CN114520351B - 一种燃料电池系统及其故障检测方法、氢气泄漏检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统及其故障检测方法、氢气泄漏检测方法，属于燃料电池汽车领域。通过设定燃料电池系统的目标输出功率P目标，并实时监测其实际输出功率P实际、燃料电池电堆的实际氢气进、出气口压力F进、F出；将P实际与P目标、F进与F目标进、F出与F目标出分别进行比较；当满足P实际＜P目标且F进＜F目标进且(F目标进‑F进)＞第一设定阈值的持续时间超过第一设定时间，或者满足P实际＜P目标且F出＞F目标出且(F出‑F目标出)＞第二设定阈值的持续时间超过第二设定时间时启动氢气浓度传感器，若检测到的氢气浓度值＞报警阈值则判定出现氢气泄漏，否则判定未出现氢气泄漏，并关闭氢气浓度传感器。氢气泄漏检测结果更可靠。

Description

一种燃料电池系统及其故障检测方法、氢气泄漏检测方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统及其故障检测方法、氢气泄漏检测方法，属于燃料电池汽车技术领域。
背景技术
随着新能源汽车的快速发展，燃料电池汽车凭借零排放、长续航、加氢快等优势，开始进入产业化初期，解决氢气在燃料电池汽车各使用环节中的安全问题已经成为当务之急。燃料电池系统氢气子系统部分管阀件集成在燃料电池系统箱体内，该箱体系密封空间，为了检测箱体内可能出现的氢气泄漏，系统装有一个氢气浓度传感器，利用氢气浓度传感器检测箱体内的氢气浓度，当氢气浓度大于氢气泄漏报警阈值时，判定出现氢气泄漏。
目前为了及时发现燃料电池系统是否出现氢气泄漏，氢气浓度传感器一直处于开启状态，即氢气浓度传感器一直工作在常开工作模式，现有氢气浓度传感器多为催化燃烧型，检测时，要在测量电桥上施加电压使之加热到500℃左右，并在催化剂的作用下发生催化反应。由于检测元件长时间处于高温工作状态下，催化剂会出现化学活性早期衰减或失活，导致检测精度、灵敏度下降，另外铂金丝也可能被烧断，致使传感器报废。所以氢气浓度传感器的使用寿命通常为3～5年，后续需要更换，将增加车辆使用成本；另外，由于氢气浓度传感器存在精度问题，可能发生报警信息误报，影响车辆正常运营。
综上所述，目前利用催化燃烧型的氢气浓度传感器对燃料电池系统是否出现氢气泄漏进行检测时，由于氢气浓度传感器一直工作在常开工作模式，导致氢气浓度传感器使用寿命较短，后续进行更换将增加车辆使用成本，并且，由于氢气浓度传感器存在性能衰减和精度有限等问题，单纯依靠氢气浓度传感器的检测结果判断氢气是否泄漏，可能造成氢气泄漏误报，进而影响车辆正常运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池系统及其故障检测方法、氢气泄漏检测方法，用以解决目前单纯依靠氢气浓度传感器的检测结果判断氢气是否泄漏，可能造成氢气泄漏误报的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池系统的氢气泄漏检测方法，该方法包括以下步骤：
(1)设定燃料电池系统的目标输出功率P目标，并实时监测燃料电池系统的实际输出功率P实际、燃料电池电堆的实际氢气进气口压力F进和实际氢气出气口压力F出；
(2)将P实际与P目标进行比较、将F进与F目标进进行比较、并将F出与F目标出进行比较；所述F目标进为P目标对应的正常氢气进气口压力，所述F目标出为P目标对应的正常氢气出气口压力；
(3)当比较结果满足启动条件时，启动氢气浓度传感器检测燃料电池系统中的氢气浓度；所述满足启动条件为满足下述2个条件中的其中一个：条件一为P实际＜P目标、且F进＜F目标进、且(F目标进-F进)＞第一设定阈值的持续时间超过第一设定时间，条件二为P实际＜P目标、且F出＞F目标出、且(F出-F目标出)＞第二设定阈值的持续时间超过第二设定时间；
(4)将检测到的氢气浓度值与氢气泄漏报警阈值进行比较，若检测到的氢气浓度值＞氢气泄漏报警阈值，则判定燃料电池系统出现氢气泄漏；若检测到的氢气浓度值＜氢气泄漏报警阈值，则判定燃料电池系统未出现氢气泄漏，并关闭氢气浓度传感器。
该燃料电池系统的氢气泄漏检测方法的有益效果是：首先，本方法能够实现燃料电池系统是否出现氢气泄漏的实时在线检测；其次，本方法中燃料电池系统正常工作时氢气浓度传感器处于关闭状态，只有在满足启动条件时氢气浓度传感器才启动，与现有技术相比，本方法将氢气浓度传感器由常开工作模式调整为根据指令启动的工作模式，可以大幅增加氢气浓度传感器的使用时间，由原来的3～5年延长至8年以上，车辆生命周期内不需更换氢气浓度传感器，有效降低了车辆的使用成本；并且，本方法先充分利用燃料电池电堆的氢气进出气口压力等信息对氢气是否泄漏进行初步判断，若初步判断有氢气泄漏可能(即满足启动条件时)，则进一步利用氢气浓度传感器检测氢气浓度再次确认氢气是否泄漏，这种双重检测机制，使氢气泄漏的检测结果更加可靠，避免了现有技术中单纯依靠氢气浓度传感器的检测结果判断氢气是否泄漏，存在的由于氢气浓度传感器性能衰减和精度有限等问题造成氢气泄漏误报，进而影响车辆正常运行的问题；另外，本方法能够实现包括电堆内部任何形式的氢气泄漏检测和电堆外部零部件的氢气泄漏检测。
进一步地，在上述燃料电池系统的氢气泄漏检测方法中，所述氢气泄漏报警阈值的取值范围为氢气爆炸下限的25％～50％。
本发明还提供了一种燃料电池系统的故障检测方法，该方法包括以下步骤：
(1)设定燃料电池系统的目标输出功率P目标，并实时监测燃料电池系统的实际输出功率P实际、燃料电池电堆的实际氢气进气口压力F进和实际氢气出气口压力F出；
(2)将P实际与P目标进行比较、将F进与F目标进进行比较、并将F出与F目标出进行比较；所述F目标进为P目标对应的正常氢气进气口压力，所述F目标出为P目标对应的正常氢气出气口压力；
(3)当比较结果满足启动条件时，启动氢气浓度传感器检测燃料电池系统中的氢气浓度；所述满足启动条件为满足下述2个条件中的其中一个：条件一为P实际＜P目标、且F进＜F目标进、且(F目标进-F进)＞第一设定阈值的持续时间超过第一设定时间，条件二为P实际＜P目标、且F出＞F目标出、且(F出-F目标出)＞第二设定阈值的持续时间超过第二设定时间；
(4)将检测到的氢气浓度值与氢气泄漏报警阈值进行比较，若检测到的氢气浓度值＞氢气泄漏报警阈值，则判定燃料电池系统出现氢气泄漏故障；
(5)若检测到的氢气浓度值＜氢气泄漏报警阈值，则判定燃料电池系统未出现氢气泄漏故障，并关闭氢气浓度传感器；
(6)若在满足条件一时判定燃料电池系统未出现氢气泄漏，则增加氢气进气口处的比例阀的开度，若P实际＝P目标、且F进＝F目标进，则判定氢气进气口处的比例阀出现异常；
(7)若在满足条件二时判定燃料电池系统未出现氢气泄漏，则判断氢气出气口处的排水阀或排氮阀出现异常。
该燃料电池系统的故障检测方法的有益效果是：该故障检测方法能够实现燃料电池系统两种故障类型的检测，一是氢气泄漏故障的检测，一是燃料电池系统零部件异常的检测；利用本方法可以快速发现燃料电池系统的氢气泄漏故障以及零部件异常，帮助维修人员针对性地进行检查，提高维修效率。
进一步地，在上述燃料电池系统的故障检测方法中，所述氢气泄漏报警阈值的取值范围为氢气爆炸下限的25％～50％。
本发明还提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括控制器、燃料电池电堆、氢气浓度传感器和至少一个压力传感器，其中，压力传感器用于检测燃料电池电堆的氢气进气口压力和氢气出气口压力，所述控制器连接所述燃料电池电堆、氢气浓度传感器和各压力传感器，并用于实现上述的燃料电池系统的氢气泄漏检测方法。
该燃料电池系统的有益效果是：首先，能够实现燃料电池系统是否出现氢气泄漏的实时在线检测；其次，通过将氢气浓度传感器由常开工作模式调整为根据指令启动的工作模式，可以大幅增加氢气浓度传感器的使用时间，有效降低车辆的使用成本；并且，拥有氢气泄漏的双重检测机制，使氢气泄漏的检测结果更加可靠；另外，还能够实现包括电堆内部任何形式的氢气泄漏检测和电堆外部零部件的氢气泄漏检测。
进一步地，在上述燃料电池系统中，该燃料电池系统还包括报警器，所述控制器连接所述报警器。
本发明还提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括控制器、燃料电池电堆、氢气浓度传感器和至少一个压力传感器，其中，压力传感器用于检测燃料电池电堆的氢气进气口压力和氢气出气口压力，所述控制器连接所述燃料电池电堆、氢气浓度传感器和各压力传感器，并用于实现上述的燃料电池系统的故障检测方法。
该燃料电池系统的有益效果是：能够实现燃料电池系统两种故障类型的检测，一是氢气泄漏故障的检测，一是燃料电池系统零部件异常的检测，可以快速发现燃料电池系统的氢气泄漏故障以及零部件异常，帮助维修人员针对性地进行检查，提高维修效率。
进一步地，在上述燃料电池系统中，该燃料电池系统还包括报警器，所述控制器连接所述报警器。
附图说明
图1是现有技术中燃料电池系统的部分结构示意图；
图2是本发明氢气泄漏检测方法实施例中的燃料电池系统的氢气泄漏检测方法流程图；
图3是本发明故障检测方法实施例中的燃料电池系统的故障检测方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
氢气泄漏检测方法实施例：
现有燃料电池系统的部分结构如图1所示，燃料电池系统中：燃料电池系统控制器(以下简称控制器)连接燃料电池电堆、氢气浓度传感器、比例阀，燃料电池电堆的氢气进气口处连接有比例阀，比例阀连接有电磁阀，燃料电池电堆的氢气进气口处连接有分水器，分水器连接有排氮阀、排水阀、氢气循环泵，氢气循环泵通过氢气进气口连接燃料电池电堆。其中，氢气浓度传感器用来检测燃料电池系统中的氢气浓度。
通过对燃料电池电堆的氢气进气口、出气口压力进行研究发现：燃料电池系统正常工作时，当燃料电池系统工作在功率点P1时，对应氢气消耗率K1，此时燃料电池电堆的氢气进气口、出气口的压力值分别为某一确定值；当燃料电池系统工作在另一功率点P2时，对应氢气消耗率K2，此时燃料电池电堆的氢气进气口、出气口的压力值均分别变化至另一确定值；从而得到以下规律：燃料电池系统正常工作时，对于燃料电池系统的每个输出功率值，都有与之相对应的一个燃料电池电堆的正常氢气进气口压力和一个燃料电池电堆的正常氢气出气口压力，其中，燃料电池系统的每个输出功率值对应的正常氢气进气口压力和正常氢气出气口压力可通过实验得到。
基于上述规律，本实施例提供了一种燃料电池系统的氢气泄漏检测方法(以下简称本实施例方法)能够应用在现有燃料电池系统中，用以检测燃料电池系统是否出现氢气泄漏，如图2所示，利用本实施例方法检测燃料电池系统是否出现氢气泄漏的具体步骤如下：
(1)燃料电池系统正常工作时，氢气浓度传感器处于关闭状态；
(2)对燃料电池系统进行氢气泄漏检测时，控制器设定燃料电池系统的目标输出功率P目标，并实时监测燃料电池系统的实际输出功率P实际、燃料电池电堆的实际氢气进气口压力F进和实际氢气出气口压力F出；
(3)将P实际与P目标进行比较、将F进与F目标进进行比较、并将F出与F目标出进行比较；其中，F目标进为P目标对应的正常氢气进气口压力，F目标出为P目标对应的正常氢气出气口压力；
(4)当比较结果满足启动条件时，控制器对氢气浓度传感器发出开机指令、启动氢气浓度传感器检测燃料电池系统中的氢气浓度；满足启动条件为满足下述2个条件中的其中一个：条件一为P实际＜P目标、且F进＜F目标进、且(F目标进-F进)＞第一设定阈值的持续时间超过第一设定时间，条件二为P实际＜P目标、且F出＞F目标出、且(F出-F目标出)＞第二设定阈值的持续时间超过第二设定时间。
其中，第一设定阈值、第一设定时间、第二设定阈值、第二设定时间的值均可根据实际需要设置。
(5)将检测到的氢气浓度值与氢气泄漏报警阈值进行比较，若检测到的氢气浓度值＞氢气泄漏报警阈值，则判定燃料电池系统出现氢气泄漏，此时控制器会根据预先制定好的控制策略执行相应控制程序，例如报警；若检测到的氢气浓度值＜氢气泄漏报警阈值，则判定燃料电池系统未出现氢气泄漏，此时控制器对氢气浓度传感器发出停机指令、关闭氢气浓度传感器。
其中，氢气泄漏报警阈值根据实际需要设置，氢气泄漏报警阈值的取值范围为氢气爆炸下限的25％～50％。
综上所述，本实施例方法依据燃料电池系统正常工作时，燃料电池系统的每个输出功率值都有与之相对应的一个燃料电池电堆的正常氢气进气口压力和一个燃料电池电堆的正常氢气出气口压力，通过设定燃料电池系统的目标输出功率，充分利用燃料电池系统的目标输出功率、目标输出功率对应的正常氢气进气口压力、正常氢气出气口压力、以及实时监测得到的燃料电池系统的实际输出功率、燃料电池电堆的实际氢气进气口压力、实际氢气出气口压力，对燃料电池系统是否出现氢气泄漏进行判断。首先，本实施例方法能够实现燃料电池系统是否出现氢气泄漏的实时在线检测；其次，本实施例方法中燃料电池系统正常工作时氢气浓度传感器处于关闭状态，只有在满足启动条件时氢气浓度传感器才启动，与现有技术相比，本实施例方法将氢气浓度传感器由常开工作模式调整为根据指令启动的工作模式，可以大幅增加氢气浓度传感器的使用时间，由原来的3～5年延长至8年以上，车辆生命周期内不需更换氢气浓度传感器，有效降低了车辆的使用成本；并且，本实施例方法先充分利用燃料电池电堆的氢气进出气口压力等信息对氢气是否泄漏进行初步判断，若初步判断有氢气泄漏可能(即满足启动条件时)，则进一步利用氢气浓度传感器检测氢气浓度再次确认氢气是否泄漏，这种双重检测机制，使氢气泄漏的检测结果更加可靠，避免了现有技术中单纯依靠氢气浓度传感器的检测结果判断氢气是否泄漏，存在的由于氢气浓度传感器性能衰减和精度有限等问题造成氢气泄漏误报，进而影响车辆正常运行的问题；另外，本实施例方法能够实现包括电堆内部任何形式的氢气泄漏检测和电堆外部零部件的氢气泄漏检测。
故障检测方法实施例：
本实施例的燃料电池系统的故障检测方法(以下简称本实施例方法)如图3所示，本实施例方法是在氢气泄漏检测方法实施例中的氢气泄漏检测方法的基础上，进一步实现燃料电池系统的故障检测。其中，本实施例方法能够实现燃料电池系统两种故障类型的检测，一是氢气泄漏故障的检测，一是燃料电池系统零部件异常的检测；其中，氢气泄漏故障的检测方法与氢气泄漏检测方法实施例中的氢气泄漏检测方法相同，不再赘述；燃料电池系统零部件异常的检测是在已判定未出现氢气泄漏的情况下进行的，具体步骤如下：
(1)若在满足P实际＜P目标、且F进＜F目标进、且(F目标进-F进)＞第一设定阈值的持续时间超过第一设定时间时判定燃料电池系统未出现氢气泄漏，则增加氢气进气口处的比例阀的开度，若氢气进气口压力恢复到正常值、且燃料电池系统的输出功率达到目标功率(即P实际＝P目标、且F进＝F目标进)，则判定氢气进气口处的比例阀出现异常，此时控制器可将该异常信息发至后台监控；
(2)若在满足P实际＜P目标、且F出＞F目标出、且(F出-F目标出)＞第二设定阈值的持续时间超过第二设定时间时判定燃料电池系统未出现氢气泄漏，则判定氢气出气口处的排水阀或排氮阀出现异常，此时控制器可将该异常信息发至后台监控。
本实施例方法基于现有燃料电池系统的结构(见图1)，实现了燃料电池系统两种故障类型的检测，一是氢气泄漏故障的检测，一是燃料电池系统零部件异常的检测；利用本实施例方法可以快速发现燃料电池系统的氢气泄漏故障以及零部件异常，帮助维修人员针对性地进行检查，提高维修效率。
燃料电池系统实施例：
本实施例的燃料电池系统包括控制器、燃料电池电堆、氢气浓度传感器和至少一个压力传感器，其中，压力传感器用于检测燃料电池电堆的氢气进气口压力和氢气出气口压力(例如在燃料电池电堆的氢气进气口处、氢气出气口处分别设置一个压力传感器)，控制器连接燃料电池电堆、氢气浓度传感器和各压力传感器，并用于实现一种燃料电池系统的氢气泄漏检测方法，该方法与氢气泄漏检测方法实施例中的燃料电池系统的氢气泄漏检测方法相同，此处不再赘述。
本实施例的燃料电池系统的有益效果是：首先，能够实现燃料电池系统是否出现氢气泄漏的实时在线检测；其次，通过将氢气浓度传感器由常开工作模式调整为根据指令启动的工作模式，可以大幅增加氢气浓度传感器的使用时间，有效降低车辆的使用成本；并且，拥有氢气泄漏的双重检测机制，使氢气泄漏的检测结果更加可靠；另外，还能够实现包括电堆内部任何形式的氢气泄漏检测和电堆外部零部件的氢气泄漏检测。
作为其他实施方式，燃料电池系统中的控制器还能用于实现一种燃料电池系统的故障检测方法，该方法与故障检测方法实施例中的燃料电池系统的故障检测方法相同，此处不再赘述，此时燃料电池系统的有益效果是：能够实现燃料电池系统两种故障类型的检测，一是氢气泄漏故障的检测，一是燃料电池系统零部件异常的检测，可以快速发现燃料电池系统的氢气泄漏故障以及零部件异常，帮助维修人员针对性地进行检查，提高维修效率。
作为其他实施方式，还可以在燃料电池系统中设置报警器，控制器连接报警器，在检测出氢气泄漏或者燃料电池系统零部件异常时进行报警。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统的氢气泄漏检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)设定燃料电池系统的目标输出功率P目标，并实时监测燃料电池系统的实际输出功率P实际、燃料电池电堆的实际氢气进气口压力F进和实际氢气出气口压力F出；
(2)将P实际与P目标进行比较、将F进与F目标进进行比较、并将F出与F目标出进行比较；所述F目标进为P目标对应的正常氢气进气口压力，所述F目标出为P目标对应的正常氢气出气口压力；
(3)当比较结果满足启动条件时，启动氢气浓度传感器检测燃料电池系统中的氢气浓度；所述满足启动条件为满足下述2个条件中的其中一个：条件一为P实际＜P目标、且F进＜F目标进、且(F目标进-F进)＞第一设定阈值的持续时间超过第一设定时间，条件二为P实际＜P目标、且F出＞F目标出、且(F出-F目标出)＞第二设定阈值的持续时间超过第二设定时间；
(4)将检测到的氢气浓度值与氢气泄漏报警阈值进行比较，若检测到的氢气浓度值＞氢气泄漏报警阈值，则判定燃料电池系统出现氢气泄漏；若检测到的氢气浓度值＜氢气泄漏报警阈值，则判定燃料电池系统未出现氢气泄漏，并关闭氢气浓度传感器。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的氢气泄漏检测方法，其特征在于，所述氢气泄漏报警阈值的取值范围为氢气爆炸下限的25％～50％。
3.一种燃料电池系统的故障检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)设定燃料电池系统的目标输出功率P目标，并实时监测燃料电池系统的实际输出功率P实际、燃料电池电堆的实际氢气进气口压力F进和实际氢气出气口压力F出；
(2)将P实际与P目标进行比较、将F进与F目标进进行比较、并将F出与F目标出进行比较；所述F目标进为P目标对应的正常氢气进气口压力，所述F目标出为P目标对应的正常氢气出气口压力；
(3)当比较结果满足启动条件时，启动氢气浓度传感器检测燃料电池系统中的氢气浓度；所述满足启动条件为满足下述2个条件中的其中一个：条件一为P实际＜P目标、且F进＜F目标进、且(F目标进-F进)＞第一设定阈值的持续时间超过第一设定时间，条件二为P实际＜P目标、且F出＞F目标出、且(F出-F目标出)＞第二设定阈值的持续时间超过第二设定时间；
(4)将检测到的氢气浓度值与氢气泄漏报警阈值进行比较，若检测到的氢气浓度值＞氢气泄漏报警阈值，则判定燃料电池系统出现氢气泄漏故障；
(5)若检测到的氢气浓度值＜氢气泄漏报警阈值，则判定燃料电池系统未出现氢气泄漏故障，并关闭氢气浓度传感器；
(6)若在满足条件一时判定燃料电池系统未出现氢气泄漏，则增加氢气进气口处的比例阀的开度，若P实际＝P目标、且F进＝F目标进，则判定氢气进气口处的比例阀出现异常；
(7)若在满足条件二时判定燃料电池系统未出现氢气泄漏，则判断氢气出气口处的排水阀或排氮阀出现异常。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统的故障检测方法，其特征在于，所述氢气泄漏报警阈值的取值范围为氢气爆炸下限的25％～50％。
5.一种燃料电池系统，其特征在于，该燃料电池系统包括控制器、燃料电池电堆、氢气浓度传感器和至少一个压力传感器，其中，压力传感器用于检测燃料电池电堆的氢气进气口压力和氢气出气口压力，所述控制器连接所述燃料电池电堆、氢气浓度传感器和各压力传感器，并用于实现权利要求1或2所述的燃料电池系统的氢气泄漏检测方法。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，该燃料电池系统还包括报警器，所述控制器连接所述报警器。
7.一种燃料电池系统，其特征在于，该燃料电池系统包括控制器、燃料电池电堆、氢气浓度传感器和至少一个压力传感器，其中，压力传感器用于检测燃料电池电堆的氢气进气口压力和氢气出气口压力，所述控制器连接所述燃料电池电堆、氢气浓度传感器和各压力传感器，并用于实现权利要求3或4所述的燃料电池系统的故障检测方法。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，该燃料电池系统还包括报警器，所述控制器连接所述报警器。
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