CN113793956B - 膜电极状态检测方法、检测系统、电子设备及存储介质 - Google Patents

膜电极状态检测方法、检测系统、电子设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种膜电极状态检测方法、检测系统、电子设备及存储介质，其中，检测方法包括：施加预设运行参数的交流扰动信号至电堆两端，电堆包括多个膜电极；获取膜电极与相邻膜电极之间的电压差，以得到电压集；根据电压集和预设电压算法得到电压离均差和电压均值；根据电压均值是否处于预设第一电压阈值区间确定电堆运行状态；根据电压离均差是否处于预设第二电压阈值区间确定膜电极运行状态。本申请的膜电极状态检测方法，能够更准确的确定电堆膜电极的运行状态。

Description

膜电极状态检测方法、检测系统、电子设备及存储介质
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种膜电极状态检测方法、检测系统、电子设备及存储介质。
背景技术
氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。
相关技术中，对氢燃料电池系统中的电堆膜电极进行检测时，采取的是燃料电池单片电压巡检仪(CVM)来检测单片或多片膜电极的电压值，再通过电压值来判断燃料电池的运行状态。这种方式的检测结果容易导致对膜电极的状态判读不准确。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种膜电极状态检测方法，能够更准确的确定电堆膜电极的运行状态。
本申请还提出一种膜电极状态检测系统。
本申请还提出一种电子设备。
本申请还提出一种计算机可读存储介质。
根据本申请的第一方面实施例的膜电极状态检测方法，包括：
施加预设运行参数的交流扰动信号至电堆两端，所述电堆包括多个膜电极；
获取膜电极与相邻膜电极之间的电压差，以得到电压集；
根据所述电压集和预设电压算法得到电压离均差和电压均值；
根据所述电压均值是否处于预设第一电压阈值区间确定所述电堆运行状态；
根据所述电压离均差是否处于预设第二电压阈值区间确定所述膜电极运行状态。
根据本申请实施例的膜电极状态检测方法，至少具有如下有益效果：通过电压均值判断电堆的整体运行状态，通过电压离均差判断单个膜电极的运行状态，提高了膜电极运行状态判断的准确性。
根据本申请的一些实施例，所述根据所述电压集和预设电压算法得到电压离均差和电压均值包括：
获取所述电压集中电压最大值和电压最小值；
根据所述电压集的电压差和电压差数量得到电压均值；
计算所述电压最大值和所述电压均值的差值，以得到第一电压差；
计算所述电压最小值和所述电压均值的差值，以得到第二电压差；
选择所述第一电压差和所述第二电压差中的最大值，以得到所述电压离均差。
根据本申请的一些实施例，所述膜电极运行状态包括：膜电极运行正常状态；
所述根据所述电压离均差是否处于预设第二电压阈值区间确定所述膜电极运行状态，包括：
若所述电压离均差处于所述预设第二电压阈值区间内，所述膜电极运行状态为所述膜电极运行正常状态。
根据本申请的一些实施例，所述膜电极运行状态还包括：膜电极运行故障状态；
所述根据所述电压离均差是否处于预设第二电压阈值区间确定所述膜电极运行状态，还包括：
若所述电压离均差不处于所述预设第二电压阈值区间内，所述膜电极运行状态为所述膜电极运行故障状态。
根据本申请的一些实施例，所述检测方法还包括：
获取膜电极的实时电流，以得到电流集；
根据所述电压集和所述电流集得到每个膜电极的交流阻抗值；
根据所述交流阻抗值和所述预设运行参数确定阻抗复数关系式；
根据所述阻抗复数关系式和预设阻抗数据库得到膜电极含水量，所述预设阻抗数据库包括：所述阻抗复数关系式和所述膜电极含水量的匹配信息；
根据所述膜电极含水量和预设含水量数据库确定所述膜电极故障类型，所述预设含水量数据库包括：所述膜电极含水量和所述膜电极故障类型的匹配信息。
根据本申请的一些实施例，所述交流阻抗值包括：电阻阻抗、感性阻抗和容性阻抗。
根据本申请的一些实施例，所述预设运行参数包括：频率参数；
所述根据所述交流阻抗值和所述预设运行参数确定阻抗复数关系式，包括：
根据所述频率参数得到所述交流扰动信号的角频率参数；
根据所述角频率参数和所述交流阻抗值确定所述阻抗复数关系式。
根据本申请的第二方面实施例的膜电极状态检测系统，包括：
交流扰动模块，用于施加预设运行参数的交流扰动信号至电堆两端，其中，所述电堆包括多个膜电极；
电压检测模块，用于获取膜电极与相邻膜电极之间的电压差，以得到电压集；
计算模块，用于根据所述电压集和预设电压算法得到电压离均差和电压均值；
状态判断模块，用于根据所述电压均值是否处于预设第一电压阈值区间确定所述电堆运行状态；
所述状态判断模块还用于根据所述电压离均差是否处于预设第二电压阈值区间确定所述膜电极运行状态。
根据本申请实施例的膜电极状态检测系统，至少具有如下有益效果：通过电压均值判断电堆的整体运行状态，通过电压离均差判断单个膜电极的运行状态，提高了膜电极运行状态判断的准确性。
根据本申请的第三方面实施例的电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面实施例中任意一项所述的膜电极状态检测方法。
根据本申请的第四方面实施例的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如第一方面实施例中任意一项所述的膜电极状态检测方法。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请做进一步的说明，其中：
图1为本申请实施例提供的膜电极状态检测方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的膜电极状态检测方法的流程图；
图3为本申请实施例提供的膜电极状态检测方法的流程图；
图4为本申请实施例提供的膜电极状态检测方法的流程图；
图5为本申请实施例提供的膜电极状态检测方法的流程图；
图6为本申请实施例提供的电堆的等效电路图；
图7为本申请实施例提供的膜电极交流阻抗值-频率图；
图8为本申请实施例提供的膜电极状态检测系统的模块框图。
附图标记：100、电堆；110、膜电极；200、交流扰动模块；300、电压检测模块；400、计算模块；500、状态判断模块。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。
本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
请参照图1，第一方面，本申请的一些实施例提出一种膜电极状态检测方法，包括但不限于步骤S100、步骤S200、步骤S300、步骤S400和步骤S500。
步骤S100：施加预设运行参数的交流扰动信号至电堆两端，电堆包括多个膜电极；
步骤S200：获取膜电极与相邻膜电极之间的电压差，以得到电压集；
步骤S300：根据电压集和预设电压算法得到电压离均差和电压均值；
步骤S400：根据电压均值是否处于预设第一电压阈值区间确定电堆运行状态；
步骤S500：根据电压离均差是否处于预设第二电压阈值区间确定膜电极运行状态。
在电堆的两端不停地施加预设运行参数的交流扰动信号，其中，电堆包括多个膜电极，交流扰动信号为电流扰动信号。电堆启动后，采集膜电极与相邻膜电极之间的电压差，得到电压集，根据电压集和预设电压算法计算得到电压离均差和电压均值，再依据电压均值是否处于预设第一电压阈值区间内来确定电堆运行状态，根据电压离均差是否处于预设第二电压阈值区间内来确定单个膜电极运行状态。
本申请实施例的膜电极状态检测方法，通过电压均值判断电堆的整体运行状态，通过电压离均差判断单个膜电极的运行状态，提高了膜电极运行状态判断的准确性。
具体地，电堆包括多个膜电极，分别命名为第1片膜电极、第2片膜电极、第3片膜电极……第n片膜电极，检测第1片膜电极和第2片膜电极之间的电压差，并命名为V△1，检测第2片膜电极与第3片膜电极之间的电压差，并命名为V△2。类似，得到V△3、V△4和V△n，组成电压集。根据预设电压算法计算电压集中电压差的电压均值和电压离均差，并判断电压均值是否落入预设第一电压阈值区间内，以确定电堆的整体运行状态，判断电压离均差是否落入预设第二电压阈值区间内，以确定单个膜电极的运行状态。如果电压均值落入预设第一电压阈值区间内，则说明电堆整体运行正常，否则电堆运行异常。
需要说明的是，预设第一电压阈值区间和预设第二电压阈值区间为根据大量的历史测量数据进行设置，本实施例不做具体限制。
请参照图2，在本申请的一些实施例中，步骤S300包括但不限于步骤S310、步骤S320、步骤S330、步骤S340和步骤S350。
步骤S310：获取电压集中电压最大值和电压最小值；
步骤S320：根据电压集的电压差和电压差数量得到电压均值；
步骤S330：计算电压最大值和电压均值的差值，以得到第一电压差；
步骤S340：计算电压最小值和电压均值的差值，以得到第二电压差；
步骤S350：选择第一电压差和第二电压差中的最大值，以得到电压离均差。
在电压集中寻找电压的最大值和电压最小值，以Vmax表示电压最大值，Vmin表示电压最小值，Vm表示电压均值，Vn1表示第一电压差，Vn2表示第二电压差，Vn表示电压最小值表示电压离均差。那么，存在公式(1)、公式(2)和公式(3)，其中，公式(1)为：
Vm＝(V△1+V△2+V△3+…+V△n)/n (1)
公式(2)为：
Vn1＝Vmax-Vm (2)
公式(3)为：
Vn2＝Vm-Vmin (3)
通过公式(1)、(2)和(3)可以求得电压均值、第一电压差和第二电压差，再选择第一电压差和第二电压差中的最大值，得到电压离均差。
请参照图3，在本申请的一些实施例中，膜电极运行状态包括：膜电极运行正常状态和膜电极运行故障状态。步骤S500包括但不限于步骤S510和步骤S520。
步骤S510：若电压离均差处于预设第二电压阈值区间内，膜电极运行状态为膜电极运行正常状态；
步骤S520：若电压离均差不处于预设第二电压阈值区间内，膜电极运行状态为膜电极运行故障状态。
当电压离均差处于预设第二电压阈值区间内，说明在电压集中，膜电极之间的电压值差别不大，在这种情况下，膜电极运行状态为膜电极运行正常状态；当电压均差不处于预设第二电压阈值区间内，说明在电压集中，膜电极之间的电压值差别较大，在这种情况下，膜电极运行状态为膜电极运行故障状态。
请参照图4，在申请的一些实施例中，膜电极运行状态检测方法还包括但不限于步骤S600、步骤S700、步骤S800、步骤S900和步骤S1000。
步骤S600：获取膜电极的实时电流，以得到电流集；
步骤S700：根据电压集和电流集得到每个膜电极的交流阻抗值；
步骤S800：根据交流阻抗值和预设运行参数确定阻抗复数关系式；
步骤S900：根据阻抗复数关系式和预设阻抗数据库得到膜电极含水量，预设阻抗数据库包括：阻抗复数关系式和膜电极含水量的匹配信息；
步骤S1000：根据膜电极含水量和预设含水量数据库确定膜电极故障类型，预设含水量数据库包括：膜电极含水量和膜电极故障类型的匹配信息。
在本申请的一些实施例中，交流阻抗值包括：电阻阻抗、感性阻抗和容性阻抗。
请参照图5，在本申请的一些实施例中，预设运行参数包括：频率参数；步骤S800包括但不限于步骤S810和步骤S820。
步骤S810：根据频率参数得到交流扰动信号的角频率参数；
步骤S820：根据角频率参数和交流阻抗值确定阻抗复数关系式。
参照图6和图7，具体地，在本实施例中，交流扰动信号为电流扰动信号，其预设运行参数为：频率参数fp，幅值为Ip，角频率为Wp，偏移量为Ψp，其中，Wp＝2π*fp，则交流扰动信号可用公式(4)表示，公式(4)为：
I＝Ipsin(2π*fp*t+Ψp) (4)
图6为电堆的等效电路图，在图6中，R1电阻阻抗，RL为感性阻抗，RC为容性阻抗，设R1的电阻为R，RL为jwL，RC为1/(jwC)。根据实时电流In和电压值V△n，得到每片膜电极的交流阻抗值Rn，由于交流阻抗值包括电阻阻抗、感性阻抗和容性阻抗，因此，以下等式成立：
Rn＝V△n/In (5)
Rn＝R+(RL*RC)/(RL+RC) (6)
联立公式(5)和公式(6)可得到阻抗的复数关系式，即公式(7)，公式(7)为：
R+L/(1+4π2fp 2C2L2)-2jπfpCL2/(1+4π2fp 2C2L2)＝V△n/In (7)
在公式(7)中，可以根据电压值和电流值求得交流阻抗值，因此，相当于公式(7)的等式右边为一个已知的定值，可以以阻抗实部为横坐标，阻抗虚部为纵坐标画出交流阻抗值在不同频率下的交流阻抗值-频率图，如图7所示，图7中A、B、C和D四条线分别代表不同频率下的交流阻抗值。当确定阻抗复数关系式后，在根据预设阻抗数据库进行查询，可得到膜电极含水量；再依据膜电极含水量和预设含水量数据库确定膜电极故障类型，从而能够准确的确定膜电极发生故障的原因。在进行大量实验的前提下，是可以根据交流阻抗值反向推导出膜电极的含水量的，进而得到膜电极的故障类型，并确定膜电极发生故障的原因。
请参照图8，第二方面，本申请的一些实施例还提出一种膜电极状态检测系统，包括：交流扰动模块200、电压检测模块300、计算模块400和状态判断模块500。其中，交流扰动模块200连接于电堆100的两端，用于施加预设运行参数的交流扰动信号至电堆100两端，其中，电堆100包括多个膜电极110；电压检测模块300与膜电极110连接，用于获取膜电极110与相邻膜电极110之间的电压差，以得到电压集；计算模块400与电压检测模块300连接，用于根据电压集和预设电压算法得到电压离均差和电压均值；状态判断模块500与计算模块400连接，用于根据电压均值是否处于预设第一电压阈值区间确定电堆运行状态，还用于根据电压离均差是否处于预设第二电压阈值区间确定膜电极运行状态。
在电堆100的两端不停地施加预设运行参数的交流扰动信号，其中，电堆100包括多个膜电极110，交流扰动信号为电流扰动信号。电堆100启动后，采集膜电极110与相邻膜电极110之间的电压差，得到电压集，根据电压集和预设电压算法计算得到电压离均差和电压均值，再依据电压均值是否处于预设第一电压阈值区间内来确定电堆运行状态，根据电压离均差是否处于预设第二电压阈值区间内来确定单个膜电极运行状态。
本申请实施例的膜电极状态检测系统，通过电压均值判断电堆100的整体运行状态，通过电压离均差判断单个膜电极110的运行状态，提高了膜电极运行状态判断的准确性。
需要说明的是，本申请的膜电极状态检测系统与前述的膜电极状态检测方法对应，具体的检测或者操作流程请参照前述的膜电极状态检测方法，在此不再赘述。
第三方面，本申请实施例还提供了一种电子设备。
在一些实施例中，电子设备包括：至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行指令时实现本申请实施例中任一项膜电极状态检测方法。
处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接。
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序，如本申请实施例描述的膜电极状态检测方法。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序以及指令，从而实现上述的膜电极状态检测方法。
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储执行上述膜电极状态检测方法。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，比如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
实现上述的膜电极状态检测方法所需的非暂态软件程序以及指令存储在存储器中，当被一个或者多个处理器执行时，执行上述第一方面实施例中提到的膜电极状态检测方法。
第四方面，本申请实施例还提供了计算机可读存储介质。
在一些实施例中，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于执行第一方面实施例中提到的膜电极状态检测方法。
在一些实施例中，该存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行，比如，被上述电子设备中的一个处理器执行，可使得上述一个或多个处理器执行上述膜电极状态检测方法。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.一种膜电极状态检测方法，其特征在于，包括：
施加预设运行参数的交流扰动信号至电堆两端，所述电堆包括多个膜电极；
获取膜电极与相邻膜电极之间的电压差，以得到电压集；
获取所述电压集中电压最大值和电压最小值；
根据所述电压集的电压差和电压差数量得到电压均值；
计算所述电压最大值和所述电压均值的差值，以得到第一电压差；
计算所述电压最小值和所述电压均值的差值，以得到第二电压差；
选择所述第一电压差和所述第二电压差中的最大值，以得到电压离均差；
根据所述电压均值是否处于预设第一电压阈值区间确定所述电堆运行状态；
根据所述电压离均差是否处于预设第二电压阈值区间确定所述膜电极运行状态。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述膜电极运行状态包括：膜电极运行正常状态；
所述根据所述电压离均差是否处于预设第二电压阈值区间确定所述膜电极运行状态，包括：
若所述电压离均差处于所述预设第二电压阈值区间内，所述膜电极运行状态为所述膜电极运行正常状态。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述膜电极运行状态还包括：膜电极运行故障状态；
所述根据所述电压离均差是否处于预设第二电压阈值区间确定所述膜电极运行状态，还包括：
若所述电压离均差不处于所述预设第二电压阈值区间内，所述膜电极运行状态为所述膜电极运行故障状态。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述检测方法还包括：
获取所述膜电极的实时电流，以得到电流集；
根据所述电压集和所述电流集得到每个膜电极的交流阻抗值；
根据所述交流阻抗值和所述预设运行参数确定阻抗复数关系式；
根据所述阻抗复数关系式和预设阻抗数据库得到膜电极含水量，所述预设阻抗数据库包括：所述阻抗复数关系式和所述膜电极含水量的匹配信息；
根据所述膜电极含水量和预设含水量数据库确定所述膜电极故障类型，所述预设含水量数据库包括：所述膜电极含水量和所述膜电极故障类型的匹配信息。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，所述交流阻抗值包括：电阻阻抗、感性阻抗和容性阻抗。
6.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，所述预设运行参数包括：频率参数；
所述根据所述交流阻抗值和所述预设运行参数确定阻抗复数关系式，包括：
根据所述频率参数得到所述交流扰动信号的角频率参数；
根据所述角频率参数和所述交流阻抗值确定所述阻抗复数关系式。
7.一种膜电极状态检测系统，其特征在于，包括：
交流扰动模块，用于施加预设运行参数的交流扰动信号至电堆两端，其中，所述电堆包括多个膜电极；
电压检测模块，用于获取膜电极与相邻膜电极之间的电压差，以得到电压集；
计算模块，用于获取所述电压集中电压最大值和电压最小值；根据所述电压集的电压差和电压差数量得到电压均值；计算所述电压最大值和所述电压均值的差值，以得到第一电压差；计算所述电压最小值和所述电压均值的差值，以得到第二电压差；选择所述第一电压差和所述第二电压差中的最大值，以得到电压离均差；
状态判断模块，用于根据所述电压均值是否处于预设第一电压阈值区间确定所述电堆运行状态；
所述状态判断模块还用于根据所述电压离均差是否处于预设第二电压阈值区间确定所述膜电极运行状态。
8.电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任意一项所述的膜电极状态检测方法。
9.计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至6中任意一项所述的膜电极状态检测方法。
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