CN112505572A - 一种基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断装置及方法 - Google Patents

一种基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断装置及方法，本发明通过设置单体电压采集电路、通讯电路、单片机、CAN通讯电路、隔离电源电路以及DC‑DC电源电路，对燃料电池的膜干和水淹故障进行判断，具有高精度电压测量功能，每片LTC6804‑1芯片具有16位ADC采集精度，芯片总测量误差低于1.2mV，对电池的测量范围是0‑5V，可测量绝大多数化学组分电池，本装置具有检测精度高、响应速度快、成本低廉以及抗干扰能力强的特点，能够满足燃料电池膜干和水淹故障诊断的需要，适用于质子交换膜燃料电池故障诊断领域。

Description

一种基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断装置及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断装置及方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)的故障诊断属于燃料电池的常规工作，而燃料电池膜干和水淹的诊断又是燃料电池故障诊断的重要环节。目前，燃料电池膜干和水淹的诊断有多种检测方法，如基于模型的膜干和水淹故障诊断、基于阳极气体压力降诊断水淹和膜干故障、基于电化学阻抗法(EIS)诊断水淹和膜干故障、基于可视化技术研究水淹和膜干故障的动态过程、基于数据驱动方法的水淹和膜干故障诊断。
基于模型的故障诊断方法是通过建立仿真模型来模拟电池运行状态，但由于整个PEMFC系统比较复杂，存在着强耦合性、滞后性、约束性、不确定性和随机干扰等特点，基于模型的检测方法往往将电堆系统简单化，实际因素考虑不全，因此该方法并不能保证足够的精度。
通过测量实际阳极气体压力降和理论值比较，发现实际压力降和理论压力降的差值随着电堆水淹程度的加深而增大，可用来判断水淹的程度，但是无法判断水淹界限。
基于电化学阻抗法测量得到的数据可对PEMFC模型进行曲线拟合和参数估算，进一步获取如欧姆阻抗、极化阻抗、双层电容效应等重要参数，利用各个参数可全面准确分析电池的运行性能以实现燃料电池膜干水淹故障诊断，但此类方法检测过程耗时长、设备成本高，很难应用于在线诊断。
基于数据驱动方法的诊断技术主要基于大量的历史数据进行分析，不依靠诊断对象的具体模型，PEMFC运行时的数据作为训练数据进行测试，通过数学算法对数据进行处理来获取膜干、水淹和正常状态的特征，再根据特征来判断其余数据下电池的工作状态，但算法所需时间、特征分类及故障识别准确率等需进一步改进提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断装置及方法，旨在解决现有技术中燃料电池故障检测存在精度低、成本高以及耗时长的问题，实现提高检测精度、降低成本，缩短检测时间的目的。
为达到上述技术目的，本发明提供了一种基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断装置，所述装置包括：
单体电压采集电路、通讯电路、单片机、CAN通讯电路、隔离电源电路以及DC-DC电源电路；
所述单体电压采集电路包括串接的多个单体电压监测芯片，每片单体电压监测芯片之间以及最后一片单体电压监测芯片与通讯电路之间设置隔离变压器；
所述通讯电路接收多个单体电压监测芯片的监测数据，并通过SPI通讯与单片机进行数据传输，并经由CAN通讯电路输出；
所述隔离电源电路为单体电压采集电路供电；
所述DC-DC电源电路为通讯电路、单片机以及CAN通讯电路供电。
优选地，所述多个单体电压监测芯片之间采用菊链式连接。
优选地，所述单体电压监测芯片为LTC6804-1芯片，所述通讯电路采用LTC6820芯片，所述单片机为MC9S12XEP100单片机，所述CAN通讯电路采用TJA1040芯片，所述隔离电源电路由反激式隔离转换器LT8300和隔离变压器PA0648N组成。
本发明还提供了一种利用所述装置实现的基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断方法，所述方法包括以下操作：
获取单体电池电压数据，并计算单体电池电压下降的数量以及电压衰减率；
设置单体电池电压下降的数量上限Nmax和下限Nmin，以及电压衰减率的上限Rmax和下限Rmin；
若单体电池电压下降数量超过Nmax且电压衰减率未超过Rmin，则故障为膜干；若单体电池电压下降数量小于Nmin且电压衰减率超过Rmax，则故障为水淹。
优选地，所述方法还包括对故障进行分级，具体为：
对于膜干故障，设置两个总电压参考量Vsumref1、Vsumref2，如果电堆总电压Vsumref大于Vsumref2，则判定为三级膜干，如果Vsumref介于Vsumref1和Vsumref2之间，则判定为二级膜干，如果Vsumref小于Vsumref1，则判定为一级膜干；
对于水淹故障，设置数量参考量Nsinref1、Nsinref2，如果单体电池电压下降数量N小于Nsinref2，则判定为三级水淹，如果N介于Nsinref1和Nsinref2之间，则判定为二级水淹，如果N大于Nsinref1，则判定为一级水淹。
优选地，所述电压衰减率的计算公式如下：
Figure BDA0002789976210000031
其中，ΔV是设定时间内电压的衰减量，ΔT为设定时间。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
与现有技术相比，本发明所述装置具有高精度电压测量功能，每片LTC6804-1芯片具有16位ADC采集精度，芯片总测量误差低于1.2mV，对电池的测量范围是0-5V，可测量绝大多数化学组分电池，装置可进一步推广应用到多路0-5V电压采集场景，并通过LT8300和PA0648N组成的隔离电源给LTC6804-1单独供电，LTC6804-1之间及LTC6804-1与LTC6820之间采用HX1188NL隔离变压器连接，两种方式都提高了LTC6804芯片的抗干扰能力。本装置具有检测精度高、响应速度快、成本低廉以及抗干扰能力强的特点，能够满足燃料电池膜干和水淹故障诊断的需要，适用于质子交换膜燃料电池故障诊断领域。
附图说明
图1为本发明实施例中所提供的一种基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断装置结构示意图；
图2为本发明实施例中所提供的LTC6804-1芯片电路图；
图3为本发明实施例中所提供的隔离变压器HX1188NL电路图；
图4为本发明实施例中所提供的LTC6820通信电路图；
图5为本发明实施例中所提供的燃料电池故障诊断流程逻辑示意图；
图6为本发明实施例中所提供的膜干水淹分级判断示意图。
具体实施方式
为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
下面结合附图对本发明实施例所提供的一种基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断装置及方法进行详细说明。
如图1-4所示，本发明实施例公开了一种基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断装置，所述装置包括：
单体电压采集电路、通讯电路、单片机、CAN通讯电路、隔离电源电路以及DC-DC电源电路；
所述单体电压采集电路包括串接的多个单体电压监测芯片，每片单体电压监测芯片之间以及最后一片单体电压监测芯片与通讯电路之间设置隔离变压器；
所述通讯电路接收多个单体电压监测芯片的监测数据，并通过SPI通讯与单片机进行数据传输，并经由CAN通讯电路输出；
所述隔离电源电路为单体电压采集电路供电；
所述DC-DC电源电路为通讯电路、单片机以及CAN通讯电路供电。
所述单体电压采集电路选用LTC6804-1芯片，将多个LTC6804-1芯片串接起来，可在一长串高电压电池中实现每一节电池的同时监测。每一个LTC6804-1芯片具有一个isoSPI接口，用于实现高速、抗RF干扰的局域通信，多个LTC6804-1芯片采用菊链式连接，最后一片LTC6804-1芯片将单体电池电压数据传递给通讯芯片LTC6820，LTC6820芯片通过SPI通讯方式实现与单片机的数据传输，将单体电池电压数据传送至单片机。LTC6804-1芯片的CO接口接第一节电池的负极，C1-C12接口分别接12节单体电池的正极，区别于电动汽车热管理系统，本装置无需能量均衡电路，每片LTC6804-1芯片之间以及最后一片LTC6804-1芯片和LTC6820芯片之间通过1：1的隔离变压器HX1188NL连接，可有效抑制电源或者其他芯片的干扰。
所述单片机为MC9S12XEP100单片机，其支持多路SPI和CAN通讯，并拥有多个IO端口，满足装置的功能需求。
所述DC-DC电源电路采用LM2596降压开关型电源芯片，为单片机、LTC6820通信电路以及CAN通讯电路供电，提供稳定的5V电压。对于单体电压采集电路，采用隔离电源电路给LTC6804-1芯片供电，隔离电源电路由反激式隔离转换器LT8300和隔离变压器PA0648N组成，可有效保护LTC6804-1芯片不受外围电路干扰。
所述CAN通讯电路将单片机接收的单体电压数据发送至上位机界面，其采用TJA1040芯片，该芯片有正常模式和待机模式，通讯时采用正常模式，ACT45B510作为信号线专用共模滤波器，可有效抑制共模信号。
LTC6804-1芯片在工作时具有四种模式，包括睡眠模式、待机模式、监测模式以及测量模式。在睡眠模式下，LTC6804-1芯片的基准和ADC会停止运行，看门狗定时器会超时，isoSPI端口处于空闲状态；在待机模式下，基准和ADC被关断，但看门狗定时器处于运行状态，DRIVE引脚上输出低电平，如果接收到一个有效的ADC命令或配置寄存器中REFON位设置为1，则基准上电，并随后进入监测模式或测量模式。在监测模式下，为达到该模式，配置寄存器中的REFON位必须设定为1，ADC被关断，基准上电，以便让LTC6804-1芯片更为快速的启动ADC转换，否则LTC6804-1芯片将在REFON被设定为0时返回待机模式。在测量状态时，LTC6804-1芯片可进行ADC转换，基准和ADC转换器被打开，在AD转换完成时，LTC6804-1芯片将进入监测模式或待机模式。
系统在上电后需要初始化全局变量、IO端口、SPI、LTC6804-1芯片以及CAN。LTC6804-1芯片需要通过SPI通信对控制寄存器进行配置，读取CFGR[0:5]和写入值是否相等判断芯片是否启动成功以及写入成功。LTC6804-1芯片的写过程为：SPI片选线CS置低，通过计算得出WRCFG和CFGR[0:5]的PEC值，并写入PEC值，片选线置高。WRCFG为写配置寄存器组，存储写入的二进制代码；CFGR为配置寄存器组，可配置ADC模式、看门狗定时器等。LTC6804-1芯片的读过程为：片选线CS置低，通过计算得出RDCFG的PEC值并写入PEC值，片选线置高。LTC6804-1芯片初始化后，内部的AD转换器开始工作，数据信息存储在RDCVA、RDCVB、RDCVC、RDCVD电池电压寄存器中，单片机通过SPI读取寄存器的数据，通过计算得出单体电压并由CAN通讯发送到上位机。
鉴于质子交换膜燃料电池在发生膜干和水淹故障时，主要表现为电压降低，所以提出单体电池电压参考量Vref作为发生膜干或水淹故障的判断，如果有单体电池电压低于Vref，则判定发生膜干或水淹故障。
由于电堆在膜干及水淹时，单体电池的电压降低幅度也不同，因此本申请通过电压衰减率R评价燃料电池的膜干和水淹状态。电压衰减率指设定时间内电压的减小量，该参数的计算公式如下：
Figure BDA0002789976210000061
其中，ΔV是设定时间内电压的衰减量，ΔT为设定时间，ΔT需要通过试验获取，在此设置电压衰减率的上限Rmax和下限Rmin，如果发生膜干，电压缓慢下降，电压衰减率R会小于Rmin，如果发生水淹，电压下降迅速，电压衰减率会超过Rmax。
膜干和水淹状态下发生的单体电池片数不一样，可作为一个判断依据。设置单体电池电压下降数量上限Nmax和下限Nmin，如果发生膜干，电池电压下降片数较多，单体电池下降数量N超过Nmax，如果发生水淹，电池电压下降片数较少，单体电池下降数量N小于Nmin。
因此在监测时，如果整体单体电压减少超过Nmax且电压衰减率R未超过Rmin，则认为是膜干，如果单体电压整体在正常范围内，电压减少的数量小于Nmin且电压衰减率R超过Rmax，则认为是水淹。
对于膜干和水淹故障，各自分为三级故障。
一级膜干代表重度膜干，二级膜干代表中度膜干，三级膜干代表轻度膜干。膜干故障分级需要依据电堆总电压Vsumref做出判断，设置两个总电压参考量Vsumref1、Vsumref2，具体数值由电堆性能设定，总电压越小，代表膜干越严重。根据电池电压减少数量以及电压衰减率判断出为膜干故障时，如果Vsumref大于Vsumref2，则判定为三级膜干，如果Vsumref介于Vsumref1和Vsumref2之间，则判定为二级膜干，如果Vsumref小于Vsumref1，则判定为一级膜干。
一级水淹代表重度水淹，二级水淹代表中度水淹，三级水淹代表轻度水淹。水淹故障分级需要依据发生水淹的单体电池电压下降数量N做出判断，设置两个数量参考量Nsinref1、Nsinref2，具体数值由实验设定，根据电池电压减少数量以及电压衰减率判断为水淹故障时，如果N小于Nsinref2，则判定为三级水淹，如果N介于Nsinref1和Nsinref2之间，则判定为二级水淹，如果N大于Nsinref1，则判定为一级水淹。
本发明实施例所述装置具有高精度电压测量功能，每片LTC6804-1芯片具有16位ADC采集精度，芯片总测量误差低于1.2mV，对电池的测量范围是0-5V，可测量绝大多数化学组分电池，装置可进一步推广应用到多路0-5V电压采集场景，并通过LT8300和PA0648N组成的隔离电源给LTC6804-1单独供电，LTC6804-1之间及LTC6804-1与LTC6820之间采用HX1188NL隔离变压器连接，两种方式都提高了LTC6804芯片的抗干扰能力。
综上，本装置具有检测精度高、响应速度快、成本低廉以及抗干扰能力强的特点，能够满足燃料电池膜干和水淹故障诊断的需要，适用于质子交换膜燃料电池故障诊断领域，具有广阔的应用前景。
如图5、6所示，本发明实施例还公开了一种利用所述装置实现的基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断方法，所述方法包括以下操作：
获取单体电池电压数据，并计算单体电池电压下降的数量以及电压衰减率；
设置单体电池电压下降的数量上限Nmax和下限Nmin，以及电压衰减率的上限Rmax和下限Rmin；
若单体电池电压下降数量超过Nmax且电压衰减率未超过Rmin，则故障为膜干；若单体电池电压下降数量小于Nmin且电压衰减率超过Rmax，则故障为水淹。
在初始化完成后，启动电压检测，LTC6804-1芯片发送WRCFG寄存器组、PEC值以及CFGR数组、PEC值，随后发送电池电压寄存器RDCVA、RDCVB、RDCVC、RDCVD及其相应的PEC值，接收完成后，计算接收数据的PEC值，如发送与接收的PEC值相同，则计算单体电池电压值。
鉴于质子交换膜燃料电池在发生膜干和水淹故障时，主要表现为电压降低，所以提出单体电池电压参考量Vref作为发生膜干或水淹故障的判断，如果有单体电池电压低于Vref，则判定发生膜干或水淹故障。
由于电堆在膜干及水淹时，单体电池的电压降低幅度也不同，因此本申请通过电压衰减率R评价燃料电池的膜干和水淹状态。电压衰减率指设定时间内电压的减小量，该参数的计算公式如下：
Figure BDA0002789976210000081
其中，ΔV是设定时间内电压的衰减量，ΔT为设定时间，ΔT需要通过试验获取，在此设置电压衰减率的上限Rmax和下限Rmin，如果发生膜干，电压缓慢下降，电压衰减率R会小于Rmin，如果发生水淹，电压下降迅速，电压衰减率会超过Rmax。
膜干和水淹状态下发生的单体电池片数不一样，可作为一个判断依据。设置单体电池电压下降数量上限Nmax和下限Nmin，如果发生膜干，电池电压下降片数较多，单体电池下降数量N超过Nmax，如果发生水淹，电池电压下降片数较少，单体电池下降数量N小于Nmin。
因此在监测时，如果整体单体电压减少超过Nmax且电压衰减率R未超过Rmin，则认为是膜干，如果单体电压整体在正常范围内，电压减少的数量小于Nmin且电压衰减率R超过Rmax，则认为是水淹。
对于膜干和水淹故障，各自分为三级故障。
一级膜干代表重度膜干，二级膜干代表中度膜干，三级膜干代表轻度膜干。膜干故障分级需要依据电堆总电压Vsumref做出判断，设置两个总电压参考量Vsumref1、Vsumref2，具体数值由电堆性能设定，总电压越小，代表膜干越严重。根据电池电压减少数量以及电压衰减率判断出为膜干故障时，如果Vsumref大于Vsumref2，则判定为三级膜干，如果Vsumref介于Vsumref1和Vsumref2之间，则判定为二级膜干，如果Vsumref小于Vsumref1，则判定为一级膜干。
一级水淹代表重度水淹，二级水淹代表中度水淹，三级水淹代表轻度水淹。水淹故障分级需要依据发生水淹的单体电池电压下降数量N做出判断，设置两个数量参考量Nsinref1、Nsinref2，具体数值由实验设定，根据电池电压减少数量以及电压衰减率判断为水淹故障时，如果N小于Nsinref2，则判定为三级水淹，如果N介于Nsinref1和Nsinref2之间，则判定为二级水淹，如果N大于Nsinref1，则判定为一级水淹。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断装置，其特征在于，所述装置包括：
单体电压采集电路、通讯电路、单片机、CAN通讯电路、隔离电源电路以及DC-DC电源电路；
所述单体电压采集电路包括串接的多个单体电压监测芯片，每片单体电压监测芯片之间以及最后一片单体电压监测芯片与通讯电路之间设置隔离变压器；
所述通讯电路接收多个单体电压监测芯片的监测数据，并通过SPI通讯与单片机进行数据传输，并经由CAN通讯电路输出；
所述隔离电源电路为单体电压采集电路供电；
所述DC-DC电源电路为通讯电路、单片机以及CAN通讯电路供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断装置，其特征在于，所述多个单体电压监测芯片之间采用菊链式连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断装置，其特征在于，所述单体电压监测芯片为LTC6804-1芯片，所述通讯电路采用LTC6820芯片，所述单片机为MC9S12XEP100单片机，所述CAN通讯电路采用TJA1040芯片，所述隔离电源电路由反激式隔离转换器LT8300和隔离变压器PA0648N组成。
4.一种利用权利要求1-3任意一项所述装置实现的基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断方法，其特征在于，所述方法包括以下操作：
获取单体电池电压数据，并计算单体电池电压下降的数量以及电压衰减率；
设置单体电池电压下降的数量上限Nmax和下限Nmin，以及电压衰减率的上限Rmax和下限Rmin；
若单体电池电压下降数量超过Nmax且电压衰减率未超过Rmin，则故障为膜干；若单体电池电压下降数量小于Nmin且电压衰减率超过Rmax，则故障为水淹。
5.根据权利要求4所述的基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断方法，其特征在于，所述方法还包括对故障进行分级，具体为：
对于膜干故障，设置两个总电压参考量Vsumref1、Vsumref2，如果电堆总电压Vsumref大于Vsumref2，则判定为三级膜干，如果Vsumref介于Vsumref1和Vsumref2之间，则判定为二级膜干，如果Vsumref小于Vsumref1，则判定为一级膜干；
对于水淹故障，设置数量参考量Nsinref1、Nsinref2，如果单体电池电压下降数量N小于Nsinref2，则判定为三级水淹，如果N介于Nsinref1和Nsinref2之间，则判定为二级水淹，如果N大于Nsinref1，则判定为一级水淹。
6.根据权利要求4所述的基于单体电压差异性的燃料电池故障诊断方法，其特征在于，所述电压衰减率的计算公式如下：
Figure FDA0002789976200000021
其中，ΔV是设定时间内电压的衰减量，ΔT为设定时间。
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