CN113625184A - 一种基于磁场测量的pemfc故障检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法，包括步骤：建立三维磁通门传感器阵列设置在燃料电池外围，利用测试平台使燃料电池运行在循环工况下；利用磁通门传感器阵列测量不同时刻下的磁场，构成多个时刻下的磁场检测数据组；通过磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效电阻值；利用等效电阻值是否在故障阈值范围内判断燃料电池的故障状态。本发明采用非入侵式检测方式，有效检测PEMFC的故障状态，同时不会对燃料电池本身产生干扰，能够实现实时在线同步检测，便于安装和更换。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法。
背景技术
随着全球能源危机与环境污染逐渐加重，世界各国对清洁环保且储量大的能源需求越来越强烈。其中，氢能以其丰富的储量正受到越来越多的关注。质子交换膜燃料电池作为一种能将氢能直接转化为电能的装置，具有高效、无污染和工作温度低的特点。为使质子交换膜燃料电池进一步商业化，有效的故障诊断技术不可或缺。
质子交换膜燃料电池的电流来源于膜内的质子传导以及外部的电荷传输，因此内部不同的质子流通常能反应燃料电池的状态。出现故障的位置，通常反应速率低，质子传导也会受到影响。常见的故障如水淹、膜干、欠气及局部热点等故障都能够用质子流指示。因此，采用电池内部的电流对燃料电池进行故障诊断有较为重要的意义。
目前，通常是通过在电池中间加入采集板采集电压电流信号获取燃料电池的电阻值。并且通过在电池中间加入采集板来获取燃料电池内部电流分布。然而这种侵入式方法会改变燃料电池的结构，对燃料电池本身的状态产生干扰，且无法在实际中进行实时在线同步检测。更换麻烦，且不能适用于多种燃料电池。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法，采用非入侵式检测方式，有效检测PEMFC的故障状态，同时不会对燃料电池本身产生干扰，能够实现实时在线同步检测，便于安装和更换。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法，包括步骤：
S10,建立三维磁通门传感器阵列设置在燃料电池外围，利用测试平台使燃料电池运行在循环工况下；
S20,利用磁通门传感器阵列测量不同时刻下的磁场，构成多个时刻下的磁场检测数据组；
S30,通过磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效电阻值；
S40,利用等效电阻值是否在故障阈值范围内判断燃料电池的故障状态。
进一步的是，构建三维磁场传感器阵列包含N个磁通门变送器，利用每个磁通门变送器x轴磁场数据和y轴磁场数据进行故障诊断；
通过测量燃料电池外围不同位置下的磁场，可得到2*N个磁场数据构成磁场检测数据组[Bx1，By1，Bx2，By2，…，BxN，ByN]。
进一步的是，通过磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效电阻值时，采用多项式拟合由磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效电阻值。
进一步的是，采用多项式拟合由磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效电阻值包括高频电阻值和低频电阻值。
进一步的是，通过磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效高频电阻，拟合公式为：
RH＝f1(B)＝a1Bx1+a2By1+...+a2N-1BxN+a2NByN；
其中，a1,a2...a2N为高频电阻拟合系数，单位为Ω/T。
进一步的是，通过磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效低频电阻，拟合公式为：
RL＝f2(B)＝b1Bx1+b2By1+...+b2N-1BxN+b2NByN；；
其中，b1,b2...b2N为低频电阻拟合系数，单位为Ω/T。
进一步的是，根据等效高频电阻值和等效低频电阻值是否在故障阈值范围内，判断燃料电池是否处于水淹状态、健康状态或干膜状态。
进一步的是，判断燃料电池是否处于水淹状态、健康状态或干膜状态，包括：
当RH＜0.4mΩ,RL＜1.5mΩ时，表明燃料电池处于健康状态；
当RH＞0.5mΩ时，表明燃料电池处于膜干状态；
当RH＜0.4mΩ,RL＞1.6mΩ时，表明燃料电池处于水淹状态。
进一步的是，还包括步骤S50,利用多个时刻下的磁场检测数据组，获取燃料电池内部的电流分布，获取不同状态下燃料电池的电流分布。根据所测磁场计算不同状态下PEMFC内部电流分布，将PEMFC状态的变化与其内部电流分布的变化联系起来，为实际使用的故障诊断及控制提供依据。
进一步的是，利用磁场检测数据组求解燃料电池内部的电流分布：
式中，Bx，By分别为r处磁场B的x，y分量，为点r与电流点r’之间的夹角。
采用本技术方案的有益效果：
本发明提供了一种非侵入式工具来检测PEMFC的健康状态，利用磁通门变送器阵列测量PEMFC外部磁场，磁场传感器可以实时检测燃料电池外部不同位置的磁场；通过三维磁场数据拟合燃料电池等效电阻值。计算出相应的高频电阻和低频电阻，进而获得其故障状态包括健康、膜干和水淹状态。该方式可以免除传统测量高频电阻和低频电阻所需的负载设备，且不需要对燃料电池施加激励，不会对燃料电池本身的状态产生干扰，能够实现实时在线同步检测，便于安装和更换。
本发明不仅可以通过磁场数据进行故障诊断，也可以通过磁场数据计算不同状态下PEMFC内部电流分布，为实际使用的故障诊断及控制提供依据。对燃料电池内部电流分布的掌握有助于识别故障发生区域及产生原因，为实际使用的故障诊断及控制提供依据。
附图说明
图1为本发明的一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法流程示意图；
图2为本发明实施例中实验用燃料电池循环工况示意图；
图3为本发明实施例中测试磁场的示意图；
图4为本发明实施例中电流分布的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法，包括步骤：
S10,建立三维磁通门传感器阵列设置在燃料电池外围，利用测试平台使燃料电池运行在循环工况下；
S20,利用磁通门传感器阵列测量不同时刻下的磁场，构成多个时刻下的磁场检测数据组；
S30,通过磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效电阻值；
S40,利用等效电阻值是否在故障阈值范围内判断燃料电池的故障状态。
作为上述实施例的优化方案，构建三维磁场传感器阵列包含N个磁通门变送器，利用每个磁通门变送器x轴磁场数据和y轴磁场数据进行故障诊断；
通过测量燃料电池外围不同位置下的磁场，可得到2*N个磁场数据构成磁场检测数据组[Bx1，By1，Bx2，By2，…，BxN，ByN]。
构建三维磁场传感器阵列可包含8个磁通门变送器，建立的磁场检测数据组保护16个数值。
作为上述实施例的优化方案，通过磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效电阻值时，采用多项式拟合由磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效电阻值包括高频电阻值和低频电阻值。
通过磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效高频电阻，拟合公式为：
RH＝f1(B)＝a1Bx1+a2By1+...+a2N-1BxN+a2NByN；
其中，a1,a2...a2N为高频电阻拟合系数，单位为Ω/T。
通过磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效低频电阻，拟合公式为：
RL＝f2(B)＝b1Bx1+b2By1+...+b2N-1BxN+b2NByN；；
其中，b1,b2...b2N为低频电阻拟合系数，单位为Ω/T。
然后，根据等效高频电阻值和等效低频电阻值是否在故障阈值范围内，判断燃料电池是否处于水淹状态、健康状态或干膜状态，包括：
当RH＜0.4mΩ,RL＜1.5mΩ时，表明燃料电池处于健康状态；
当RH＞0.5mΩ时，表明燃料电池处于膜干状态；
当RH＜0.4mΩ,RL＞1.6mΩ时，表明燃料电池处于水淹状态。
作为上述实施例的优化方案，还包括步骤S50,利用多个时刻下的磁场检测数据组，获取燃料电池内部的电流分布，获取不同状态下燃料电池的电流分布。根据所测磁场计算不同状态下PEMFC内部电流分布，将PEMFC状态的变化与其内部电流分布的变化联系起来，为实际使用的故障诊断及控制提供依据。
利用磁场检测数据组求解燃料电池内部的电流分布：
式中，Bx，By分别为r处磁场B的x，y分量，为点r与电流点r’之间的夹角。
根据如图2所示的实验用循环工况运行燃料电池，进行检测。一个传感器所测磁场的变化如图3所示。在80A电流下，所计算出的循环前后电池内部电流分布的变化如图4所示；其中，正值表示增加，负值表示减少，单位为A。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法，其特征在于，包括步骤：
S10,建立三维磁通门传感器阵列设置在燃料电池外围，利用测试平台使燃料电池运行在循环工况下；
S20,利用磁通门传感器阵列测量不同时刻下的磁场，构成多个时刻下的磁场检测数据组；
S30,通过磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效电阻值；
S40,利用等效电阻值是否在故障阈值范围内判断燃料电池的故障状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法，其特征在于，构建三维磁场传感器阵列包含N个磁通门变送器，利用每个磁通门变送器x轴磁场数据和y轴磁场数据进行故障诊断；
通过测量燃料电池外围不同位置下的磁场，可得到2*N个磁场数据构成磁场检测数据组[Bx1，By1，Bx2，By2，…，BxN，ByN]。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法，其特征在于，通过磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效电阻值时，采用多项式拟合由磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效电阻值。
4.根据权利要求3所述的一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法，其特征在于，采用多项式拟合由磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效电阻值包括高频电阻值和低频电阻值。
5.根据权利要求4所述的一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法，其特征在于，通过磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效高频电阻，拟合公式为：
RH＝f1(B)＝a1Bx1+a2By1+...+a2N-1BxN+a2NByN；
其中，a1,a2...a2N为高频电阻拟合系数，单位为Ω/T。
6.根据权利要求5所述的一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法，其特征在于，通过磁场检测数据组等效拟合计算出燃料电池的等效低频电阻，拟合公式为：
RL＝f2(B)＝b1Bx1+b2By1+...+b2N-1BxN+b2NByN；；
其中，b1,b2...b2N为低频电阻拟合系数，单位为Ω/T。
7.根据权利要求6所述的一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法，其特征在于，根据等效高频电阻值和等效低频电阻值是否在故障阈值范围内，判断燃料电池是否处于水淹状态、健康状态或干膜状态。
8.根据权利要求7所述的一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法，其特征在于，判断燃料电池是否处于水淹状态、健康状态或干膜状态，包括：
当RH＜0.4mΩ,RL＜1.5mΩ时，表明燃料电池处于健康状态；
当RH＞0.5mΩ时，表明燃料电池处于膜干状态；
当RH＜0.4mΩ,RL＞1.6mΩ时，表明燃料电池处于水淹状态。
9.根据权利要求1所述的一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法，其特征在于，还包括步骤S50,利用多个时刻下的磁场检测数据组，获取燃料电池内部的电流分布，获取不同状态下燃料电池的电流分布。
10.根据权利要求9所述的一种基于磁场测量的PEMFC故障检测方法，其特征在于，利用磁场检测数据组求解燃料电池内部的电流分布：
式中，Bx，By分别为r处磁场B的x，y分量，为点r与电流点r’之间的夹角。
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