CN114747058B - 用于诊断燃料电池装置的至少一个燃料电池堆的方法、计算机可读存储介质以及燃料电池诊断系统 - Google Patents

用于诊断燃料电池装置的至少一个燃料电池堆的方法、计算机可读存储介质以及燃料电池诊断系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于借助燃料电池诊断系统(12)对燃料电池装置(18)的至少一个燃料电池堆(20)进行诊断的方法，包括以下步骤：将正弦形的第一交流电施加到燃料电池堆上并将至少一个正弦形的第二交流电施加到燃料电池堆上；检测燃料电池堆的正弦形的第一电压响应和第二电压响应；借助用于差分阻抗分析的分析算法(22)、评估第一交流电压并评估第二交流电压；通过预设用于燃料电池堆(20)的等效电路图(30)来确定燃料电池堆的第一电阻(24)、第二电阻(26)和电容(28)；根据所确定的第一电阻、所确定的第二电阻和所确定的电容对燃料电池堆进行诊断，其中，实时地执行诊断。本发明还涉及一种计算机可读存储介质和一种燃料电池诊断系统。

Description

用于诊断燃料电池装置的至少一个燃料电池堆的方法、计算 机可读存储介质以及燃料电池诊断系统
技术领域
在此公开的技术涉及一种用于借助燃料电池诊断系统诊断燃料电池装置的至少一个燃料电池堆的方法。此外，在此公开的技术涉及一种计算机可读存储介质以及一种燃料电池诊断系统。
背景技术
在现有技术中已知用于诊断燃料电池装置的方法。
发明内容
在此公开的技术的一个优选的目的是，减少或消除在先已知的解决方案的至少一个缺点，或者提出替代的解决方案。在此公开的技术的一个优选的任务尤其是提供一种方法、一种计算机可读存储介质以及一种燃料电池诊断系统，借助所述方法、计算机可读存储介质以及燃料电池诊断系统能执行燃料电池堆的改进的诊断。其他优选的目的可从在此公开的技术的有利效果中得出。
EP 1 501 146 A2规定了一种燃料电池能量产生系统，该燃料电池能量产生系统通过在阴极提供含氧的氧化剂并且在阳极提供含水的燃烧气体来产生能量。此外，本实施方式的燃料电池能量产生系统具有AC信号发生块和电压测量块，该AC信号发生块改变燃料电池的负载电流，该电压测量块测量燃料电池的电压响应。阻抗测量块测量从电压响应和负载电流之间的相位差测量燃料电池的阻抗。运行条件根据阻抗而变化。
所述目的通过如下所述的技术方案来实现。按照本发明的用于借助燃料电池诊断系统对燃料电池装置的至少一个燃料电池堆进行诊断的方法，包括以下步骤：将具有第一频率的正弦形的第一交流电施加到所述燃料电池堆上，并且将具有与所述第一频率不同的第二频率的至少一个正弦形的第二交流电施加到所述燃料电池堆上；检测所述燃料电池堆在第一频率下的正弦形的第一电压响应并且检测所述燃料电池堆在第二频率下的正弦形的第二电压响应；借助用于对燃料电池堆进行差分阻抗分析的分析算法、借助燃料电池诊断系统的电子计算装置，根据第一电压响应评估第一交流电压，并且根据第二电压响应评估第二交流电压，将所检测到的燃料电池堆在不同激励频率下的正弦形的电压响应用于确定电容；根据所述评估通过预设用于所述燃料电池堆的等效电路图来确定所述燃料电池堆的第一电阻、第二电阻和电容，其中，将燃料电池堆在不同激励频率下的正弦形的电压响应用于确定第二电阻；根据所确定的第一电阻、所确定的第二电阻和所确定的电容对所述燃料电池堆进行诊断，其中，实时地执行所述诊断，在具有所述燃料电池诊断系统的机动车的行驶运行期间执行所述诊断；其中，在所述等效电路图中将所述第一电阻预设为所述燃料电池堆的欧姆电阻，将所述第二电阻预设为所述燃料电池堆的电化学电阻，并且将所述电容预设为所述燃料电池堆的视电容。
所公开的技术的一个方面涉及一种用于借助燃料电池诊断系统诊断燃料电池装置的至少一个燃料电池堆的方法。将具有第一频率的正弦形的第一交流电施加到所述燃料电池堆上并且将具有与第一频率不同的第二频率的至少一个正弦形的第二交流电施加到所述燃料电池堆上。检测燃料电池堆在第一频率下的正弦形的第一电压响应，并且检测燃料电池堆在第二频率下的正弦形的第二电压响应。借助用于对燃料电池堆进行差分阻抗分析的分析算法、借助燃料电池诊断系统的电子计算装置，根据第一电压响应对第一交流电压进行评估，并且根据第二电压响应对第二交流电压进行评估。根据所述评估通过预设用于燃料电池堆的等效电路图来确定燃料电池堆的第一电阻、第二电阻和电容。根据所确定的第一电阻、所确定的第二电阻和所确定的电容对燃料电池堆进行诊断。
实时地进行诊断。换言之，尤其是进行燃料电池堆的当前诊断。尤其是，这可以实时地进行。实时尤其是可理解为没有延迟。实时被理解为计算系统的运行，其中用于处理出现的数据的程序持续地这样准备运行，使得处理结果在预定的时间段内可用。数据可根据应用情况按照时间上随机的分布或在预先确定的时间点出现。由此能实现：已经可以提早实施相应的再调节，从而可以延长使用寿命并且可以提高燃料电池堆的或燃料电池的性能并且可以降低燃料消耗。
换言之，在此公开的技术涉及一种用于诊断燃料电池堆的燃料电池诊断系统。燃料电池堆可以具有多个燃料电池。燃料电池装置又可以具有多个燃料电池堆。下面讨论燃料电池堆，其中，类似的公开内容适用于燃料电池。燃料电池堆本身可以在车辆运行期间通常以三个等效电路图构件来电气描述。特别地，在此，第一电阻被描述为燃料电池堆的欧姆电阻，第二电阻被描述为燃料电池堆的电化学电阻，并且电容被描述为视电容。燃料电池堆的视电容在燃料电池系统的正常运行中决定性地与燃料电池堆的电压相关。如果电压与电容的比例小于确定的极限，则存在该燃料电池堆的错误行为。该标准可针对一个燃料电池堆的所有燃料电池同步地检测和跟踪。尤其是对应于第二电阻的电化学电阻以及电容根据燃料电池堆的故障情况、例如燃料电池堆的气体供应不足或水含量过高或过低而不同地表现。因此，故障的识别可以借助第二电阻和电容的组合来进行。
替代地，也可以施加具有第一频率的第一交流电压和具有与第一频率不同的第二频率的第二交流电压，并且检测在第一频率下和在第二频率下相应的电流响应。
特别地，第一电阻可以描述燃料电池堆的干燥。例如，大的欧姆电阻可以描述燃料电池堆的干燥。
为此，例如可以规定，安装在燃料电池诊断系统中的直流电压转换器将正弦形的交流电压施加到燃料电池堆上。交流电压的频率变化。将燃料电池堆在不同激励频率下的正弦形的电压响应用于确定双层电容作为燃料电池堆的电容。进一步地，将燃料电池电堆在不同激励频率下的正弦形的电压响应用于计算电容的第二电阻。电容与电池电压的相关性是在车辆运行中存在故障情况的明确的标准。第二电阻与电容的相关性是故障原因的标准。通过该评估，诊断和识别燃料电池堆运行中的故障情况。
所述分析方法尤其是涉及分析评估，其中，在此尤其预先确定规定数学方程或算法。因此，这不是如在现有技术中所执行的参数拟合。特别地，分析评估具有以下优点：可以以更少的计算耗费并且在更短的时间内执行燃料电池堆的诊断。在分析算法中，尤其是通过数学方程描述第一电阻、第二电阻和电容，从而可以根据所施加的交流电压和电压响应来确定各个参数。因此，尤其是可以实时地并且例如在机动车的行驶运行中执行燃料电池堆的诊断。
燃料电池装置例如可以在机动车中用作能量获取装置。这应理解为纯粹示例性的并且绝不应视为终结的。根据本发明的方法也可以用在具有燃料电池装置的其它设备中。
所提出的诊断技术可以在机动车的行驶运行期间执行。换言之，尤其是进行燃料电池堆的当前诊断。此外，这尤其是可以在机动车的行驶运行期间执行。由此能实现：已经可以提前实施相应的再调节，从而能提高燃料电池堆的或燃料电池的使用寿命和性能并且能降低燃料消耗。
根据这里公开的技术，可以将燃料电池堆的双层电容确定为电容。双层电容尤其是在施加电压之后通过在电极表面和电解质之间的相界处的亥姆霍兹双层中的电荷分离产生。双层电容中的电能静态存储在电场中。通过测量双层电容，尤其是所述运行状态确定可以实时地由所述燃料电池堆执行。特别地，根据双层电容可以确定氢或氧的供应不足。特别是可以规定，例如在确定氢供应不足的情况下或在确定氧供应不足的情况下，可以实现对氢或氧的可能的调节或再调节。这尤其是具有如下优点：在燃料电池装置运行期间可以执行相应的再调节，从而可以实现燃料电池装置的改进的运行。特别地，这可有助于提高燃料电池装置的使用寿命、改善系统性能以及降低燃料消耗。
此外，根据所提出的技术，通过与燃料电池堆的当前电池电压相关地评估所确定的双层电容，可以借助电子计算装置确定故障情况作为诊断。换句话说，可以根据双层电容确定到底是否存在故障。因此，根据当前电池电压的双层电容形成在车辆运行中存在故障情况的明确的标准。例如，于是可以为其中安装有燃料电池装置的机动车的使用者产生信息，并且执行相应的再调节。
此外，本技术可以用于通过确定第一电阻来识别和排除由于燃料电池的聚合物层的干燥对双层电容以及第二电阻的影响。
此外，根据本技术，通过与所确定的第二电阻相关地评估所确定的电容，可以借助电子计算装置确定故障原因作为诊断。因此能实现，除了故障情况外也能确定故障原因，从而能可靠地例如执行再调节。
此外，根据本技术，在等效电路图中，第二电阻与电容可以被预设为并联连接，并且第一电阻可以被预设为与之串联连接，和/或第一电阻可以被预设为燃料电池堆的欧姆电阻，第二电阻可以被预设为燃料电池堆的电化学电阻，并且电容可以被预设为燃料电池堆的视电容。由此能实现，借助简单的等效电路图能电气地描述燃料电池堆。尤其是可以基于此然后借助简单的分析算法来执行对燃料电池堆的当前状态的评估。
此外，在所提出的技术中可以规定，以基本上在100mHz至1kHz之间、优选在100Hz至300Hz之间的频率施加交流电压。特别地，因此可施加在10Hz至1kHz之间的频率作为交流电压。由此能实现，能够在短时间内确定电压响应并且因此能够在短时间内执行整个方法。由此尤其是可以在机动车的行驶运行中实现实时诊断。
此外，所提出的技术可以在确定电容下降和第二电阻保持不变的情况下诊断燃料电池堆中的氢供应不足，或者在确定电容恒定和第二电阻升高的情况下诊断燃料电池堆中的氧供应不足。因此，诊断尤其是可以确定故障原因。例如，在氢供应不足的情况下，可以对氢进行相应的再调节。此外，在确定氧供应不足的情况下，可以实现对氧的相应的再调节。因此，可以可靠地根据所确定的电容和所确定的第二电阻诊断故障原因并且执行相应的再调节。作为电容尤其是可以考虑阳极和阴极的总电容。特别是，总电容被确定为阳极和阴极的各个倒数和的倒数。阳极相对于阴极具有非常高的电容值，使得该电容值由于倒数而几乎没有影响，因此阴极的电容值被视为参考值。如果现在应确定总电容值小于阴极的电容值，则可以推断出氧供应不足。
在所公开的技术中，可以在确定电容下降的情况下考虑燃料电池堆的燃料电池的聚合物膜的当前湿度值。特别地，该聚合物膜的湿度值可以改变，但该湿度值对电容有影响。因此，通过考虑湿度值可以可靠地实现燃料电池堆关于氢供应不足的诊断。
所提出的技术同样涉及一种计算机可读的存储介质，在所述计算机可读的存储介质上存储有程序指令，所述程序指令在通过微处理器执行时促使该微处理器执行根据前述方面的方法。
本技术同样涉及一种燃料电池诊断系统，所述燃料电池诊断系统具有电子计算装置并且具有计算机可读存储介质，其中，燃料电池诊断系统构成为用于执行根据前述方面的方法。特别是，借助燃料电池诊断系统执行该方法。
附图说明
现在借助附图阐述在此公开的技术。图中：
图1示出机动车的示意图，所述机动车具有燃料电池诊断系统；和
图2示出了方法的一种实施方式的流程图的示意图。
具体实施方式
图1以示意性侧视图示出具有燃料电池诊断系统12的机动车10。燃料电池诊断系统12具有至少一个电子计算装置14以及计算机可读存储介质16。机动车10还具有燃料电池装置18。燃料电池装置18尤其是具有多个燃料电池堆20，当前为三个燃料电池堆20。每一个燃料电池堆20又可以具有多个燃料电池。
在本发明中提出的技术涉及一种用于借助燃料电池诊断系统12诊断燃料电池装置18的燃料电池堆20之中的至少一个燃料电池堆的方法。将具有第一频率的正弦形的第一交流电压和具有与第一频率不同的第二频率的至少一个正弦形的第二交流电压施加到燃料电池堆20上。检测燃料电池堆20在第一频率下的正弦形的第一电压响应和燃料电池堆20在第二频率下的正弦形的第二电压响应。借助燃料电池诊断系统12的电子计算装置14、借助用于对燃料电池堆20进行差分阻抗分析的分析算法22，根据第一电压响应对第一交流电压进行评估，并且根据第二电压响应对第二交流电压进行评估。根据评估通过预设用于燃料电池堆20的等效电路图30来确定燃料电池堆20的第一电阻24、第二电阻26和电容28。根据所确定的第一电阻24、所确定的第二电阻26和所确定的电容28对燃料电池堆20进行诊断。
特别是，出现的故障情况可能导致损害系统性能、使用寿命和燃料消耗/系统效率。这些故障情况可以部分地通过为燃料电池装置18的运行策略被截获，然而为此需要实时传输包含关于各个燃料电池的故障行为的信息的数据。这通过所提出的方法是可能的。
尤其是图2示出：在等效电路图30中，第二电阻26与电容28被预设为并联连接，并且第一电阻24被预设为与其串联连接。此外，图1示出：第一电阻24尤其被预设为燃料电池堆20的欧姆电阻，第二电阻26被预设为燃料电池堆20的电化学电阻，并且电容28被预设为燃料电池堆20的视电容。电容28尤其是燃料电池堆的双层电容。
特别是，针对燃料电池堆20提出的方法也可以应用在单个燃料电池中。
在下文描述在图2中示出的备选的实施例时，为与在图1中示出的第一实施例相比在其设计方案和/或作用方式方面相同的和/或至少可相比拟的特征使用相同的附图标记。如果未再次详细解释这些特征，则其设计方案和/或作用方式对应于上文已经描述的特征的设计方案和/或作用方式。
图2以示意图示出了用于实施所述方法的流程图。尤其是图2示出：在第一步骤S1中，安装在燃料电池诊断系统12中的直流电压转换器(其例如也可称为DC/DC转换器)将正弦形的交流电压施加在燃料电池堆20上。在第二步骤S2中，改变正弦形的交流电压的频率。特别是，例如，所施加的交流电压可以基本上在100mHz至1kHz之间、优选地在100Hz至300Hz之间施加。换言之，可以施加在100mHz至1kHz之间的第一频率以及可以施加在100mHz至1kHz之间的第二频率。尤其是可以例如规定，将至少五个不同的频率作为交流电压施加到燃料电池堆20上。在第三步骤S3中将所检测到的燃料电池堆20在不同激励频率下的正弦形的电压响应用于确定电容28、尤其是燃料电池堆20的双层电容。
在第四步骤S4中将燃料电池堆20在不同激励频率下的正弦形的电压响应用于确定第二电阻26。
在第五步骤S5中确定电容28相关于燃料电池堆20的相应电池电压的相关性，其中，该相关性是在燃料电池堆20中存在故障情况的明确的标准。换言之，规定，通过与燃料电池堆20的当前电池电压相关地评估所确定的电容28、尤其是所确定的双层电容，借助电子计算装置14确定故障情况作为诊断。
此外，在第六步骤S6中确定第二电阻26与电容28的相关性，其中，由此可以确定故障原因。换言之，可以规定，通过评估确定的电容28并且根据所确定的第二电阻26，借助电子计算装置14确定故障原因作为诊断。
在第七步骤S7中，通过评估第二电阻26和电容28来诊断和识别燃料电池堆20中的故障情况。为此尤其是可以规定，实时地执行诊断。此外可以规定，在机动车10的行驶运行期间执行诊断。
例如可以规定，在确定电容28下降和第二电阻26保持不变的情况下诊断燃料电池堆20中的氢供应不足，或者在确定电容28恒定和第二电阻26升高的情况下诊断燃料电池堆20中的氧供应不足。例如，便可以规定，在诊断出氢供应不足的情况下，可以借助调节相应地补充氢。替代地，在氧供应不足的情况下可以执行调节，从而可以补充氧。由此例如能实现，提高燃料电池装置18的使用寿命。此外，能提高燃料电池装置18的性能并且能降低燃料消耗。
因此，本发明尤其是利用：与现有技术相反，执行等效电路图30的参数的分析评估。特别是，通过分析评估可以节省计算耗费并且可以按减少时间的方式执行分析。因此，尤其是可以通过尤其是相应于算法的预设的方程实时地执行燃料电池堆20的诊断。因此，没有像现有技术中的情况那样进行参数拟合。在此，本发明尤其是还利用如下认知：电容28是双层电容，由此能够可靠地执行诊断。由此，能够实时地执行燃料电池装置18的运行状态确定。
此外，本发明在此尤其是利用：燃料电池堆20的电容28在燃料电池系统的正常运行中决定性地与燃料电池堆20的电压相关。如果电压与电容28的比例小于确定的界限，则存在燃料电池堆20的错误行为。该标准可针对燃料电池堆的所有电池同步地检测和跟踪。电化学电阻(如其尤其对应于第二电阻26)以及电容28视燃料电池堆20的故障情况，例如在燃料电池的气体供应不足、水含量过高/低的情况下，而不同地表现。因此，故障的识别可以借助第二电阻26和电容28的组合来进行。
在这里公开的技术的上下文中，术语“基本上”分别包括精确的特性或精确的值以及分别对于特性/值的功能不重要的偏差。
本发明的前述描述仅用于说明性目的，而不用于限制本发明的目的。在本发明的范围内，不同的改变和修改是可能的，而不脱离本发明及其等同方案的范围。
附图标记列表
10机动车
12燃料电池诊断系统
14电子计算装置
16计算机可读存储介质
18燃料电池装置
20燃料电池堆
22分析算法
24第一电阻
26第二电阻
28电容
30等效电路图
S1第一步骤
S2第二步骤
S3第三步骤
S4第四步骤
S5第五步骤
S6第六步骤
S7第七步骤

Claims (11)

1.用于借助燃料电池诊断系统(12)对燃料电池装置(18)的至少一个燃料电池堆(20)进行诊断的方法，包括以下步骤：
将具有第一频率的正弦形的第一交流电施加到所述燃料电池堆(20)上，并且将具有与所述第一频率不同的第二频率的至少一个正弦形的第二交流电施加到所述燃料电池堆上；
检测所述燃料电池堆(20)在第一频率下的正弦形的第一电压响应并且检测所述燃料电池堆在第二频率下的正弦形的第二电压响应；
借助用于对燃料电池堆(20)进行差分阻抗分析的分析算法(22)、借助燃料电池诊断系统(12)的电子计算装置(14)，根据第一电压响应评估第一交流电压，并且根据第二电压响应评估第二交流电压，将所检测到的燃料电池堆(20)在不同激励频率下的正弦形的电压响应用于确定电容(28)；
根据所述评估通过预设用于所述燃料电池堆(20)的等效电路图(30)来确定所述燃料电池堆(20)的第一电阻(24)、第二电阻(26)和电容(28)，其中，将燃料电池堆(20)在不同激励频率下的正弦形的电压响应用于确定第二电阻(26)；
根据所确定的第一电阻(24)、所确定的第二电阻(26)和所确定的电容(28)对所述燃料电池堆(20)进行诊断，其中，实时地执行所述诊断，在具有所述燃料电池诊断系统(12)的机动车(10)的行驶运行期间执行所述诊断；
其中，在所述等效电路图(30)中将所述第一电阻(24)预设为所述燃料电池堆(20)的欧姆电阻，将所述第二电阻(26)预设为所述燃料电池堆(20)的电化学电阻，并且将所述电容(28)预设为所述燃料电池堆(20)的视电容。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述燃料电池堆(20)的双层电容确定作为电容(28)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过与所述燃料电池堆(20)的当前电池电压相关地评估所确定的电容(28)，借助所述电子计算装置(14)确定故障情况作为诊断。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过与所确定的第二电阻(26)相关地评估所确定的电容(28)，借助所述电子计算装置(14)确定故障原因作为诊断。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述等效电路图(30)中将所述第二电阻(26)与所述电容(28)预设为并联连接，并且将所述第一电阻(24)预设为与其串联连接。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，以在100mHz至1kHz之间的频率施加所述交流电。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，以在100Hz与300Hz之间的频率施加所述交流电。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在确定所述电容(28)下降和第二电阻(26)保持不变的情况下，诊断所述燃料电池堆(20)中的氢供应不足，或者在确定电容(28)恒定和第二电阻(26)升高的情况下，诊断所述燃料电池堆(20)中的氧供应不足。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在确定所述电容(28)下降的情况下考虑所述燃料电池堆(20)的燃料电池的聚合物膜的当前湿度值。
10.计算机可读存储介质(16)，在所述计算机可读存储介质上存储有程序指令，所述程序指令在通过微处理器执行时促使所述微处理器执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
11.燃料电池诊断系统(12)，所述燃料电池诊断系统具有电子计算装置(14)并且具有计算机可读存储介质(16)，其中，所述燃料电池诊断系统(12)构成为用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
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