CN114024003A - 燃料电池发动机允许功率偏离自动修正及故障处理方法 - Google Patents

燃料电池发动机允许功率偏离自动修正及故障处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池发动机允许功率偏离自动修正及故障处理方法，所述为采用燃料电池发动机台架获取稳态下燃料电池允许功率与各工作点主要参数的映射关系表、燃料电池稳定工作的最小电压阈值与各工作点主要参数的映射关系表，后者作为燃料电池发动机允许功率与对应工作点的映射关系偏离判定模块的主要依据，系统运行时，实时接收燃料电池的工作参数，根据系统工作参数，判定允许功率与对应工作点的映射关系是否发生偏离，燃料电池发动机记录偏离量，并对外进行报警提示。这种方法能实现在线调整因衰减导致的允许功率与系统工况点的偏离，使得燃料电池发动机在工作过程中自行调整偏离，进而免去机械拆除复杂环节、提升设备使用效率。

Description

燃料电池发动机允许功率偏离自动修正及故障处理方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池性能技术领域，具体是一种燃料电池发动机允许功率偏离自动修正及故障处理方法。
背景技术
燃料电池在工作中，作为能量供给单元是通过电力转换装置进行拉载实现功率输出的。电力转换装置当前最大可以按照多大的功率进行拉载，取决于燃料电池当前的输出能力，即燃料电池的允许功率。如果以大于燃料电池允许功率的功率值进行拉载，则燃料电池系统会因燃料气体或者氧化剂气体供给不足导致欠气现象、同时会导致燃料电池系统电压过低、各回路工况紊乱、触发故障保护机制，进而导致系统停机，如此会导致系统运行不稳定，寿命缩短。因此，燃料电池系统需要实时输出自身的允许功率，以作为电力转换装置拉载的依据之一。
燃料电池允许功率与系统工况点存在对应关系，该映射关系是在系统设计之初进行台架试验标定得到的，在系统工作初期是可以满足实际使用的，但是在燃料电池性能或者附件性能发生衰减之后，该映射关系将不符合实际情况，会出现上述的欠气现象，导致系统无法稳定工作，反复多次，则会缩短系统寿命。目前的处理方式主要为将系统返回实验室重新进行试验标定，如此，工作量大、成本高。由于燃料电池性能的衰减，允许功率与系统工况点重新匹配后，允许功率将整体下降，属于一种故障现象，此时需要进行报警输出，以对外提示系统输出能力的下降程度，当允许功率整体下降到一定程度时，则表明燃料电池的衰减已达到无法继续工作的地步，则应禁止燃料电池发动机继续工作，进行故障处理。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种燃料电池发动机允许功率偏离自动修正及故障处理方法。这种方法能实现在线调整因衰减导致的允许功率与系统工况点的偏离，使得燃料电池发动机在工作过程中自行调整偏离，进而免去机械拆除复杂环节、提升设备使用效率。
实现本发明目的的技术方案是：
一种燃料电池发动机允许功率偏离自动修正及故障处理方法，包括如下步骤：
1)采用燃料电池发动机台架获得稳态下燃料电池允许功率PFCM和空气流量MF的映射关系表PFCM(i)＝LUT(MF(i)),i＝1,…,N、获得燃料电池稳定工作的最小电压阀值VMIN与燃料电池功率P的映射关系表VMIN(i)＝LUT(P(i)),i＝1,…,N，其中N为自然数；
2)设定燃料电池发动机允许功率PFCM与空气流量映射关系偏离成立的阀值EDEV、设定修正映射关系表的功率调整梯度值ΔP、设定系统稳态的工作温度阀值TSTE、设定燃料电池发动机最大允许功率为PMAX、设定允许调节的最小运行时间TADJ；
3)接收当前系统输出功率P、电堆电压VFCM、系统功率调节标志FPADJ、采集燃料电池温度TFCM、空气流量MF，计时系统稳态工况下的总运行时间TRUN；
4)根据当前工况的MF查表VMIN(i)＝LUT(P(i)),i＝1,…,N、采用区间线性算法得到对应的VMIN：当P(k)≤P(t)≤P(k+1)时，采用区间线性差值法计算：VMIN(t)＝Lk*VMIN(k)+Lk+1*VMIN(k+1)，Lk＝(P(k+1)-P(t))/(P(k+1)-P(k))，Lk+1＝(P(t)-P(k))/(P(k+1)-P(k))，其中，k为自然数，用于体现工况点序号，t为自然数，表示要计算的工况点序号，LK、Lk+1为自然数为计算比例系数；
5)判断系统是否处于稳定工作状态，判断条件：系统未进行功率调整FPADJ＝0且燃料电池温度TFCM≥系统稳态工作温度阀值TSTE，如系统处于稳定工作状态，则执行步骤6)，否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序，其中为FPADJ系统功率调节标志，0为未调节、1为调节中；
6)计时稳态运行时间TRUN＝TRUN+tCOM，TRUN为稳态工况下的总运行时间，tCOM为功率响应控制周期，即每个tCOM运行一次控制程序，由于在稳态在执行该步骤，所以每次总的运行时间加上这个tCOM，相当于累加计时；
7)判断系统燃料电池工作电压VFCM是否低于稳定工作的最小电压阀值VMIN，如是，则执行步骤8),否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
8)计时得到VFCM＜VMIN的工况的运行时间TERR＝TERR+tCOM、计算欠压工况运行时间与稳态总运行时间的百分比，作为允许功率与空气流量映射关系偏离百分比系数E＝(TERR/TRUN)*100％，TERR为欠压工况下的运行时间；
9)判断稳态运行时间TRUN是否大于允许调节的最小运行时间TADJ，如是，则执行步骤10)，否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
10)判断允许功率与空气流量映射关系偏离百分比系数E是否大于偏离成立的阀值EDEV，如是，则执行步骤11)，否则，系统稳态运行时间清零TRUN＝0、欠压工况运行时间清零TERR＝0、退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
11)对允许功率与空气流量映射关系的偏离进行修正，调整燃料电池允许功率PFCM和空气流量MF的映射关系表PFCM(i)＝LUT(MF(i)),i＝1,…,N，使得LUT(MF(i))＝LUT(MF(i))-ΔP；
12)系统稳态运行时间清零TRUN＝0、欠压工况运行时间清零TERR＝0、偏离调节功率总量PERR＝PERR+ΔP；
13)判断偏离调节功率总量PERR是否＞0，如是，则执行步骤14),否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
14)燃料电池发动机输出报警提示：允许功率发生偏离、输出偏离调节功率总量PERR；
15)判断偏离调节功率总量PERR是否大于燃料电池发动机最大允许功率PMAX*10％，如是，则执行步骤16),否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
16)燃料电池发动机禁止工作并进行报警输出；
其中，步骤1)-步骤2)的数据为系统设计之初进行标定，将对应的关系以数据的形式固化在控制程序里，在控制过程中随时调取使用，步骤3)-步骤16)按照控制周期tCOM循环执行。
本技术方案通过燃料电池发动机台架试验获得燃料电池发动机允许功率与空气流量的映射关系表、获得燃料电池稳定工作的最小电压阀值与燃料电池功率的映射关系表，系统运行时，实时采集或者接收燃料电池的温度、空气流量、输出功率、电堆电压、功率调节标志参数、通过温度、功率调节标志来确定系统是否处于稳定工作状态下，在稳定工作状态下，判断电堆电压是否低于当前工况最小电压阀值，并对低于的工况时间进行计时，同时计时系统稳定工作状态下的总运行时间、欠压工况运行时间与稳态总运行时间的比值，作为允许功率与空气流量的映射关系表偏离的依据，如判定发生了偏离，则执行偏离修正程序，偏离修正程序采取同工况下按照一定的梯度降低允许功率的方法，以使得电堆电压持续稳定的在高于最小电压阀值的情况下运行，记录功率调节的总量，对外进行输出并做报警提示，如调节总量大于设定的调节阀值，则禁止燃料电池工作，做故障报警。
这种方法能实现在线调整因衰减导致的允许功率与系统工况点的偏离，使得燃料电池发动机在工作过程中自行调整偏离，进而免去机械拆除复杂环节、提升设备使用效率。
附图说明
图1为实施例方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容做进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1，一种燃料电池发动机允许功率偏离自动修正及故障处理方法，包括如下步骤：
1)采用燃料电池发动机台架获得稳态下燃料电池允许功率PFCM和空气流量MF的映射关系表PFCM(i)＝LUT(MF(i)),i＝1,…,N、获得燃料电池稳定工作的最小电压阀值VMIN与燃料电池功率P的映射关系表VMIN(i)＝LUT(P(i)),i＝1,…,N，其中N为自然数；
2)设定燃料电池发动机允许功率PFCM与空气流量映射关系偏离成立的阀值EDEV、设定修正映射关系表的功率调整梯度值ΔP、设定系统稳态的工作温度阀值TSTE、设定燃料电池发动机最大允许功率为PMAX、设定允许调节的最小运行时间TADJ；
3)接收当前系统输出功率P、电堆电压VFCM、系统功率调节标志FPADJ、采集燃料电池温度TFCM、空气流量MF，计时系统稳态工况下的总运行时间TRUN；
4)根据当前工况的MF查表VMIN(i)＝LUT(P(i)),i＝1,…,N、采用区间线性算法得到对应的VMIN：当P(k)≤P(t)≤P(k+1)时，采用区间线性差值法计算：VMIN(t)＝Lk*VMIN(k)+Lk+1*VMIN(k+1)，Lk＝(P(k+1)-P(t))/(P(k+1)-P(k))，Lk+1＝(P(t)-P(k))/(P(k+1)-P(k))，本例中，k为自然数，用于体现工况点序号，t为自然数，表示要计算的工况点序号，LK、Lk+1为自然数为计算比例系数；
5)判断系统是否处于稳定工作状态，判断条件：系统未进行功率调整FPADJ＝0且燃料电池温度TFCM≥系统稳态工作温度阀值TSTE，如系统处于稳定工作状态，则执行步骤6)，否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序，其中为FPADJ系统功率调节标志，0为未调节、1为调节中；
6)计时稳态运行时间TRUN＝TRUN+tCOM，TRUN为稳态工况下的总运行时间，tCOM为功率响应控制周期，即每个tCOM运行一次控制程序，由于在稳态在执行该步骤，所以每次总的运行时间加上这个tCOM，相当于累加计时；
7)判断系统燃料电池工作电压VFCM是否低于稳定工作的最小电压阀值VMIN，如是，则执行步骤8),否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
8)计时得到VFCM＜VMIN的工况的运行时间TERR＝TERR+tCOM、计算欠压工况运行时间与稳态总运行时间的百分比，作为允许功率与空气流量映射关系偏离百分比系数E＝(TERR/TRUN)*100％，TERR为欠压工况下的运行时间；
9)判断稳态运行时间TRUN是否大于允许调节的最小运行时间TADJ，如是，则执行步骤10)，否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
10)判断允许功率与空气流量映射关系偏离百分比系数E是否大于偏离成立的阀值EDEV，如是，则执行步骤11)，否则，系统稳态运行时间清零TRUN＝0、欠压工况运行时间清零TERR＝0、退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
11)对允许功率与空气流量映射关系的偏离进行修正，调整燃料电池允许功率PFCM和空气流量MF的映射关系表PFCM(i)＝LUT(MF(i)),i＝1,…,N，使得LUT(MF(i))＝LUT(MF(i))-ΔP；
12)系统稳态运行时间清零TRUN＝0、欠压工况运行时间清零TERR＝0、偏离调节功率总量PERR＝PERR+ΔP；
13)判断偏离调节功率总量PERR是否＞0，如是，则执行步骤14),否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
14)燃料电池发动机输出报警提示：允许功率发生偏离、输出偏离调节功率总量PERR；
15)判断偏离调节功率总量PERR是否大于燃料电池发动机最大允许功率PMAX*10％，如是，则执行步骤16),否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
16)燃料电池发动机禁止工作并进行报警输出；
其中，步骤1)-步骤2)的数据为系统设计之初进行标定，将对应的关系以数据的形式固化在控制程序里，在控制过程中随时调取使用，步骤3)-步骤16)按照控制周期tCOM循环执行。
本例中，PFCM为燃料电池允许功率，单位kW；
MF为空气流量,单位g/s；
VMIN为燃料电池稳定工作的最小电压阀值，单位V；
P为燃料电池发动机当前功率，单位kW；
EDEV为允许功率与空气流量映射关系偏离成立的阀值，单位％；
ΔP为修正映射关系表的功率调整梯度值，单位kW；
TSTE为系统稳态的工作温度阀值，单位℃；
PMAX为燃料电池出厂最大允许功率，单位kW；
TADJ为允许调节的最小运行时间，单位s；
VFCM为燃料电池电压，单位V；
FPADJ系统功率调节标志，0为未调节，1为调节中；
TFCM为燃料电池温度，单位℃；
TRUN为稳态工况下的总运行时间，单位s；
TERR为欠压工况下的运行时间，单位s；
E为允许功率与空气流量映射关系偏离百分比系数，单位％；
PERR偏离调节功率总量，单位kW；
tCOM为功率响应控制周期，单位s。
实验例：
以36kW的质子交换膜燃料电池发动机为例，通过台架试验得到如下参数：
稳态下燃料电池允许功率PFCM和空气流量MF的映射关系表如表1所示：
表1
M<sub>F</sub>(g/s) 3 7 11 15 19 23 27 31 34 38
P<sub>FCM</sub>(kW) 4.3 9.1 13.6 17.8 21.6 25.1 28.3 31.2 33.8 36.0
，稳定工作的最小电压阀值VMIN与燃料电池功率P的映射关系表表2所示：
表2
P(kW) 4.5 8 11.5 15 18.5 22 25.5 29 32.5 36
V<sub>MIN</sub>(V) 133 132 129 126 123 120 117 114 111 108
，燃料电池发动机允许功率与空气流量映射关系偏离成立的阀值EDEV＝20％；
修正映射关系表的功率调整梯度值ΔP＝1kW；系统稳态的工作温度阀值TSTE＝＝65℃；
燃料电池发动机最大允许功率为PMAX＝36kW；允许调节的最小运行时间TADJ＝3600s；
控制周期tCOM＝1s，将如上参数内容固化于燃料电池系统控制器的程序中，具体地：
燃料电池发动机工作在当前功率P＝20kW的工况点，此时的燃料电池温度TFCM＝70℃、空气流量为MF＝19.5g/s、系统功率调节标志FPADJ＝0，此时系统未进行功率调节；
按MF＝19.5g/s查表，采用线性差值法计算得到PFCM＝22kW；
按P＝20kW查表，采用线性差值法计算得到VMIN＝121.7V；
通过判定燃料电池温度TFCM＝70℃＞TSTE＝＝65℃，且FPADJ＝0，判定系统处于稳态；
计时系统稳态运行时间TRUN＝TRUN+1s；
正常情况下燃料电池电压VFCM应该在130V左右，假设由于燃料电池性能衰减，此时的燃料电池电压VFCM在121±1V左右浮动变化；
如VFCM＜121.7V，则TERR＝TERR+1s；否则，TERR不变；
依此每tCOM＝1s运行上述过程一次，循环执行；
直到TRUN＞3600s，
判断E＝(TERR/TRUN)*100％＞20％；
如不成立：系统稳态运行时间清零，TRUN＝0，偏离计时时间清零，TERR＝0；按上述过程重新计时，直到下次TRUN＞3600s时，再判断E＝(TERR/TRUN)*100％＞20％；
如成立：调整燃料电池允许功率PFCM和空气流量MF的映射关系表：
PFCM(i)＝LUT(MF(i)),i＝1,…,N，使得LUT(MF(i))＝LUT(MF(i))-ΔP，ΔP＝1kW，调增后燃料电池允许功率PFCM和空气流量MF的映射关系表如下：
M<sub>F</sub>(g/s) 3 7 11 15 19 23 27 31 34 38
P<sub>FCM</sub>(kW) 3.3 8.1 12.6 16.8 20.6 24.1 27.3 30.2 32.8 35.0
计算偏离调节功率总量PERR＝PERR+ΔP＝0+1kW＝1kW，同时系统稳态运行时间清零，TRUN＝0，偏离计时时间清零，TERR＝0；
此时，PERR＞0，燃料电池发动机对外输出PERR值并进行报警提示，得到燃料电池允许功率PFCM和空气流量MF的映射关系表之后，燃料电池发动机会按照更新的表格输出允许功率，将使得系统稳定运行，通常可以维持运行较长一段时间，系统会不断地循环执行偏离判定程序，随着燃料电池性能进一步衰减，在偏离判定程序判定偏离成立时，执行偏离修正程序，偏离调节功率总量PERR会逐渐增加，直到PERR＞燃料电池发动机最大允许功率PMAX*10％，即PERR＞36kW*10％＝3.6kW，此时系统作故障报警，并发出禁止燃料电池发动机工作的指令。

Claims (1)

1.一种燃料电池发动机允许功率偏离自动修正及故障处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采用燃料电池发动机台架获得稳态下燃料电池允许功率PFCM和空气流量MF的映射关系表PFCM(i)＝LUT(MF(i)),i＝1,…,N、获得燃料电池稳定工作的最小电压阀值VMIN与燃料电池功率P的映射关系表VMIN(i)＝LUT(P(i)),i＝1,…,N，其中N为自然数；
2)设定燃料电池发动机允许功率PFCM与空气流量映射关系偏离成立的阀值EDEV、设定修正映射关系表的功率调整梯度值ΔP、设定系统稳态的工作温度阀值TSTE、设定燃料电池发动机最大允许功率为PMAX、设定允许调节的最小运行时间TADJ；
3)接收当前系统输出功率P、电堆电压VFCM、系统功率调节标志FPADJ、采集燃料电池温度TFCM、空气流量MF，计时系统稳态工况下的总运行时间TRUN；
4)根据当前工况的MF查表VMIN(i)＝LUT(P(i)),i＝1,…,N、采用区间线性算法得到对应的VMIN：当P(k)≤P(t)≤P(k+1)时，采用区间线性差值法计算：VMIN(t)＝Lk*VMIN(k)+Lk+1*VMIN(k+1)，Lk＝(P(k+1)-P(t))/(P(k+1)-P(k))，Lk+1＝(P(t)-P(k))/(P(k+1)-P(k))，其中，k为自然数，用于体现工况点序号，t为自然数，表示要计算的工况点序号，LK、Lk+1为自然数为计算比例系数；
5)判断系统是否处于稳定工作状态，判断条件：系统未进行功率调整FPADJ＝0且燃料电池温度TFCM≥系统稳态工作温度阀值TSTE，如系统处于稳定工作状态，则执行步骤6)，否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序，其中为FPADJ系统功率调节标志，0为未调节、1为调节中；
6)计时稳态运行时间TRUN＝TRUN+tCOM，TRUN为稳态工况下的总运行时间，tCOM为功率响应控制周期，即每个tCOM运行一次控制程序，由于在稳态在执行该步骤，所以每次总的运行时间加上这个tCOM，相当于累加计时；
7)判断系统燃料电池工作电压VFCM是否低于稳定工作的最小电压阀值VMIN，如是，则执行步骤8),否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
8)计时得到VFCM＜VMIN的工况的运行时间TERR＝TERR+tCOM、计算欠压工况运行时间与稳态总运行时间的百分比，作为允许功率与空气流量映射关系偏离百分比系数E＝(TERR/TRUN)*100％，TERR为欠压工况下的运行时间；
9)判断稳态运行时间TRUN是否大于允许调节的最小运行时间TADJ，如是，则执行步骤10)，否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
10)判断允许功率与空气流量映射关系偏离百分比系数E是否大于偏离成立的阀值EDEV，如是，则执行步骤11)，否则，系统稳态运行时间清零TRUN＝0、欠压工况运行时间清零TERR＝0、退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
11)对允许功率与空气流量映射关系的偏离进行修正，调整燃料电池允许功率PFCM和空气流量MF的映射关系表PFCM(i)＝LUT(MF(i)),i＝1,…,N，使得LUT(MF(i))＝LUT(MF(i))-ΔP；
12)系统稳态运行时间清零TRUN＝0、欠压工况运行时间清零TERR＝0、偏离调节功率总量PERR＝PERR+ΔP；
13)判断偏离调节功率总量PERR是否＞0，如是，则执行步骤14),否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
14)燃料电池发动机输出报警提示：允许功率发生偏离、输出偏离调节功率总量PERR；
15)判断偏离调节功率总量PERR是否大于燃料电池发动机最大允许功率PMAX*10％，如是，则执行步骤16),否则退出允许功率偏离判定和修正程序，执行系统其它程序；
16)燃料电池发动机禁止工作并进行报警输出；
其中，步骤1)-步骤2)的数据为系统设计之初进行标定，将对应的关系以数据的形式固化在控制程序里，在控制过程中随时调取使用，步骤3)-步骤16)按照控制周期tCOM循环执行。
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