便，同时，故障诊断能使燃料电池处于更好的工作状态，以防止因某片电池而影响整个电堆的发电效率。

Description

一种带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统
技术领域
本发明涉及燃料电池管理技术，尤其涉及一种带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统。
背景技术
作为一种新型发电方式，燃料电池系统需要测试系统精确的监测相关参数，例如燃料电池的温度、压力以及湿度，燃料电池电堆的输出电压和电流等，通过采集到的参数来分析电堆性能和维护电堆，延长燃料电池的使用寿命。而这些参数中，电堆的电压最能体现电堆当前的性能和工况。燃料电池发电过程中，氢气和氧气通过每片单片电压的阴极和阳极的流速都不尽相同，因此每片电池的输出电压也会不同。实时检测电堆单片电池电压，得到的数据可以让研究人员根据这些单片电压数据分析电堆的性能与工况，以确保电堆中个单片电池工作性能的一致性；同时，燃料电池在工作过程中需要良好的加湿才能保证电化学的正常运行，但常常由于水管里和热管理不当导致燃料电池出现水淹等故障，影响燃料电池正常工作。由于木桶效应，燃料电池电堆性能取决于堆中性能最差的单片电池，所以电堆对自己的运行参数十分敏感。如何有效地防止水淹的发生是燃料电池运行稳定的重要课题。
串联式电源系统的典型代表有动力电池组和燃料电池电堆，具有单体电池电压低、负载电流大的特点。燃料电池工作过程通常带有风机等高频信号源，需要对测量系统的电源及采集电路进行隔离，而燃料电池堆单体之间排列紧凑，故电压采集系统受安装结构和体积限制，需考虑小型化和整体化设计。同时单体电压一致性也是燃料电池电堆湿度控制的重要参考因素，燃料电池在额定负载下正常工作时，单体电压差值仅有几十毫伏级，采集电路本身差异及传输线路带来的误差也会影响测量精度，故需对每一个单体电池电压进行精确测量，实现均衡控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统，包括至少一个单电池选通单元、检测单元、控制单元以及故障诊断单元；
所述控制单元用于向单电池选通单元提供控制信号，将单片电池选通到测量母线上；
所述单电池选通单元用于根据控制单元的控制信号，把待测单片电池依次加载到测量母线上；
所述检测单元用于采集测量母线上的单片电池电压信号，并送入故障诊断单元；
所述故障诊断单元用于根据电压信号进行水淹诊断；诊断步骤具体如下：
1)对接收的单片电池电压信号进行小波变换，将原始电压信号分解成低频分量和高频分量的信号；
2)对低频分量信号进行小波分解，获得低频信号的低频部分和高频部分；
3)以此类推，将信号逐层分解，将重构的原始电压信号进行三尺度分解并获得高频细节系数向量d3，当检测d3信号小波系数的模极大值点出现时，诊断出某一时刻燃料电池的某一区域发生水淹现象。
按上述方案，所述故障诊断单元中，将各单片电压信号进行小波变换采用以下公式：
Figure BDA0001877979240000031
其中，u(t)为单片电压信号，ψ(t)为小波函数，a为尺度因子，用于表示电压信号在频域的伸缩，b为平移因子，用于表示电压信号在时域的平移。
按上述方案，所述对低频分量信号进行小波分解，获得低频信号的低频部分和高频部分，具体如下：
将连续的小波变换进行离散化，对尺度因子a和平移因子b进行二进制离散化，即
Figure BDA0001877979240000041
其中，a0＝2、b0＝1，对应的离散化小波函数为：
Figure BDA0001877979240000042
以小波函数作为基函数，对低频分量信号进行二进制离散化小波变换，所得结果为小波系数：
Figure BDA0001877979240000043
通过小波系数和小波函数，完成原始信号的完全重构：
Figure BDA0001877979240000044
重构的原始电压信号通过多尺度分解在不同尺度上将原始信号按频率分解成低频分量aj和高频分量(d1～dj)，尺度j下的aj和dj通过aj-1分别通过低通滤波和高通滤波卷积得到；其中，低频分量反映了信号的基本轮廓信息，高频分量反映了信号的细节信息。
按上述方案，所述检测单元包括信号调理单元，所述信号调理单元将测量母线得到的电压信号采用差分式放大电路进行处理，通过滤波电路后送入故障诊断单元。
按上述方案，所述检测单元还包括光耦隔离单元，所述光耦隔离单元用于将电压信号转换成控制器能接收的TTL电平信号，同时防止外部电压的干扰。
按上述方案，所述单电池选通单元用于根据控制单元的控制信号，使用AQW214双路光控继电器把待测单片电池依次加载到测量母线上。
按上述方案，所述控制单元向单电池选通单元提供控制信号是通过移位寄存器提供移位加载控制信号。
本发明产生的有益效果是：本发明与现有技术相比，控制策略简单，操作简便，同时，故障诊断能使燃料电池处于更好的工作状态，以防止因某片电池而影响整个电堆的发电效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统，包括至少一个单电池选通单元、检测单元、控制单元以及故障诊断单元；
所述控制单元用于向单电池选通单元提供控制信号，将单片电池选通到测量母线上；
所述单电池选通单元用于根据控制单元的控制信号，把待测单片电池依次加载到测量母线上；
所述检测单元用于采集测量母线上的单片电池电压信号，并送入故障诊断单元；
所述故障诊断单元用于根据电压信号进行水淹诊断。
本实施例采用模块式系统设计，自带故障检测，集成CAN总线接口，便于采集系统的扩展。通上电源后，各检测单元接收到来自控制单元的启动命令后，开始检测各片的电池电压并进行数据采集，被测的单片电池组的每一个电池节点与光耦继电器的一端分别相连，此时在控制单元控制器给予移位寄存器触发脉冲，每一次时钟脉冲触发，每一个移位寄存器的输出端口电压信号依次向后移一位。给予控制端A的控制信号决定下一个时钟脉冲后移入Q0的电平信号，第1片寄存器230的Q7端与下一片74HC164 240的控制端A相连，以此类推，每一次电压测量时，只有两个测量结点接入测量母线，其余处于断开状态。采用8位二进制数表示，当第1路电池加载到测量母线时，控制信号为11000000，第2路控制信号为01100000，依次类推，当进行到第8路时，第1片的控制信号为00000001，第2片的控制信号为10000000，实现了电池单体的移位加载。
需要注意的是，在移位寄存器移位选择过程中，第N个节点的关断和第N+2个节点的开通之间需要有死区，否则将会出现同一条测量母线上同时接入2个节点的短路现象。
上述所得到的电压需要经过信号处理与隔离电路才能输入到控制器。所述检测单元中，采用差分式放大电路对母线上的单体电压进行测量，同时由于母线电压正负交替，A/D测量芯片无法对负电压进行转换，因此需要对测量母线输入电压进行处理，通过加入基准电压来对输入电压进行钳位，使测量电压抑制保持为正电压。
电压模拟信号送入所述信号调理单元后，采用差分式放大电路经过滤波放大后，经过光耦隔离单元，防止电压信号过大损坏控制器，经过光耦隔离后的电压信号经过片内的A/D转换模块转换成数字信号，为避免母线电压交替过程中，测量母线瞬间电压不确定性造成的测量误差，A/D转换采用5次测量，取后4次测量值的平均值。
完成一次电压扫描的时间为：
T1＝TADnAD(nb+1)
其中，TAD为单次电压采样周期，nAD为采样次数，nb为电池单体串联个数。
单电池选通单元中，AQW214双路光控继电器340通过逻辑控制待测电池单体依次加载到测量母线320、测量母线330上。测量第一路电池单体时，电池两侧接入测量母线，此时电池电压为U12，测量第二路电池单体时，电池电压为-U12。依次可得出第n路单体电压表达式为：
Un＝-(-1)nU12 (1)
其中，Un为第n路单体电池实际电压，U12为测量母线上加载的电压。
所述控制器将原始电压信号进行小波变换，现将电压信号u(t)和小波函数ψ(t)进行连续小波变换：
Figure BDA0001877979240000081
其中，u(t)为待分析的电压信号，a为尺度因子，表示电压信号在频域的伸缩，b为平移因子，表示电压信号在时域的平移。
再将连续的小波变换进行离散化，对尺度因子a和平移因子b进行二进制离散化，即
Figure BDA0001877979240000082
(其中，a0＝2、b0＝1)，对应的离散化小波函数为：
Figure BDA0001877979240000083
以小波函数作为基函数，对信号进行二进制离散化小波变换，所得结果为小波系数：
Figure BDA0001877979240000084
通过小波系数和小波函数，可以完成原始信号的完全重构：
Figure BDA0001877979240000091
重构的原始电压信号通过多尺度分解在不同尺度上将原始信号按频率分解成低频分量aj和高频分量(d1～dj)，尺度j下的aj和dj可以通过aj-1分别通过低通滤波和高通滤波卷积得到。其中，低频分量反映了信号的基本轮廓信息，高频分量反映了信号的细节信息。
控制器将重构的原始电压信号进行三尺度分解并获得高频细节系数向量d3。当产生水淹现象时，单排的电池电压信号会出现随机发生、持续时间短的突变特性，往往伴随着一些奇异点、阶跃点等信息，但是未经处理的电压信号反应信息速率较慢，无法准确判断，所以经过处理后的高频细节系数向量d3能够更快速、准确的反映出电压信号在水淹现象发生时的频率特征。水淹发生时，电压信号突变，检测d3信号小波会呈现出大幅度的尺状震荡，控制器通过设置d3信号活动的峰值与低谷，出现尺状震荡时，如果d3信号突破峰值或者低谷，即出现局部奇异点，检测d3信号小波系数的模极大值点出现，诊断出该区域发生水淹现象。
然后，故障诊断单元通过CAN总线接口与外部进行通讯传输单片电压数据以及对水淹现象采取在线诊断措施。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统，其特征在于，包括至少一个单电池选通单元、检测单元、控制单元以及故障诊断单元；
所述控制单元用于向单电池选通单元提供控制信号，将单片电池选通到测量母线上；
所述单电池选通单元用于根据控制单元的控制信号，把待测单片电池依次加载到测量母线上；
所述检测单元用于采集测量母线上的单片电池电压信号，并送入故障诊断单元；
所述故障诊断单元用于根据电压信号进行水淹诊断；诊断步骤具体如下：
1)对接收的单片电池电压信号进行小波变换，将原始电压信号分解成低频分量和高频分量的信号；
2)对低频分量信号进行小波分解，获得低频信号的低频部分和高频部分；
3)以此类推，将信号逐层分解，将重构的原始电压信号进行三尺度分解并获得高频细节系数向量d3，当检测d3信号小波系数的模极大值点出现时，诊断出某一时刻燃料电池的某一区域发生水淹现象。
2.根据权利要求1所述的带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统，其特征在于，所述故障诊断单元中，将各单片电压信号进行小波变换采用以下公式：
Figure FDA0001877979230000021
其中，u(t)为单片电压信号，ψ(t)为小波函数，a为尺度因子，用于表示电压信号在频域的伸缩，b为平移因子，用于表示电压信号在时域的平移。
3.根据权利要求1所述的带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统，其特征在于，所述对低频分量信号进行小波分解，获得低频信号的低频部分和高频部分，具体如下：
将连续的小波变换进行离散化，对尺度因子a和平移因子b进行二进制离散化，即
Figure FDA0001877979230000022
其中，a0＝2、b0＝1，对应的离散化小波函数为：
Figure FDA0001877979230000023
以小波函数作为基函数，对低频分量信号进行二进制离散化小波变换，所得结果为小波系数：
Figure FDA0001877979230000024
通过小波系数和小波函数，完成原始信号的完全重构：
Figure FDA0001877979230000025
重构的原始电压信号通过多尺度分解在不同尺度上将原始信号按频率分解成低频分量aj和高频分量(d1～dj)，尺度j下的aj和dj通过aj-1分别通过低通滤波和高通滤波卷积得到；其中，低频分量反映了信号的基本轮廓信息，高频分量反映了信号的细节信息。
4.根据权利要求1所述的带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统，其特征在于，所述检测单元包括信号调理单元，所述信号调理单元将测量母线得到的电压信号采用差分式放大电路进行处理，通过滤波电路后送入故障诊断单元。
5.根据权利要求1所述的带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统，其特征在于，所述检测单元还包括光耦隔离单元，所述光耦隔离单元用于将电压信号转换成控制器能接收的TTL电平信号，同时防止外部电压的干扰。
6.根据权利要求1所述的带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统，其特征在于，所述单电池选通单元用于根据控制单元的控制信号，使用AQW214双路光控继电器把待测单片电池依次加载到测量母线上。
7.根据权利要求1所述的带水淹诊断的燃料电池电压巡检系统，其特征在于，所述控制单元向单电池选通单元提供控制信号是通过移位寄存器提供移位加载控制信号。
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