CN110077282A - 新能源汽车的燃料电池在线寿命检测方法、系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新能源汽车的燃料电池在线寿命检测方法、系统和装置，具体包括以下步骤：实时采集当前时刻燃料电池的电池温度、电池氢气参数、电池空气参数以及电流值和电压值；根据电池温度、电池氢气参数和电池空气参数计算当前时刻的理想开路电动势；根据电流值、电压值和理想开路电动势计算获取浓差损失电动势和极化损失电动势；根据浓差损失电动势和极化损失电动势计算当前燃料电池直流内阻并且得到燃料电池的健康状态指数。与现有技术相比，本发明适用于在汽车上应用的燃料电池动力系统，能够快速便捷地获取燃料电池单体健康状态信息，计算过程简单快速，方便嵌入车规级控制器软件实现，能够较为精确地实现对燃料电池寿命的实时检测。

Description

新能源汽车的燃料电池在线寿命检测方法、系统和装置

技术领域

本发明涉及燃料电池的检测领域，尤其是涉及一种新能源汽车的燃料电池在线寿命检测方法、系统和装置。

背景技术

燃料电池单体寿命检测在燃料电池的使用过程中非常重要，是燃料电池的重要参数。长期运行的燃料电池其内部状态可能已与初始工作状态相差很大，如果无法获取燃料电池寿命状态将在电池长期运行后失去对系统的有效控制，严重影响燃料电池系统的可靠性与耐久性。当前对燃料电池寿命状态的研究主要集中如何在线获取准确单体内部参数中，电池内阻参数获取方法主要是交流阻抗谱，循环伏安法，断电流法，但是这些方法都是在实验室中获取，无法精确和方便地实际运用到新能源汽车上，存在高成本，低精确度等问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种新能源汽车的燃料电池在线寿命检测方法、系统和装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种新能源汽车的燃料电池在线寿命检测方法，具体包括以下步骤：

S1.实时采集当前时刻燃料电池的电池温度、电池氢气参数、电池空气参数以及电流值和电压值；

S2.根据电池温度、电池氢气参数和电池空气参数计算当前时刻的理想开路电动势；

S3.根据电流值、电压值和理想开路电动势计算获取浓差损失电动势和极化损失电动势；

S4.根据浓差损失电动势和极化损失电动势计算当前燃料电池直流内阻并且得到燃料电池的健康状态指数SOH。

进一步地，所述的步骤S2中，理想开路电动势计算表达式为：

式中，E_ocv,ideal,k表示理想开路电动势，T_fc表示电池温度，P_H2表示氢气堆内压力，P_O2表示氧气堆内压力，k表示采集时刻。

进一步地，所述的步骤S3中，浓差损失电动势U₁和极化损失电动势U₂计算表达式为：

U_sample,k＝E_ocv,iedal,k-U_1,k-1-U_2,k-1-R_0,k×I_k；

式中，U_sample,k表示燃料电池两端电压值，I_k表示燃料电池的电流值，E_ocv,iedal,k表示理想开路电动势，R_0,k表示该类型电池当前时刻的理论直流内阻，k表示采集时刻，A和B表示设定的参数矩阵。

进一步地，A矩阵表达式为：

B矩阵表达式为：

式中，ΔT为采样时间间隔，R₁表示该类型电池的活化内阻的电阻分量，C₁表示该类型电池的活化内阻的电容分量，R₂表示该类型电池的浓差内阻的电阻分量，C₂表示浓差内阻的电容分量。

进一步地，通过耐久测试试验及阻抗分析仪获取离散运行时间下该类型燃料电池的当前时刻的理论直流内阻R_0,k、活化内阻的电阻分量R₁、活化内阻的电容分量C₁、浓差内阻的电阻分量R₂和浓差内阻的电容分量C₂，并建立燃料电池的二阶模型。

进一步地，所述的步骤S4中，当前燃料电池直流内阻的计算表达式为：

式中，R_0,k,cal为当前燃料电池直流内阻。

进一步地，所述的步骤S4中，健康状态指数SOH的计算表达式为：

式中，R_0,k,cal为当前燃料电池直流内阻，R_0,initial为燃料电池的初始内阻，R_0,eol为燃料电池的末期内阻。

一种新能源汽车的燃料电池在线寿命检测系统，包括：

采集模块，用于实时采集当前时刻燃料电池的电池温度、电池氢气参数、电池空气参数以及电流值和电压值；

第一运算模块，用于根据电池温度、电池氢气参数和电池空气参数计算当前时刻的理想开路电动势；

第二运算模块，用于根据电流值、电压值和理想开路电动势计算获取浓差损失电动势和极化损失电动势；

指数显示模块，用于根据浓差损失电动势和极化损失电动势计算当前燃料电池直流内阻并且得到燃料电池的健康状态指数SOH，将健康状态指数SOH进行显示。

一种新能源汽车的燃料电池在线寿命检测装置，所述的装置包括处理器以及存储器，所述处理器调用存储器中的程序，用于实现以下步骤：

S1.实时获取当前时刻燃料电池的电池温度、电池氢气参数、电池空气参数以及电流值和电压值；

S2.根据电池温度、电池氢气参数和电池空气参数计算当前时刻的理想开路电动势；

S3.根据电流值、电压值和理想开路电动势计算获取浓差损失电动势和极化损失电动势；

S4.根据浓差损失电动势和极化损失电动势计算当前燃料电池直流内阻并且得到燃料电池的健康状态指数SOH。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

相比现有的通过燃料电池的二阶模型进行燃料电池的内阻进行估算的方法，本发明在二阶模型及电池测试数据的基础上，进一步地对燃料电池使用过程中的电池温度、电池氢气参数、电池空气参数、电流值和电压值五个容易获得的参数进行采集，从而能够快速便捷地获取燃料电池单体寿命信息。本发明计算过程简单快速，获取的数据方便能够较为精确地实现对燃料电池寿命的实时检测，可广泛应用于实际车载燃料电池系统，便于新能源汽车根据燃料电池的健康状态指数及时调整电池使用策略，延长电池使用寿命，保持电池性能。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供了一种新能源汽车的燃料电池在线寿命检测方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤S1.实时采集当前时刻燃料电池的电池温度、电池氢气参数、电池空气参数以及电流值和电压值；

步骤S2.根据电池温度、电池氢气参数和电池空气参数计算当前时刻的理想开路电动势；理想开路电动势计算表达式为：

式中，E_ocv,ideal,k表示理想开路电动势，T_fc表示电池温度，P_H2表示氢气堆内压力，P_O2表示氧气堆内压力，k表示采集时刻。

步骤S3.根据电流值、电压值和理想开路电动势计算获取浓差损失电动势和极化损失电动势；

浓差损失电动势U₁和极化损失电动势U₂计算表达式为：

U_sample,k＝E_ocv,iedal,k-U_1,k-1-U_2,k-1-R_0,k×I_k；

式中，U_sample,k表示燃料电池两端电压值，I_k表示燃料电池的电流值，E_ocv,iedal,k表示理想开路电动势，R_0,k表示该类型电池当前时刻的理论直流内阻，k表示采集时刻，A和B表示设定的参数矩阵。

A矩阵表达式为：

B矩阵表达式为：

式中，ΔT为采样时间间隔，R₁表示该类型电池的活化内阻的电阻分量，C₁表示该类型电池的活化内阻的电容分量，R₂表示该类型电池的浓差内阻的电阻分量，C₂表示浓差内阻的电容分量。

在本实施方法进行前，通过现有的耐久测试试验及阻抗分析仪获取离散运行时间下该类型燃料电池的当前时刻的理论直流内阻R_0,k、活化内阻的电阻分量R₁、活化内阻的电容分量C₁、浓差内阻的电阻分量R₂和浓差内阻的电容分量C₂，并建立燃料电池的二阶模型，用以获取A矩阵和B矩阵。建立二阶模型后还可以得到燃料电池的初始内阻R_0,initial和燃料电池的末期内阻R_0,eol。

步骤S4.根据浓差损失电动势和极化损失电动势计算当前燃料电池直流内阻并且得到燃料电池的健康状态指数SOH。

当前燃料电池直流内阻的计算表达式为：

式中，R_0,k,cal为当前燃料电池直流内阻。

健康状态指数SOH的计算表达式为：

式中，R_0,k,cal为当前燃料电池直流内阻，R_0,initial为燃料电池的初始内阻，R_0,eol为燃料电池的末期内阻。

燃料电池在运行过程中随着时间推移及内部状态变化，其内阻会不断增加变化，内阻的大小在一定程度上直接反映出了电池的健康状态，从而表征出了电池的寿命区间。不同电池健康状态下，燃料电池外部系统对其各种供应参数需要做出相关调整，使得电池在不同状态下能够保持较优的输出能力。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种新能源汽车的燃料电池在线寿命检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1.实时采集当前时刻燃料电池的电池温度、电池氢气参数、电池空气参数以及电流值和电压值；

S2.根据电池温度、电池氢气参数和电池空气参数计算当前时刻的理想开路电动势；

S3.根据电流值、电压值和理想开路电动势计算获取浓差损失电动势和极化损失电动势；

S4.根据浓差损失电动势和极化损失电动势计算当前燃料电池直流内阻并且得到燃料电池的健康状态指数SOH。

2.根据权利要求1所述新能源汽车的燃料电池在线寿命检测方法，其特征在于，所述的步骤S2中，理想开路电动势计算表达式为：

式中，E_ocv,ideal,k表示理想开路电动势，T_fc表示电池温度，P_H2表示氢气堆内压力，P_O2表示氧气堆内压力，k表示采集时刻。

3.根据权利要求1所述的新能源汽车的燃料电池在线寿命检测方法，其特征在于，所述的步骤S3中，浓差损失电动势U₁和极化损失电动势U₂计算表达式为：

U_sample,k＝E_ocv,iedal,k-U_1,k-1-U_2,k-1-R_0,k×I_k；

式中，U_sample,k表示燃料电池两端电压值，I_k表示燃料电池的电流值，E_ocv,iedal,k表示理想开路电动势，R_0,k表示该类型电池当前时刻的理论直流内阻，k表示采集时刻，A和B表示设定的参数矩阵。

4.根据权利要求3所述的新能源汽车的燃料电池在线寿命检测方法，其特征在于，

A矩阵表达式为：

B矩阵表达式为：

式中，ΔT为采样时间间隔，R₁表示该类型电池的活化内阻的电阻分量，C₁表示该类型电池的活化内阻的电容分量，R₂表示该类型电池的浓差内阻的电阻分量，C₂表示浓差内阻的电容分量。

5.根据权利要求4所述的新能源汽车的燃料电池在线寿命检测方法，其特征在于，通过耐久测试试验及阻抗分析仪获取离散运行时间下该类型燃料电池的当前时刻的理论直流内阻R_0,k、活化内阻的电阻分量R₁、活化内阻的电容分量C₁、浓差内阻的电阻分量R₂和浓差内阻的电容分量C₂，并建立燃料电池的二阶模型。

6.根据权利要求3所述的新能源汽车的燃料电池在线寿命检测方法，其特征在于，所述的步骤S4中，当前燃料电池直流内阻的计算表达式为：

式中，R_0,k,cal为当前燃料电池直流内阻。

7.根据权利要求1所述的新能源汽车的燃料电池在线寿命检测方法，其特征在于，所述的步骤S4中，健康状态指数SOH的计算表达式为：

式中，R_0,k,cal为当前燃料电池直流内阻，R_0,initial为燃料电池的初始内阻，R_0,eol为燃料电池的末期内阻。

8.一种新能源汽车的燃料电池在线寿命检测系统，其特征在于，包括：

采集模块，用于实时采集当前时刻燃料电池的电池温度、电池氢气参数、电池空气参数以及电流值和电压值；

第一运算模块，用于根据电池温度、电池氢气参数和电池空气参数计算当前时刻的理想开路电动势；

第二运算模块，用于根据电流值、电压值和理想开路电动势计算获取浓差损失电动势和极化损失电动势；

指数显示模块，用于根据浓差损失电动势和极化损失电动势计算当前燃料电池直流内阻并且得到燃料电池的健康状态指数SOH，将健康状态指数SOH进行显示。

9.一种新能源汽车的燃料电池在线寿命检测装置，所述的装置包括处理器以及存储器，其特征在于，所述处理器调用存储器中的程序，用于实现以下步骤：

S1.实时获取当前时刻燃料电池的电池温度、电池氢气参数、电池空气参数以及电流值和电压值；

S2.根据电池温度、电池氢气参数和电池空气参数计算当前时刻的理想开路电动势；

S3.根据电流值、电压值和理想开路电动势计算获取浓差损失电动势和极化损失电动势；

S4.根据浓差损失电动势和极化损失电动势计算当前燃料电池直流内阻并且得到燃料电池的健康状态指数SOH。