CN113036186B - 一种燃料电池系统及其氢系统瓶阀故障检测方法、装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统及其氢系统瓶阀故障检测方法、装置。该方法首先获取燃料电池系统工作过程中氢气的实际消耗速率，确定设定时间内氢气的真实消耗量；并获取设定时间的初始时刻和结束时刻氢系统的压力值和温度值，并结合氢系统总水容积，确定氢系统供给燃料电池的理论消耗量；然后比较真实消耗量和理论消耗量，若理论消耗量与真实消耗量之间的差异大于设定值，且判定氢系统无氢气泄漏故障时，则判定氢系统的瓶阀发生故障。本发明可实时、有效地判断瓶阀是否存在故障而使氢瓶无法供气，判断效率较高，保证了氢系统的安全性和可靠性，确保燃料电池系统的安全可靠运行。

Description

一种燃料电池系统及其氢系统瓶阀故障检测方法、装置
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统及其氢系统瓶阀故障检测方法、装置。
背景技术
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的装置，只需通入燃料和氧化剂就可以连续输出电能，具有能量转换率高、清洁环保的优点。燃料电池汽车因其高效率，零排放等优势，已成为新能源汽车发展的重要方向。
燃料电池系统使用较多的是氢气，目前氢储存方式为采用高压氢瓶进行储存，氢瓶端部安装瓶阀，内置电磁阀、手动截止阀、温度传感器和压力释放装置(PRD)，其中电磁阀为常闭式，用于控制氢气的供应。如图1所示，每个氢瓶端部安装一个瓶阀控制氢气供应，氢系统中所有瓶阀为同一路供电，根据燃料电池氢气需求同时开闭，无法单独控制。故该方案存在以下问题：瓶阀中电磁阀无开关反馈信号，若供电后某个瓶阀发生故障电磁阀无法打开氢瓶无法供气时无故障提示，同时由于其他氢瓶可正常供气，不影响燃料电池的正常工作，无法判断瓶阀是否存在故障，影响氢系统可靠性和燃料电池汽车的续航里程，故需对燃料电池氢系统中的瓶阀是否发生故障进行检测。
例如，申请公布号为CN108177527A的中国发明专利申请公开了一种燃料电池汽车氢瓶阀门状态的检测方法，该方法为整车控制器控制燃料电池在整车停车或停止供氢前的这一段时间内继续工作，同时进行燃料电池中的一路氢瓶瓶阀的检测，判断该路氢瓶瓶阀的工作状态，检测完毕后重新使高压管路压力值恢复到监测前值，完成该路氢瓶瓶阀的检测；等待下次整车控制器发出即将停车或停止供氢的指令，然后依次轮流循环对氢系统其它各路瓶阀进行检测，判断瓶阀状态。该方法需要整车控制器向氢管理系统发出即将停车或停止供氢的指令才能进行瓶阀是否故障的检测，无法在燃料电池工作过程中对瓶阀是否故障进行实时的检测，检测不及时；而且，该方法需一路一路的检测，也即一个瓶阀一个瓶阀的检测，每次都要等待下次整车控制器发出即将停车或停止供氢的指令，检测时间较长，效率低。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池系统及其氢系统瓶阀故障检测方法、装置，用以解决现有技术对瓶阀故障检测不及时、效率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：
本发明提供了一种燃料电池氢系统瓶阀故障检测方法，包括如下步骤：
获取燃料电池系统工作过程中氢气的实际消耗速率，确定设定时间内氢气的真实消耗量；获取设定时间的初始时刻和结束时刻氢系统的压力值和温度值，并结合氢系统总水容积，确定氢系统供给燃料电池的理论消耗量；比较真实消耗量和理论消耗量，若理论消耗量与真实消耗量之间的差异大于设定值，且判定氢系统无氢气泄漏故障时，则判定氢系统的瓶阀发生故障。
上述技术方案的有益效果为：本发明在燃料电池工作过程中，基于真实气体状态方程，可计算出设定时间内氢系统供给燃料电池的理论消耗量，基于燃料电池系统工作过程中氢气的实际消耗速率，可计算出设定时间内氢气的真实消耗量，将两者进行比较，在排除氢气泄漏故障的情况下，便可根据两者之间的差异便可实时、有效地判断瓶阀是否存在故障而使氢瓶无法供气，判断效率较高，保证了氢系统的安全性和可靠性，确保燃料电池系统的安全可靠运行。而且，本发明利用燃料电池车辆上已有的温度传感器、压力传感器、氢泄漏传感器等便可判断瓶阀是否出现故障，成本较低。
作为方法的进一步改进，为了准确判定氢阀是否发生故障，所述差异为理论消耗量与真实消耗量的比值，对应的设定值为n/(n-1)，n为氢系统中氢瓶数量。
作为方法的进一步改进，为了减少排查故障瓶阀的时间，还包括根据所述比值和氢系统中氢瓶数量，判断故障的瓶阀数量：若1≤x≤n-2，则判定氢系统中x个瓶阀存在故障；K为所述比值，n为氢系统中氢瓶数量。
作为方法的进一步改进，若所述比值K大于等于氢系统中氢瓶数量n，根据设定时间的大小判断故障的瓶阀数量：若选择的设定时间大于设定时间阈值，则判定氢系统中n-1个瓶阀存在故障；若选择的设定时间小于等于设定时间阈值，则判定氢系统中n个瓶阀存在故障。
作为方法的进一步改进，为了快速、准确获得氢气的实际消耗速率，所述氢气的实际消耗速率通过检测燃料电池的实际运行功率确定，各运行功率均对应有相应的氢气消耗速率。
作为方法的进一步改进，为了提高氢系统的温度值的准确性，通过在各瓶阀上设置温度传感器实现对各瓶阀的温度采集，将各温度传感器采集的温度值的均值作为氢系统的温度值。
作为方法的进一步改进，为了排除故障的温度传感器的影响以提高故障检测的准确性，在计算氢系统的温度值前，需检测各温度传感器是否故障，对发生故障的温度传感器采集的温度值不再用来计算氢系统的温度值。
本发明还提供了一种燃料电池氢系统瓶阀故障检测装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述燃料电池氢系统瓶阀故障检测方法，并达到与方法相同的效果。
本发明还提供了一种燃料电池系统，包括燃料电池、氢系统和控制器，所述氢系统包括温度传感器、压力传感器和氢泄漏传感器；所述温度传感器设置氢系统的瓶阀处，用于检测氢系统瓶阀的温度值；所述压力传感器设置氢系统与燃料电池之间的供氢管路上，用于检测氢系统的压力值；所述氢泄漏传感器用于检测氢系统是否发生氢气泄漏故障；所述控制器采样连接所述温度传感器、压力传感器和氢泄漏传感器，并实现上述燃料电池氢系统瓶阀故障检测方法，并达到与方法相同的效果。
附图说明
图1是现有技术的氢系统的瓶阀控制图；
图2是本发明的燃料电池系统实施例中的燃料电池氢系统瓶阀故障检测方法的流程图。
具体实施方式
燃料电池系统实施例：
该实施例提供了一种燃料电池系统，包括氢系统、燃料电池(一般为燃料电池堆)、热管理系统等，以实现将氢燃料的化学能转化为电能。该燃料电池系统可运用到燃料电池汽车上来，为整车负载提供所需的动力。
其中，氢系统是从氢气加注口至燃料电池进口，与氢气加注、储存、输送、供给和控制有关的装置，包括氢瓶、加氢口、电磁阀、温度传感器、压力传感器、氢泄漏传感器和氢系统控制器等，用于实现氢气的存储、处理和输送。该实施例中的压力传感器只设置一个，设置在氢系统与燃料电池之间的供氢管路上，检测的为氢系统的压力值，其偏差精度为0.3％fs；在每个瓶阀处均设置一个温度传感器，以对每个瓶阀的温度进行检测，温度传感器可选择NTC型热敏电阻，其偏差精度为2％fs。氢泄漏传感器一般为氢浓度检测传感器，可设置在氢瓶口、减压阀、或者燃料电池氢气入口等位置。
基于上述结构的燃料电池系统，可实现一种燃料电池氢系统瓶阀故障检测方法。下面结合图2对该方法进行详细说明。
步骤一，判断燃料电池是否启动，启动后对才进行后续的实时计算处理，同时可以防止放空检修情况下误报。
步骤二，判断温度传感器检测的温度值是否异常，即温度传感器是否故障。由于使用的传感器为NTC型热敏电阻，为避免单一温度传感器失效对氢系统温度值的影响，结合温度传感器短路或开路情况时热敏电阻两端电压超出正常范围的情况，以对温度传感器是否故障进行判断。在某一或某些温度传感器发生故障时，将故障的温度传感器采集的数据排除在外，将剩余的正常的温度传感器采集的数据进行下述计算处理以得到氢系统的温度值。
步骤三，在燃料电池启动的情况下，结合氢系统短时间内温度变化缓慢的特点，氢系统控制器获取各个正常无故障的温度传感器在设定时间(初始时刻为t0，结束时刻为t1)的初始时间段内的温度值以及结束时间段内的温度值，将初始时间段内的温度值采用中位值平均滤波方法进行计算，得到的值作为该温度传感器t0时刻的温度值，将结束时间段内的温度值采用中位值平均滤波方法进行计算，得到的值作为该温度传感器t1时刻的温度值，以消除温度传感器采集偏差。将各个温度传感器t0时刻的温度值采用中位值平均滤波方法进行计算，得到的值作为t0时刻氢系统的温度值T0；将各个温度传感器t1时刻的温度值采用中位值平均滤波方法进行计算，得到的值作为t1时刻氢系统的温度值T1，以消除个别温度传感器影响。
其中，中位值平均滤波方法为，例如Δt内连续采样N次，去除最大值和最小值后对剩余的N-2个数据进行算术平均。
步骤四，氢系统控制器通过压力传感器获取t0时刻氢系统的压力值P0和t1时刻氢系统的压力值P1。其中，结合氢系统短时间内压力变化缓慢的特点，对设定时间的初始时间段内的压力值采用中位值平均滤波法进行计算，将最终得到的值作为t0时刻氢系统的压力值P0，以减少压力传感器信号采集偏差影响。同样的，对设定时间的结束时间段内的压力值也采用中位值平均滤波法进行计算，将最终得到的值作为t1时刻氢系统的压力值P1。
步骤五，氢系统控制器根据t0时刻氢系统的温度值T0、t1时刻氢系统的温度值T1、t0时刻氢系统的压力值P0、t1时刻氢系统的压力值P1、氢系统总水容积V(即氢系统公称容积)等参数，通过真实气体状态方程PV＝ZnRT推导计算得到氢系统供给燃料电池的理论消耗量mHMS：
式中，mHMS为理论消耗量；M为氢气的摩尔质量，为2.016g/mol；n0为t0时刻氢系统内氢气的摩尔质量，n1为t1时刻氢系统内氢气的摩尔质量，单位均为mol；R为气体常数，为0.008314Mpa·L/(mol·K)；P0、P1分别为t0、t1时刻氢系统的压力值，单位为Mpa；T0、T1分别为t0、t1时刻氢系统的温度值，单位为K；Z0为P0、T0条件下的氢气压缩系数，Z1为P1、T1条件下的氢气压缩系数。
步骤六，燃料电池系统不同功率条件对应氢气的消耗速率不同，氢系统控制器根据该对应关系以及燃料电池的实际运行功率，便可得到燃料电池系统消耗氢气的实际消耗速率ms，从而根据下式计算得到t0-t1时间段内氢气的真实消耗量mFC：
步骤七，由于理论消耗量mHMS计算中使用的是氢系统总水容积V，将所有的氢瓶均考虑在内，故在瓶阀发生故障无法供气的情况下，会导致理论消耗量mHMS较真实消耗量mFC明显增加。但是，在氢气泄漏的情况下也会导致理论消耗量mHMS大于真实消耗量mFC。故先比较真实消耗量mFC和理论消耗量mHMS之间的差异，针对两者之间的差异采用理论消耗量与真实消耗量的比值K来表征，即K＝mHMS/mFC，判断K是否大于设定值，即是否满足K≥n/(n-1)，n为氢系统中氢瓶数量，若满足的情况下再判断是否发生氢气泄漏故障，若目前氢系统无氢气泄漏故障，则可判定氢系统的部分或全部瓶阀发生故障。其中，通过氢泄漏传感器来检测是否出现氢气泄漏的情况。
步骤八，在判定氢系统瓶阀发生故障后，还可根据K与氢系统中氢瓶数量，来判断故障的瓶阀数量：
若1≤x≤n-2，则判定氢系统中x个瓶阀存在故障；
若n≤K，则根据设定时间的大小判断故障的瓶阀数量：
若选择的设定时间大于设定时间阈值(可为10s)，则判定氢系统中n-1个瓶阀存在故障；
若选择的设定时间小于等于设定时间阈值(可为10s)，则判定氢系统中n个瓶阀存在故障。
在判断得到故障的瓶阀数量时，在排查故障时便可缩短时间。例如，总共有五个氢瓶，对应五个瓶阀时，若只是知道有瓶阀发生故障，此时需要一个一个的检测瓶阀，以判断具体哪个或哪些瓶阀发生故障。当确定有两个瓶阀发生故障时，可能检查到第三个瓶阀的时候便已确定有两个瓶阀发生故障，则无需再检查最后两个瓶阀。
在该实施例中，关于计算设定时间的初始时刻和结束时刻氢系统的温度值/压力值、氢气的真实消耗量的计算、氢气的理论消耗量的计算、氢系统瓶阀是否发生故障的判断均在氢系统控制器中进行计算的。作为其他实施方式，还可在燃料电池控制器中进行计算，且由于燃料电池控制器和氢系统控制器是能够进行数据交互的，故也可部分在氢系统控制器中计算、部分在燃料电池控制器中计算。
在该实施例中，为了消除压力传感器和温度传感器精度偏差的影响，采用中值平均滤波方法计算氢系统的温度值和压力值。作为其他实施方式，可采用现有的其他滤波方法来消除该影响。
在该实施例中，为了判断氢系统中的瓶阀是否发生故障，将真实消耗量mFC和理论消耗量mHMS之间的差异使用理论消耗量与真实消耗量的比值K来表征。作为其他实施方法，可采用真实消耗量与理论消耗量的比值来表征，或者直接采用两者的差值来表征，甚至采用两者的差值与真实消耗量的比值来表征，每种表征方式对应的设定值均不同。
装置实施例：
该实施例提供了一种燃料电池氢系统瓶阀故障检测装置，该装置包括存储器和处理器，存储器和处理器之间直接或间接地电性连接以实现数据的传输或交互。这里的处理器可以是通用处理器，例如中央处理器CPU，也可以是其他可编程逻辑器件，例如数字信号处理器DSP，可为氢系统控制器，在整车中也可以是整车控制器，处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现方法实施例中介绍的一种燃料电池氢系统瓶阀故障检测方法，由于燃料电池系统实施例中已对该方法做了详细说明，这里不再赘述。
方法实施例：
该实施例提供了一种燃料电池氢系统瓶阀故障检测方法，在燃料电池系统实施例中已对该方法做了详细介绍，这里不再赘述。

Claims (6)

1.一种燃料电池氢系统瓶阀故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取燃料电池系统工作过程中氢气的实际消耗速率，确定设定时间内氢气的真实消耗量；
获取设定时间的初始时刻和结束时刻氢系统的压力值和温度值，并结合氢系统总水容积，确定所述设定时间的氢系统供给燃料电池的理论消耗量；
比较真实消耗量和理论消耗量，若理论消耗量与真实消耗量之间的差异大于设定值，且判定氢系统无氢气泄漏故障时，则判定氢系统的瓶阀发生故障；
所述差异为理论消耗量与真实消耗量的比值K，对应的设定值为n/(n-1)，n为氢系统中氢瓶数量；
当氢系统的瓶阀发生故障时，根据所述比值K和氢系统中氢瓶数量n，判断故障的瓶阀数量：若n/(n- x)≤K＜n/(n-(x+1))，1≤x≤n-2，则判定氢系统中x个瓶阀存在故障；
若所述比值K大于等于氢系统中氢瓶数量n，根据设定时间的大小判断故障的瓶阀数量：若选择的设定时间大于设定时间阈值，则判定氢系统中n-1个瓶阀存在故障；若选择的设定时间小于等于设定时间阈值，则判定氢系统中n个瓶阀存在故障。
2.根据权利要求1所述的燃料电池氢系统瓶阀故障检测方法，其特征在于，所述氢气的实际消耗速率通过检测燃料电池的实际运行功率确定，各运行功率均对应有相应的氢气消耗速率。
3.根据权利要求1所述的燃料电池氢系统瓶阀故障检测方法，其特征在于，通过在各瓶阀上设置温度传感器实现对各瓶阀的温度采集，将各温度传感器采集的温度值的均值作为氢系统的温度值。
4.根据权利要求3所述的燃料电池氢系统瓶阀故障检测方法，其特征在于，在计算氢系统的温度值前，需检测各温度传感器是否故障，对发生故障的温度传感器采集的温度值不再用来计算氢系统的温度值。
5.一种燃料电池氢系统瓶阀故障检测装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1~4任一项所述的燃料电池氢系统瓶阀故障检测方法。
6.一种燃料电池系统，其特征在于，包括燃料电池、氢系统和控制器，所述氢系统包括温度传感器、压力传感器和氢泄漏传感器；所述温度传感器设置氢系统的瓶阀处，用于检测氢系统瓶阀的温度值；所述压力传感器设置氢系统与燃料电池之间的供氢管路上，用于检测氢系统的压力值；所述氢泄漏传感器用于检测氢系统是否发生氢气泄漏故障；所述控制器采样连接所述温度传感器、压力传感器和氢泄漏传感器，并实现如权利要求1~4任一项所述的燃料电池氢系统瓶阀故障检测方法。
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