CN114006011A - 一种燃料电池堆的耦合监测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池堆的耦合监测方法，该耦合监测方法通过对电压巡测和在线电化学诊断进行耦合，实现在不同的应用场景下监测燃料电池堆的内部状态和故障，所述的电压巡测用以实时采集、反馈并记录燃料电池单体电压，进而判断燃料电池的健康变化；所述的在线电化学诊断用以了解燃料电池的内部动态过程，进而深入识别和解决燃料电池的故障，与现有技术相比，本发明具有了解燃料电池的内部动态过程、区分燃料电池的不同运行状况以及避免燃料电池性能出现不可逆转的损害等优点。

Description

一种燃料电池堆的耦合监测方法及装置
技术领域
本发明涉及燃料电池监测技术领域，尤其是涉及一种燃料电池堆的耦合监测方法及装置。
背景技术
氢作为一种非化石燃料、清洁可再生能源，有望在未来的能源转换中发挥重要作用，受到越来越多研究人员的关注。以氢为燃料的燃料电池是一种利用氢和氧发生化学反应时获得电能的发电装置，而副产品只是水和热，且具有高效、低噪音、零污染等一系列优点。燃料电池已应用于汽车、便携式电源和分布式电站等场景。燃料电池系统包含燃料电池堆，外部气体供给回路(阴、阳极氢气回路)，冷却水回路，以及电气回路。其中，燃料电池堆是多个单体燃料电池经过堆叠以产生所需的功率和电压。而在实际运行中，燃料电池堆的健康状况的诊断受到其以下3种特性的挑战：(1)燃料电池内部涉及到复杂的多域物理化学系统的耦合；(2)燃料电池系统具有多输入、多输出、强非线性、强耦合性的特点；(3)燃料电池运行过程中外界使用环境和动态工况往往是频繁变化的。因此，在以上特性的基础上实现对燃料电池健康状况的研究和管理有利于燃料电池系统的推广和快速商业化。
燃料电池堆电压巡检是一种常用的单体差分端电压(电池电压)监测技术，可以实时反馈并记录负载条件下电池电压和电池健康变化，这对燃料电池实现稳定运行和提升使用寿命有着重要的作用。为实现高速实时检测的性能，具有高精度、强扩展性、良好的抗干扰能力的电压巡检技术引起了广泛的关注。例如，广州汽车集团股份有限公司提供了一种燃料电池系统的故障诊断方法，可实时监测所有电池单体电压及判断电池单体电压异常位置和路数。德国SMART Testsolution GmbH公司在推出了单个可组装拓展的电压巡检(G5S)，可以很好的快速应对不同功率大小的燃料电池产品，该款产品单板最高可达230个通道，可在-40℃到105℃条件下，实现从-3V到+3V的范围内的电压记录。
目前，燃料电池堆诊断一般包括三个基本任务：故障检测、故障隔离和故障分析，而常用的电压巡检技术，一方面，通过采集每一个燃料电池单体的电压来判断其工作状态，该技术在面临电池堆的迅速发展下需在性能方面有待提升，另一方面，此方法只能故障检测和初步的故障分析，但无法了解内部动态过程并进行深入的故障识别和解释。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池堆的耦合监测方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池堆的耦合监测方法，该耦合监测方法通过对电压巡测和在线电化学诊断进行耦合，实现在不同的应用场景下监测燃料电池堆的内部状态和故障，所述的电压巡测用以实时采集、反馈并记录燃料电池单体电压，进而判断燃料电池的健康变化；所述的在线电化学诊断用以了解燃料电池的内部动态过程，进而深入识别和解决燃料电池的故障。
所述的电压巡检的运行温度设定为-60℃～250℃，运行电压设定为-5V～10V，以满足抗噪声干扰和电磁辐射。
所述的在线电化学诊断包括在线电化学阻抗谱测试、在线电化学高频阻抗测试和循环伏安曲线。
所述的在线电化学阻抗谱测试和在线高频阻抗测试施加的外部电电压为0～3V，施加的频率为0.01Hz～10000Hz的交流信号。
所述的不同的应用场景包括低温冷启动的应用场景、因故障停机的应用场景、正常运行的应用场景。
所述的低温冷启动的应用场景为：
在正常启动前的燃料电池堆升温过程中进行电压巡测和在线电化学诊断，即基于电压巡测和在线电化学诊断的耦合监测方法检测和分析燃料电池堆的内部状态和故障。
所述的正常运行的应用场景为：
在正常启动前和正常停机后进行电压巡测和在线电化学诊断，即基于电压巡测和在线电化学诊断的耦合监测方法检测和分析燃料电池堆的内部状态和故障，具体包括以下步骤：
步骤1a：首先进行电压巡测，判断电压巡检测试结果是否有故障出现；
步骤1b：若是，则产生报警，并进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行步骤1c；
步骤1d：进行在线电化学高频阻抗测试，判断在线电化学高频阻抗测试的测试结果是否出现异常；
步骤1e：若是，则产生报警，并进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行步骤1f；
步骤1f：进行在线电化学EIS测试，判断在线电化学EIS测试的测试结果是否出现异常；
步骤1g：若是，则产生报警，并进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行正常启动；
步骤1h：启动后，进行电压巡检，判断燃料电池堆的功率是否正常，若否，则产生报警，并进行故障分析，解除故障后重新诊断，若是，则燃料电池堆正常运行。
所述的燃料电池堆的故障因素包括供气量不足引起燃料电池堆的反极、燃料电池堆内部发生的水淹和膜干故障。
所述的因故障停机的应用场景为：
当供气量不足引起燃料电池堆的反极、燃料电池堆内部发生的水淹和膜干故障时，基于电压巡测和在线电化学诊断的耦合监测方法检测和分析燃料电池堆的内部状态和故障，具体包括以下步骤：
步骤2a：进行在线电化学高频阻抗测试；
步骤2b：进行在线电化学EIS测试，根据测试结果进行故障分析，解除故障后重新诊断；
步骤2c：进行电压巡测，判断电压巡检测试的测试结果中是否有故障出现；
步骤2d：若是，则产生报警，进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行步骤2e；
步骤2e：进行在线电化学高频阻抗测试，判断在线电化学高频阻抗测试的测试结果是否出现异常；
步骤2f：若是，则产生报警，进行故障分析，解除故障后重新诊断，若测试否，则进行步骤2h；
步骤2g：进行在线电化学EIS测试，判断在线电化学EIS测试的测试结果是否出现异常；
步骤2h，若是，则产生报警，进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行正常启动；
步骤2i：正常启动后，通过电压巡检判断电池堆功率是否正常，若否，则产生报警，进行故障分析，解除故障后重新诊断，若测是，则进行正常的运行。
一种实现所述的耦合监测方法的装置，该装置包括：
控制器：包括电压巡测控制器和在线电化学诊断控制器，分别设置在集成电路板上与燃料电池堆连接，对燃料电池堆进行控制和反馈，得到燃料电池堆内部状况，以及时发现并解决出现的故障；
燃料电池堆：燃料电池堆的输入端与控制器连接DC/AC变换器的输出端，燃料电池堆的输出端与DC/DC变换器的输入端连接；
DC/DC变换器：DC/DC变换器的输出端分别与负载和动力电池的输入端连接，用以满足动力系统对燃料电池堆的功率需求，并对燃料电池堆两端电压进行协调；
DC/AC变换器：DC/AC变换器的输入端与动力电池的输出端连接，用以为电化学诊断提供交流电压或电流扰动；
电流传感器：包括两个与控制器连接的电流传感器，用以自动检测和显示电流，并在危险情况发生时具有自动保护和智能控制功能；
电压传感器：包括两个与控制器连接的电压传感器，用以对高速变化的交流电压信号和直流电压信号进行跟踪采集，并对复杂的电压波形进行频谱分析。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、由于燃料电池是一个多物理场耦合的复杂系统，在运行过程中易出现一些故障，因此需及时地对电池进行故障诊断，防止电池堆性能进一步恶化，在线电化学诊断技术用于了解内部动态过程，进一步深入识别和解释故障。
二、基于电压巡测和在线电化学诊断的耦合监测方法不仅可以区分燃料电池的不同运行状况，而且可以对区分不同程度的故障，尤其是早期故障，在燃料电池故障前期进行诊断，通过监测技术反馈，便于及时应对，避免燃料电池性能出现不可逆转的损害。
附图说明
图1为本发明提供的燃料电池堆监测方法示意图。
图2为本发明提供的燃料电池堆故障诊断的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本发明提出了一种燃料电池堆的耦合监测方法，是基于电压巡测和在线电化学诊断的耦合监测方法，电压巡视控制器和在线电化学诊断控制器分布在集成电路板上，与电池堆相连接，DC/DC变换器的输入端与燃料电池堆的输出端连接，用以满足动力系统对燃料电池堆的功率需求，并对燃料电池堆两端电压进行协调，DC/AC变换器的输入端与动力电池的输出端连接，为电化学诊断提供交流电流(电压)扰动，最终，通过控制器的控制和反馈，得到燃料电池堆内部状况，并及时发现可能燃料电池堆出现的故障，该方法实现了DC/DC变换器的功率变换与DC/AC变换器的扰动电流解耦，降低DC/DC变换器的控制难度且能够灵活控制DC/AC变换器降低功率变换的损失。
如图2所示，在正常运行的应用场景中，基于电压巡测和在线电化学诊断的耦合监测方法检测和分析燃料电池的内部状态和故障，具体包括以下步骤：
步骤1a：首先进行电压巡测，判断电压巡检测试结果是否有故障出现；
步骤1b：若是，则产生报警，并进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行步骤1c；
步骤1d：进行在线电化学高频阻抗测试，判断在线电化学高频阻抗测试的测试结果是否出现异常；
步骤1e：若是，则产生报警，并进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行步骤1f；
步骤1f：进行在线电化学EIS测试，判断在线电化学EIS测试的测试结果是否出现异常；
步骤1g：若是，则产生报警，并进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行正常启动；
步骤1h：启动后，进行电压巡检，判断燃料电池堆的功率是否正常，若否，则产生报警，并进行故障分析，解除故障后重新诊断，若是，则燃料电池堆正常运行。
在因故障停机的应用场景中，因供气量不足引起的反极，或电池堆内部发生的水淹和膜干故障时引起故障停机时，基于电压巡测和在线电化学诊断的耦合监测方法进行检测和分析燃料电池的内部状态和故障，具体包括以下步骤：
步骤2a：进行在线电化学高频阻抗测试，判断在线电化学高频阻抗测试的测试结果是否出现异常；
步骤2b：若是，则产生报警，并进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行步骤2c；
步骤2c：进行在线电化学EIS测试，根据测试结果进行故障分析，解除故障后重新诊断；
步骤2d：进行电压巡测，判断电压巡检测试的测试结果中是否有故障出现；
步骤2e：若是，则产生报警，进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行步骤2f；
步骤2f：进行在线电化学高频阻抗测试，判断在线电化学高频阻抗测试的测试结果是否出现异常；
步骤2g：若是，则产生报警，进行故障分析，解除故障后重新诊断，若测试否，则进行步骤2h；
步骤2h：进行在线电化学EIS测试，判断在线电化学EIS测试的测试结果是否出现异常；
步骤2i，若是，则产生报警，进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行正常启动；
步骤2j：正常启动后，通过电压巡检判断电池堆功率是否正常，若否，则产生报警，进行故障分析，解除故障后重新诊断，若测是，则进行正常的运行。
在线电化学诊断的过程中穿插的电压巡检部分对在线电化学诊断输入交流信号的幅度或相位没有实质影响。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆的耦合监测方法，其特征在于，该耦合监测方法通过对电压巡测和在线电化学诊断进行耦合，实现在不同的应用场景下监测燃料电池堆的内部状态和故障，所述的电压巡测用以实时采集、反馈并记录燃料电池单体电压，进而判断燃料电池的健康变化；所述的在线电化学诊断用以了解燃料电池的内部动态过程，进而深入识别和解决燃料电池的故障。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池堆的耦合监测方法，其特征在于，所述的电压巡检的运行温度设定为-60℃～250℃，运行电压设定为-5V～10V，以满足抗噪声干扰和电磁辐射。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池堆的耦合监测方法，其特征在于，所述的在线电化学诊断包括在线电化学阻抗谱测试、在线电化学高频阻抗测试和循环伏安曲线。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池堆的耦合监测方法，其特征在于，所述的在线电化学阻抗谱测试和在线高频阻抗测试施加的外部电电压为0～3V，施加的频率为0.01Hz～10000Hz的交流信号。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池堆的耦合监测方法，其特征在于，所述的不同的应用场景包括低温冷启动的应用场景、因故障停机的应用场景、正常运行的应用场景。
6.根据权利要求4所述的一种燃料电池堆的耦合监测方法，其特征在于，所述的低温冷启动的应用场景为：
在正常启动前的燃料电池堆升温过程中进行电压巡测和在线电化学诊断，即基于电压巡测和在线电化学诊断的耦合监测方法检测和分析燃料电池堆的内部状态和故障。
7.根据权利要求4所述的一种燃料电池堆的耦合监测方法，其特征在于，所述的正常运行的应用场景为：
在正常启动前和正常停机后进行电压巡测和在线电化学诊断，即基于电压巡测和在线电化学诊断的耦合监测方法检测和分析燃料电池堆的内部状态和故障，具体包括以下步骤：
步骤1a：首先进行电压巡测，判断电压巡检测试结果是否有故障出现；
步骤1b：若是，则产生报警，并进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行步骤1c；
步骤1d：进行在线电化学高频阻抗测试，判断在线电化学高频阻抗测试的测试结果是否出现异常；
步骤1e：若是，则产生报警，并进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行步骤1f；
步骤1f：进行在线电化学EIS测试，判断在线电化学EIS测试的测试结果是否出现异常；
步骤1g：若是，则产生报警，并进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行正常启动；
步骤1h：启动后，进行电压巡检，判断燃料电池堆的功率是否正常，若否，则产生报警，并进行故障分析，解除故障后重新诊断，若是，则燃料电池堆正常运行。
8.根据权利要求4所述的一种燃料电池堆的耦合监测方法，其特征在于，所述的燃料电池堆的故障因素包括供气量不足引起燃料电池堆的反极、燃料电池堆内部发生的水淹和膜干故障。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池堆的耦合监测方法，其特征在于，所述的因故障停机的应用场景为：
当供气量不足引起燃料电池堆的反极、燃料电池堆内部发生的水淹和膜干故障时，基于电压巡测和在线电化学诊断的耦合监测方法检测和分析燃料电池堆的内部状态和故障，具体包括以下步骤：
步骤2a：进行在线电化学高频阻抗测试；
步骤2b：进行在线电化学EIS测试，根据测试结果进行故障分析，解除故障后重新诊断；
步骤2c：进行电压巡测，判断电压巡检测试的测试结果中是否有故障出现；
步骤2d：若是，则产生报警，进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行步骤2e；
步骤2e：进行在线电化学高频阻抗测试，判断在线电化学高频阻抗测试的测试结果是否出现异常；
步骤2f：若是，则产生报警，进行故障分析，解除故障后重新诊断，若测试否，则进行步骤2h；
步骤2g：进行在线电化学EIS测试，判断在线电化学EIS测试的测试结果是否出现异常；
步骤2h，若是，则产生报警，进行故障分析，解除故障后重新诊断，若否，则进行正常启动；
步骤2i：正常启动后，通过电压巡检判断电池堆功率是否正常，若否，则产生报警，进行故障分析，解除故障后重新诊断，若测是，则进行正常的运行。
10.一种实现如权利要求1-9任一项所述的耦合监测方法的装置，该装置包括：
控制器：包括电压巡测控制器和在线电化学诊断控制器，分别设置在集成电路板上与燃料电池堆连接，对燃料电池堆进行控制和反馈，得到燃料电池堆内部状况，以及时发现并解决出现的故障；
燃料电池堆：燃料电池堆的输入端与控制器连接DC/AC变换器的输出端，燃料电池堆的输出端与DC/DC变换器的输入端连接；
DC/DC变换器：DC/DC变换器的输出端分别与负载和动力电池的输入端连接，用以满足动力系统对燃料电池堆的功率需求，并对燃料电池堆两端电压进行协调；
DC/AC变换器：DC/AC变换器的输入端与动力电池的输出端连接，用以为电化学诊断提供交流电压或电流扰动；
电流传感器：包括两个与控制器连接的电流传感器，用以自动检测和显示电流，并在危险情况发生时具有自动保护和智能控制功能；
电压传感器：包括两个与控制器连接的电压传感器，用以对高速变化的交流电压信号和直流电压信号进行跟踪采集，并对复杂的电压波形进行频谱分析。
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