CN110208710B - 一种燃料电池发动机瞬态响应性能的检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池发动机瞬态响应性能检测方法和系统，所述燃料电池发动机包括燃料电池电堆，所述检测方法包括：判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况；若处于瞬态工况，判断所述电堆的实际输出功率的变化率或斜率是否小于预设值；若小于，则判定所述电堆出现瞬态响应故障，并发出故障警报，以使用户对故障进行维修，保证车辆的安全运行。

Description

一种燃料电池发动机瞬态响应性能的检测方法和系统

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，更具体地说，涉及一种燃料电池发动机瞬态响应性能的检测方法和系统。

背景技术

随着能源危机和环境污染这两大问题日益突出，传统能源结构及其利用方式愈来愈难以适应人类生存发展的需要。面对能源危机和环境污染的双重挑战，许多国家都在努力寻找新的交通能源利用形式。其中电能被认为是二十一世纪最有前景的车用动力能量来源。

电驱动系统的关键是电池，近几年出现的燃料电池(Fuel cell)通过电化学方法实现氢气和空气中的氧气反应产生电能，因而具有效率高、能量可储存、能量密度高、无任何污染等优点，解决了传统车用动力电池能量密度低、依赖充电装置、存在电池污染等问题，也因此，燃料电池被认为是未来理想的清洁高效动力电池。

其中，燃料电池发动机的瞬态响应性能是考查电池设计是否合理、技术是否成熟的一项关键指标。在实际使用过程中，要求燃料电池对负载的变化快速响应，但是，当电池存在老化等问题时，燃料电池的效率和瞬态响应性能势必会降低，影响用户感受甚至威胁用户的生命安全。基于此，对燃料电池发动机的瞬态响应性能进行检测，是保证燃料电池工作效率、保证车辆安全运行的必要手段之一。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种燃料电池发动机瞬态响应性能的检测方法和系统，以在电池的瞬态响应性能较低时进行报警，保证车辆的安全运行。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种燃料电池发动机瞬态响应性能的检测方法，所述燃料电池发动机包括燃料电池电堆，所述检测方法包括：

判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况；

若处于瞬态工况，判断所述电堆的实际输出功率的变化率或斜率是否小于预设值；

若小于，则判定所述电堆出现瞬态响应故障，并发出故障警报。

可选地，判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况之前，还包括：

判断所述燃料电池电堆是否处于发电模式；

若是，判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况。

可选地，判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况包括：

判断所述电堆的需求功率单调递增且变化率超过最小功率限值、所述电堆的空气流量变化率超过最小流量限值、所述电堆的氢气路和空气路的压差在一定范围内这三个条件是否同时满足；

若是，则判定所述燃料电池电堆处于瞬态工况。

可选地，所述实际输出功率的变化率等于预设时间内所述实际输出功率的平均变化率；所述实际输出功率的斜率等于实际输出功率与初始输出功率的差与时间的比值。

一种燃料电池发动机瞬态响应性能的检测系统，所述燃料电池发动机包括燃料电池电堆，所述检测系统包括：

第一判断单元，用于判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况，并在处于瞬态工况时，发出第一指令至第二判断单元；

所述第二判断单元用于在接收到所述第一指令后，判断所述电堆的实际输出功率的变化率或斜率是否小于预设值，若小于，则判定所述电堆出现瞬态响应故障，并发出第二指令至报警单元；

所述报警单元用于在接收到所述第二指令后，发出故障警报。

可选地，还包括：

第三判断单元，用于判断所述燃料电池电堆是否处于发电模式，若是，发送第三指令至所述第一判断单元，以使所述第一判断单元在接收到所述第三指令后，判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况。

可选地，所述第一判断单元通过判断所述电堆的需求功率单调递增且变化率超过最小功率限值、所述电堆的空气流量变化率超过最小流量限值、所述电堆的氢气路和空气路的压差在一定范围内这三个条件是否同时满足，判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况。

可选地，所述实际输出功率的变化率等于预设时间内所述实际输出功率的平均变化率；所述实际输出功率的斜率等于实际输出功率与初始输出功率的差与时间的比值。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的燃料电池发动机瞬态响应性能的检测方法和系统，当燃料电池电堆处于瞬态工况时，判断电堆的实际输出功率的变化率或斜率是否小于预设值，若小于，则判定燃料电池发动机瞬态响应性能较低，从而无需增加额外装置即可判定电堆出现瞬态响应故障，并发出故障警报，以使用户对故障进行维修，保证车辆的安全运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例提供的一种检测方法的流程图；

图2为本发明另一个实施例提供的一种检测方法的流程图；

图3为本发明一个实施例提供的燃料电池的结构示意图；

图4为本发明一个实施例提供的一种检测系统的结构示意图。

具体实施方式

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种燃料电池发动机瞬态响应性能的检测方法，用于在车辆运行过程中检测燃料电池发动机的瞬态响应性能，其中，燃料电池发动机包括燃料电池电堆，电堆是氢气和空气发生反应、化学能转化为电能的场所。

如图1所示，本发明实施例提供的一种检测方法包括：

S101：判断燃料电池电堆是否处于瞬态工况，若处于瞬态工况，进入S102；

S102：判断电堆的实际输出功率的变化率或斜率是否小于预设值，若小于，进入S103；

S103：判定电堆出现瞬态响应故障，并发出故障警报。

可选地，如图2所示，判断燃料电池电堆是否处于瞬态工况之前，还包括：

S100：判断燃料电池电堆是否处于发电模式，若是，进入S101。

具体地，由于燃料电池发动机刚开始工作时，电堆问题可能较多，可能会出现瞬态响应问题，因此，本发明的一个实施例中，首先会判断燃料电池电堆是否处于发电模式，一旦判定电堆处于发电模式，则进一步判断燃料电池电堆是否处于瞬态工况，若电堆处于瞬态工况，判断电堆的实际输出功率的变化率是否小于预设值，或者，判断电堆的实际输出功率的斜率是否小于预设值，若小于预设值，则判定电堆的瞬态响应性能较差，即电堆出现瞬态响应故障，并发出故障警报，以使用户或维修人员定位故障，并对故障进行维修，以保障车辆的安全高效运行。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，也可以随时进行瞬态响应检测，即可以直接判断燃料电池电堆是否处于瞬态工况。

需要说明的是，进行实际输出功率的变化率判断的预设值与进行实际输出功率的斜率判断的预设值并不相同，具体预设值的大小可以根据车辆类型进行设定，在此不再赘述。

本发明实施例中，判断燃料电池电堆是否处于瞬态工况包括：

判断电堆的需求功率单调递增且变化率超过最小功率限值、电堆的空气流量变化率超过最小流量限值、电堆的氢气路和空气路的压差在一定范围内这三个条件是否同时满足；

若是，则判定燃料电池电堆处于瞬态工况。

如图3所示，燃料电池主要包括氢气路、空气路和水管理路，其中，氢气路是氢气流经的通路，高压氢气经调压阀、压力调节器、开关阀等装置后进入电堆；空气路是空气流经的通路，通过空压机控制空气流量，通过节气门控制入堆空气压力，该通路上有质量流量传感器可测试空气流量。

也就是说，空气路通过质量流量传感器可以检测空气流量的变化，通过温压传感器可以检测氢气路和空气路的压力，通过DC/DC模块即直流转换模块输入到电堆的电流、电压可以计算出电堆的需求功率，基于此，当电堆的需求功率单调递增且变化率超过最小功率限值、电堆的空气流量变化率超过最小流量限值、且电堆的氢气路和空气路的压差在一定范围内时，即可判定燃料电池电堆处于瞬态工况。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，也可以根据电堆的其他参数判断电堆是否处于瞬态工况，在此不再赘述。

需要说明的是，瞬态工况下，在需求功率变化率、空气流量变化率较大时，才能检测实际输出功率的变化率或斜率是否足够大，若足够大则认为瞬态响应性能没有问题。

本发明实施例中，当燃料电池电堆处于瞬态工况时，即可以通过判断电堆的实际输出功率的变化率是否小于预设值判断电堆是否出现瞬态响应故障，又可以通过判断电堆的实际输出功率的斜率是否小于预设值判断电堆是否出现瞬态响应故障。

其中，实际输出功率的变化率等于预设时间内实际输出功率的平均变化率；实际输出功率的斜率等于实际输出功率与初始输出功率的差与时间的比值。

具体地，通过判断电堆的实际输出功率的变化率是否小于预设值判断电堆是否出现瞬态响应故障的过程为：当判定燃料电池电堆处于瞬态工况时，计时器开始计时，将电堆输出的实际功率的变化率存储在数组中，其中实际功率可通过电堆输出电压与电流的乘积得到，计时时间达到预设时间后，从数组中读出所有的实际功率的变化率，并计算其平均值，获得平均变化率，若平均变化率超过预设值，则认为瞬态响应性能没有问题，若小于预设值，则报出故障。其中，平均变化率可以是所有变化率直接取平均值，也可以去掉最大值和最小值后再取平均值。

通过判断电堆的实际输出功率的斜率是否小于预设值判断电堆是否出现瞬态响应故障的过程为：当判定燃料电池电堆处于瞬态工况时，计时器开始计时，同时记录当前功率为初始功率，计时时间达到预设时间后，获取当前实际输出功率，并计算当前实际输出功率和初始输出功率的斜率，即令当前实际输出功率与初始输出功率取差后再除以计时时间即可得到斜率，若斜率小于预设值，则认为瞬态响应性能存在问题，报出故障。

当然，在本发明的另一实施例中，也可以将实时输出功率和初始功率的斜率记录在数组中，并计算斜率的平均值用于判断电堆是否出现瞬态响应故障，本发明并不仅限于此。

本发明实施例所提供的燃料电池发动机瞬态响应性能的检测方法，当燃料电池电堆处于瞬态工况时，判断电堆的实际输出功率的变化率或斜率是否小于预设值，若小于，则判定燃料电池发动机瞬态响应性能较低，从而无需增加额外装置即可判定电堆出现瞬态响应故障，并发出故障警报，以使用户对故障进行维修，保证车辆的安全运行。

本发明实施例还提供了一种燃料电池发动机瞬态响应性能的检测系统，燃料电池发动机包括燃料电池电堆，如图4所示，检测系统包括：

第一判断单元10，用于判断燃料电池电堆是否处于瞬态工况，并在处于瞬态工况时，发出第一指令至第二判断单元11；

第二判断单元11用于在接收到第一指令后，判断电堆的实际输出功率的变化率或斜率是否小于预设值，若小于，则判定电堆出现瞬态响应故障，并发出第二指令至报警单元12；

报警单元12用于在接收到第二指令后，发出故障警报。

可选地，本发明实施例提供的检测系统还包括：

第三判断单元，用于判断燃料电池电堆是否处于发电模式，若是，发送第三指令至第一判断单元，以使第一判断单元在接收到第三指令后，判断燃料电池电堆是否处于瞬态工况。

具体地，由于燃料电池发动机刚开始工作时，电堆问题可能较多，可能会出现瞬态响应问题，因此，本发明实施例中，首先会判断燃料电池电堆是否处于发电模式，一旦判定电堆处于发电模式，则进一步判断燃料电池电堆是否处于瞬态工况，若电堆处于瞬态工况，判断电堆的实际输出功率的变化率是否小于预设值，或者，判断电堆的实际输出功率的斜率是否小于预设值，若小于预设值，则判定电堆的瞬态响应性能较差，即电堆出现瞬态响应故障，并发出故障警报，以使用户或维修人员定位故障，并对故障进行维修，以保障车辆的安全高效运行。

可选地，第一判断单元10通过判断电堆的需求功率单调递增且变化率超过最小功率限值、电堆的空气流量变化率超过最小流量限值、电堆的氢气路和空气路的压差在一定范围内这三个条件是否同时满足，判断燃料电池电堆是否处于瞬态工况。

也就是说，第一判断单元10判断电堆的需求功率单调递增且变化率超过最小功率限值、电堆的空气流量变化率超过最小流量限值、电堆的氢气路和空气路的压差在一定范围内这三个条件是否同时满足，若是，则判定燃料电池电堆处于瞬态工况。

本发明实施例中，当燃料电池电堆处于瞬态工况时，即可以通过判断电堆的实际输出功率的变化率是否小于预设值判断电堆是否出现瞬态响应故障，又可以通过判断电堆的实际输出功率的斜率是否小于预设值判断电堆是否出现瞬态响应故障。

其中，实际输出功率的变化率等于预设时间内实际输出功率的平均变化率；实际输出功率的斜率等于实际输出功率与初始输出功率的差与时间的比值。

本发明实施例所提供的燃料电池发动机瞬态响应性能的检测系统，当燃料电池电堆处于瞬态工况时，判断电堆的实际输出功率的变化率或斜率是否小于预设值，若小于，则判定燃料电池发动机瞬态响应性能较低，从而无需增加额外装置即可判定电堆出现瞬态响应故障，并发出故障警报，以使用户对故障进行维修，保证车辆的安全运行。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种燃料电池发动机瞬态响应性能的检测方法，其特征在于，所述燃料电池发动机包括燃料电池电堆，所述检测方法包括：

判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况；

若处于瞬态工况，判断所述电堆的实际输出功率的变化率或斜率是否小于预设值；

若小于，则判定所述电堆出现瞬态响应故障，并发出故障警报；

其中，判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况包括：

判断所述电堆的需求功率单调递增且变化率超过最小功率限值、所述电堆的空气流量变化率超过最小流量限值、所述电堆的氢气路和空气路的压差在一定范围内这三个条件是否同时满足；

若是，则判定所述燃料电池电堆处于瞬态工况。

2.根据权利要求 1 所述的方法，其特征在于，判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况之前，还包括：

判断所述燃料电池电堆是否处于发电模式；

若是，判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况。

3.根据权利要求 1 所述的方法，其特征在于，所述实际输出功率的变化率等于预设时间内所述实际输出功率的平均变化率；所述实际输出功率的斜率等于实际输出功率与初始输出功率的差与时间的比值。

4.一种燃料电池发动机瞬态响应性能的检测系统，其特征在于，所述燃料电池发动机包括燃料电池电堆，所述检测系统包括：

第一判断单元，用于判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况，并在处于瞬态工况时，发出第一指令至第二判断单元；

所述第二判断单元用于在接收到所述第一指令后，判断所述电堆的实际输出功率的变化率或斜率是否小于预设值，若小于，则判定所述电堆出现瞬态响应故障，并发出第二指令至报警单元；

所述报警单元用于在接收到所述第二指令后，发出故障警报；

所述第一判断单元通过判断所述电堆的需求功率单调递增且变化率超过最小功率限值、所述电堆的空气流量变化率超过最小流量限值、所述电堆的氢气路和空气路的压差在一定范围内这三个条件是否同时满足，判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况。

5.根据权利要求 4 所述的系统，其特征在于，还包括：

第三判断单元，用于判断所述燃料电池电堆是否处于发电模式，若是， 发送第三指令至所述第一判断单元，以使所述第一判断单元在接收到所述第三指令后，判断所述燃料电池电堆是否处于瞬态工况。

6.根据权利要求 4 所述的系统，其特征在于，所述实际输出功率的变化率等于预设时间内所述实际输出功率的平均变化率；所述实际输出功率的斜率等于实际输出功率与初始输出功率的差与时间的比值。

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