CN114914488B - 一种燃料电池缺氢检测与诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池控制技术领域，提供一种根据燃料电池当前运行工况采取不同的缺氢检测方法，针对燃料电池开机与关机工况，检测氢气进口与出口的压力差以及氢气出口压力与目标压力的压力差；针对稳定运行工况和变载工况，检测电堆输出电流波动率在单位时间内的变化量；从而实现燃料电池运行全工况领域是否存在缺氢异常，当检测的压力差或电流波动率超过设定阈值，燃料电池域控制器判断为电堆阳极缺氢，采取系统降功率或关机等操作，故障阈值由膜电极MEA活性面积、催化剂配方、双极板流场结构、衰减程度等参数进行修正，从而在燃料电池系统控制方面达到抗反极的效果。本发明可以有效的预防缺氢对电堆的破坏，延长燃料电池使用寿命。

Description

一种燃料电池缺氢检测与诊断方法

技术领域

本发明涉及燃料电池控制技术领域，更为具体地说是指一种燃料电池缺氢检测与诊断方法。

背景技术

燃料电池通过氢气与氧气(来自于空气)发生电化学反应产生电能的一种发电装置。由于质子交换膜燃料电池具有转化效率高、零排放、环境适应性高等特点，被认为是一种具有前途的清洁能源，在汽车方面已经得到国家及地方示范推广与应用。

车辆在实际使用燃料电池过程中，氢气要从车载储氢瓶通过管道与减压等装置输送到电堆入口处，再进入电堆内部双极板阳极流道中，通过扩散层扩散到催化层，在催化层遇上了催化剂进行反应。若燃料电池出现排气故障、快速变载、杂质堵塞气体传输通道、水淹、操作失误等原因引起的阳极欠气，使得阳极电势逐渐高于阴极电势，发生了反极。此时为了维持电荷平衡，在阳极高电位下，会同时发生水电解和碳腐蚀反应，对燃料电池的质子交换膜造成严重且不可逆的损害，反极发生时还会产生大量的热量，这些热量可能会严重加剧质子交换膜的降解从而形成孔洞，不仅降低了开路电压，更有甚者阴阳极可以透过这些孔洞引起氢空短接，从而发生更严重的事故。

传统的燃料电池阳极缺氢检测一般需要一套电压巡检模块，例如：公开号为CN107452974B的发明专利提供缺氢判断方法及缺氢判断装置。缺氢判断方法是具有多个单电池组的燃料电池的缺氢判断方法，包括：基准值存储工序，将从燃料电池排出氢废气且供给了氢气及氧化气体的状态下的阻抗的值存储为基准值；测定值计算工序，基于单电池组的电压和燃料电池的电流来计算阻抗的测定值。该专利采用阻抗检测法，但适用单电池组的电压和所述燃料电池的电流来计算阻抗，需要一套电压巡检模块，与当前市场上匹配状态不符，无法实现产品高性价比。

公开号为CN 110021769A的中国发明专利通过响应于对累积电荷密度进行确定而借助控制器对电流密度进行积分来诊断燃料电池反极事件。当累积电荷密度超出阈值时控制器执行控制动作，包括记录指示事件严重性的诊断代码。控制动作可以包括当累积电荷密度超出第一阈值时在降低的功率能力下继续运行电池堆以及当累积电荷密度超出更高的第二阈值时关闭电池堆。该事件可以通过计算平均电池电压与最小电池电压之间的电压差，然后确定该差是否超出电压差阈值来检测。该专利通过对电流密度进行积分诊断，然而燃料电池实际运行过程中，电流密度的积分值与当前输出电流大小、拉载时间长短、电堆及BOP响应时间等有关，缺氢主要表现电流或电压的波动。同时计算最小电池电压也需要增加一套电压巡检模块。

目前，也有基于电流密度分布对燃料电池的水淹进行诊断，如公开号为CN113793958A的发明专利公开了一种基于电流密度分布的燃料电池水淹诊断方法。利用燃料电池控制系统运行单体电池并达到稳定状态，记录稳定状态下燃料电池的电流密度分布并计算RSD值，监测电流密度分布的瞬态变化，计算每个时刻电流密度的RSD值判断燃料电池是否发生水淹。该专利虽然是检测燃料电池是否发生水淹(水淹会导致局部缺氢)，但该专利只针对燃料电池运行至稳定工况，其实在开关堆和变载工况更容易出现缺氢异常，同时电流密度计算的RSD值数据分布均匀性不明显，只有发生很严重时，RSD值才可以观测出现。如果使用RSD值，需要严格的标定数据，对燃料电池电堆本身就是一个危险的测试。

另外，公开号为CN 112582652A的发明专利公开一种监测质子交换膜燃料电池反极程度的方法，该方法首先测定燃料电池不同时间的电压及内阻，接着根据电压-时间曲线确定出水电解平台区域对应的内阻值，然后将燃料电池实际使用过程中监测到的内阻值与上述水电解平台区域内阻值进行比较，低于该值则判定电池状态正常，反之则发生了不同程度的反极并需要采取相应的措施。该专利介绍一种反极的检测方法，基于电压与内阻值进行对比判断，但是实际系统内阻测试需要一套复杂的测试设备，而且与系统运行的功率、温度、MEA性能等息息相关，同时需要一系列的测试数据进行标定。

发明内容

本发明提供一种燃料电池缺氢检测与诊断方法，以克服现有燃料电池阳极缺氢检测一般需要电压巡检模块，无法实现产品高性价比等缺点。

本发明采用如下技术方案：

一种燃料电池缺氢检测与诊断方法，包括由燃料电池电堆、空气子系统、氢气子系统、热管理子系统、水管理子系统及电控子系统组成的燃料电池系统，其特征在于，具体步骤如下：

(1)、燃料电池系统在接收到开机指令后，执行开机程序，实时检测燃料电池电堆氢气进口压力P₁与出口压力P₂，判断以下是否同时满足：P₁与P₂之间的压力差ΔP₃小于设定的压力差阈值P₃₀，且P₂在当前设定目标压力阈值P₂₀的10％范围内；若同时满足进入步骤(3)，只要有一个无法满足则进入步骤(2)；

(2)、调整氢气子系统PCV比例阀开度和氢循环泵转速，若压力差ΔP₃仍超过设定故障阈值P₃₁或者氢气出口压力P₂超过当前设定目标压力阈值P₂₀的15％范围，则执行应急关机程序，其中P₃₁＞P₃₀，否则返回步骤(1)；

(3)、燃料电池系统进入怠速及以上功率稳定运行工况，计算n个燃料电池电堆电流的波动率C_AS，若当前电流波动率C_AS超过C_AS0，则燃料电池慢速降载至怠速工况；若当前电流波动率C_AS超过C_AS1，其中，C_AS1＞C_AS0，则执行应急关机程序，否则进入步骤(4)；

(4)、判断燃料电池系统进入是否处于变载工况，若是计算m个燃料电池电堆电流的波动率C_AF，若当前电流波动率C_AF超过C_AF0，燃料电池系统停止变载，进入稳定运行工况；若当前电流波动率C_AF超过C_AF1，其中，C_AF1＞C_AF0＞C_AS1＞C_AS0，则执行应急关机程序，否则进入步骤(5)；

(5)、燃料电池系统是否收到关机指令，若是执行关机程序，并实时检测燃料电池电堆氢气进口压力P1与出口压力P₂，判断以下是否同时满足：P₁与P₂之间的压力差ΔP₃小于设定的压力差阈值P₃₀，且P₂在当前设定目标压力阈值P₂₀的10％范围内；若同时满足则直接关机，只要有一个无法满足则进入步骤(6)；

(6)、调整氢气子系统PCV比例阀开度和氢循环泵转速，若压力差ΔP₃仍超过设定故障阈值P₃₁或者氢气出口压力P₂超过当前设定目标压力阈值P₂₀的15％范围，则执行应急关机程序。

一较佳实施方案中，上述电流波动率C_AS表示为

其中，n为燃料电池稳定运行工况下，电堆输出电流的采样个数；I_i为燃料电池域控制器每个采样周期T₀读取的燃料电池电堆输出电流；

为n个采样周期T₀内，燃料电池电堆输出电流的平均值。

一较佳实施方案中，上述电流波动率C_AF表示

其中，m为燃料电池变载运行工况下，电堆输出电流的采样个数；I_i为燃料电池域控制器每个采样周期T₀读取的燃料电池电堆输出电流；

为m个采样周期T₀内，燃料电池电堆输出电流的平均值；电堆输出电流的采样个数n＞m。

一较佳实施方案中，每套燃料电池系统的电流波动率故障阈值C_AF1、C_AF0、C_AS1、C_AS0以及电堆输出电流的采样个数n、m参数根据膜电极MEA活性面积、催化剂配方、双极板流场结构、衰减程度进行修正。

一较佳实施方案中，上述步骤(4)中判断燃料电池系统进入变载工况的条件是燃料电池域控制器发送目标运行功率不等于当前DCDC变频器输出拉载功率。

一较佳实施方案中，上述步骤(6)执行应急关机程序后，缩短气体吹扫时间，同时将故障信息通过故障等级和故障代码告知整车，且将故障信息储存到域控制器内部，若故障解决，则需下次域控制器上电进行人工清除故障信息。

由上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明根据燃料电池当前运行工况采取不同的缺氢检测方法，针对燃料电池开机与关机工况，检测氢气进口与出口的压力差以及氢气出口压力与目标压力的压力差；针对稳定运行工况和变载工况，检测电堆输出电流波动率在单位时间内的变化量；从而实现燃料电池运行全工况领域是否存在缺氢异常，当检测的压力差或电流波动率超过设定阈值，燃料电池域控制器判断为阳极缺氢，采取系统降功率或关机等操作，故障阈值由膜电极MEA活性面积、催化剂配方、双极板流场结构、衰减程度等参数进行修正，从而在燃料电池系统控制方面达到抗反极的效果。本发明方法具有操作简单、结果准确、容易实现等优点，可以有效的预防缺氢对电堆的破坏，延长燃料电池使用寿命。

2、本发明优化了燃料电池系统产品架构，取消电压巡检模块，采用系统本身必备的压力传感器、电流传感器等信号，通过数据处理与故障诊断策略，寻找一套燃料电池发生缺氢严重故障的检测方法，同时提出一套分级的缺氢故障诊断措施，有效降低缺氢带来的损失。

3、本发明的电流波动率表示为

该公式可以计算当前燃料电池输出的电流在采样周期内的波动情况，突显电流数据分布均匀性。在发生缺氢工况下，结果层次分明，数据响应迅速，在实际应用中起到关键作用。

附图说明

图1为本发明燃料电池系统的结构示意图。

图2为本发明缺氢检测控制流程图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。对于公知的组件、方法及过程，以下不再详细描述。

参照图1，本发明的燃料电池系统由燃料电池电堆1、氢气子系统10、空气子系统20、热管理子系统30、水管理子系统、电控子系统40等组成，其中燃料电池电堆是整个系统核心部件，其余子系统均为燃料电池电堆提供发电的外在条件。

氢气子系统10，作用是将车载储氢瓶的高压氢气通过调压后供应给燃料电池电堆，确保提供足够压力和流量的氢气，避免燃料电池电堆内部因氢气缺少而导致反极的发生，同时通过氢循环泵将反应剩余的氢气再次利用，同时可以给前端干燥的氢气进行加湿，提高燃料电池电堆内部催化效率。氢气子系统包括高压气瓶组、主氢阀及PCV比例阀，高压气瓶组的出气端依次通过主氢阀、PCV比例阀与燃料电池电堆连接，为燃料电池电堆供应足够压力和流量的氢气。在氢循环泵前面设置一个排气排水电磁阀，用于定时周期性排气和排水，从而避免因氢气子系统集聚过多的氮气和电化学生成的水导致发电效率低、缺氢、水淹等严重安全隐患。在整个氢气子系统中，燃料电池电堆氢气入口和出口均布置压力传感器，由燃料电池域控制器检测压力值，该压力值分别为P1和P2。

空气子系统20，作用是供应燃料电池发电所需要的氧气，通过空压机加压到设定压力，然后通过中冷器进行降温，再通过加湿器进行气体加湿，确保电堆内部质子交换膜有一定的湿度能够高效传递氢质子，其中加湿气体来自燃料电池电堆反应完成的尾气。在整个空气子系统中，燃料电池电堆空气入口和出口分别布置压力传感器和温度传感器，由燃料电池域控制器检测压力值，该值分别为P3和P4。

热管理子系统30，作用是承担燃料电池电堆内部的热量管理，避免内部产生的热量促使温度过高，从而损坏燃料电池内部的催化剂。热管理子系统有大循环和小循环冷却系统，在冷却液温度低时，冷却液先后通过燃料电池电堆、水泵、加热器、节温器、燃料电池电堆，同时加热器处于加热状态，快速提供冷却液温度，达到催化剂正常工作温度；当冷却液温度较高时，通过调整节温器水冷方向，冷却液先后通过燃料电池电堆、水泵、散热器、节温器、燃料电池电堆，此时加热器处于关机状态。在整个热管理子系统中，燃料电池电堆冷却液出口和入口均布置温度传感器，由燃料电池域控制器检测冷却液温度值，该值分别为T1和T2。

水管理子系统，作用是调节燃料电池电堆内部的水含量，避免电堆内部出现干燥和水淹。其中水含量过多将发生水淹现象，将会堵塞气体流道或气体传输孔道，影响气体的分配和传输，导致反应气体在电堆单片不同区域分配不均匀，单片性能参差不齐，影响电堆性能及使用寿命。通过域控制器内部的控制算法检测与诊断电堆内部水管理分布情况，调节电堆功率输出策略，保持电堆内部水平衡，提高电堆性能和延长电堆使用寿命。

电控子系统40，作用是通过燃料电池域控制器采集压力、温度、湿度等传感器信号以及CAN通讯报文，按照设定的控制算法及策略，输出控制指令到执行器，同时还可以进行故障检测与诊断。其中电控子系统有一个DC/DC变换器，利用燃料电池电堆输出的电压进行升压到整车动力电池电压平台，燃料电池电堆与DC/DC变换器之间有电压传感器和电流传感器，分别检测燃料电池电堆输出的直流电压和电流。

由于燃料电池开关机过程存在电堆输出电流为零的情况，甚至电流瞬间波动较大的工况，无法判断电堆电流的波动率，而采用电堆进出口压力差与目标设定压力差直接判断电堆内部是否存在氢气不足的异常。

参照图2，本发明燃料电池缺氢检测与诊断方法，具体流程如下：

燃料电池系统在接收到开机指令后，按照既定的控制策略执行开机程序，实时检测燃料电池电堆氢气进口压力P₁与出口压力P₂之间的压力差ΔP₃，满足压力差ΔP₃小于设定的压力差阈值P₃₀，同时检测燃料电池电堆氢气出口压力P₂在当前设定目标压力阈值P₂₀的10％范围内。以上两种条件只要超过其中一种设定阈值，则燃料电池域控制器根据PID控制算法快速调整氢气子系统PCV比例阀开度和氢循环泵转速；若压力差ΔP₃仍超过设定故障阈值P₃₁或者氢气出口压力P₂超过当前设定目标压力阈值P₂₀的15％范围，则域控制器执行应急关机程序，确保氢气子系统氢气压力稳定。

燃料电池系统开机成功后，处于怠速稳定运行工况，燃料电池电堆氢气进口压力P₁与出口压力P₂维持相对稳定。据燃料电池电化学公式可知，燃料电池电堆的氢气消耗量直接决定电堆的输出电流大小，此时通过燃料电池电堆的输出电流波动率间接判断是否存在电堆内部局部缺氢气。电流波动率可表示

其中n为燃料电池稳定运行工况下，电堆输出电流的采样个数；I_i为燃料电池域控制器每个采样周期T₀读取的燃料电池电堆输出电流；

为n个采样周期T₀内，燃料电池电堆输出电流的平均值。

以上电流波动率适用燃料电池系统全功率段稳定运行工况，在燃料电池域控制发送DCDC变频器拉载电流进入稳定阶段时，开始对燃料电池电堆实时输出电流进行计数，直至达到n个I_i，通过对n个I_i计算电流波动率C_AS。若当前电流波动率超过C_AS0，燃料电池域控制器按照慢速降载斜率将运行功率降低至怠速工况，再观察电流波动率是否稳定；若当前电流波动率超过C_AS1，燃料电池域控制器按照应急关机流程，将燃料电池系统快速进行停机操作。其中，电流波动率C_AS1＞C_AS0

若燃料电池域控制器发送目标运行功率不等于当前DCDC变频器输出拉载功率，燃料电池系统将进入功率变载工况(包括功率拉载和功率降载)，此时若DCDC变频器拉载速度过快，氢气子系统进出口压力控制容易出现不稳定，极易出现燃料电池电堆内部缺氢的安全隐患，因此可采用电流波动率表示

其中m为燃料电池变载运行工况下，电堆输出电流的采样个数；I_i为燃料电池域控制器每个采样周期T₀读取的燃料电池电堆输出电流；

为m个采样周期T₀内，燃料电池电堆输出电流的平均值。

以上电流波动率适用燃料电池系统全功率段变载工况(即不稳定运行工况)，在燃料电池域控制发送DCDC变频器拉载电流开始变化时，对燃料电池电堆实时输出电流进行计数，直至达到m个I_i，通过对m个I_i计算电流波动率C_AF。若当前电流波动率超过C_AF0，燃料电池域控制器停止变载，再观察电流波动率是否稳定，参考稳定运行工况下电流波动率C_AS；若当前电流波动率超过C_AF1，燃料电池域控制器按照应急关机流程，将燃料电池系统快速进行停机操作。其中电流波动率C_AF1＞C_AF0＞C_AS1＞C_AS0，且采样电流个数满足n＞m。

燃料电池系统在接收到关机指令后，按照既定的控制策略执行关机程序，同时实时检测燃料电池电堆氢气进口压力P₁与出口压力P₂之间的压力差ΔP₃，满足压力差ΔP₃小于设定的压力差阈值P₃₀同时检测燃料电池电堆氢气出口压力P₂在当前设定目标压力阈值P₂₀的10％范围内。以上两种条件只要超过其中一种设定阈值，则域控制器将执行根据PID控制算法快速调整氢气子系统PCV比例阀开度和氢循环泵转速；若压力差ΔP₃仍超过设定故障阈值P₃₁或者氢气出口压力P2超过当前设定目标压力阈值P₂₀的15％范围，则域控制器执行应急关机程序，缩短气体吹扫时间，同时将故障信息通过故障等级和故障代码告知整车，且将故障信息储存到域控制器内部，若故障解决，则需下次域控制器上电进行人工清除故障信息。

以上各工况触发燃料电池电堆内部缺氢时，燃料电池域控制器将通过CAN报文发送整车控制器VCU关于燃料电池系统的故障等级和故障代码，通过整车仪表声光报警提醒驾驶员，联系相关人员进行排查，避免发生严重的燃料电池电堆烧毁。

由于燃料电池电堆内部膜电极MEA活性面积、催化剂配方、双极板流场结构、衰减程度等参数不同，每套燃料电池系统的电流波动率故障阈值C_AF1、C_AF0、C_AS1、C_AS0以及电堆输出电流的采样个数n、m等参数需要台架测试进行标定。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (4)

1.一种燃料电池缺氢检测与诊断方法，包括由燃料电池电堆、空气子系统、氢气子系统、热管理子系统、水管理子系统及电控子系统组成的燃料电池系统，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1)、燃料电池系统在接收到开机指令后，执行开机程序，实时检测燃料电池电堆氢气进口压力P₁与氢气出口压力P₂，判断以下是否同时满足：P₁与P₂之间的压力差ΔP₃小于设定的压力差阈值P₃₀，且P₂在当前设定目标压力阈值P₂₀的10％范围内；若同时满足进入步骤3)，只要有一个无法满足则进入步骤2)；

步骤2)、调整氢气子系统PCV比例阀开度和氢循环泵转速，若压力差ΔP₃仍超过设定故障阈值P₃₁，或者氢气出口压力P₂超过当前设定目标压力阈值P₂₀的15％范围，则执行应急关机程序，其中P₃₁＞P₃₀，否则返回步骤1)；其中，燃料电池系统开机成功后，处于怠速稳定运行工况， P1与P2维持相对稳定，通过燃料电池电堆的输出电流波动率间接判断是否存在燃料电池电堆内部局部缺氢气，其中，电流波动率C_AS表示为该电流波动率C_AS适用燃料电池系统全功率段稳定运行工况；

步骤3)、燃料电池系统进入怠速及以上全功率段稳定运行工况，计算n个燃料电池电堆输出电流的波动率C_AS，若当前电流波动率C_AS超过C_AS0，则燃料电池慢速降载至怠速工况；若当前电流波动率C_AS超过C_AS1，其中，C_AS1＞C_AS0，则执行应急关机程序，否则进入步骤4)；

步骤4)、判断燃料电池系统进入是否处于变载工况，若是，计算m个燃料电池电堆输出电流的波动率C_AF，若当前电流波动率C_AF超过C_AF0，燃料电池系统停止变载，进入稳定运行工况；若当前电流波动率C_AF超过C_AF1，其中，C_AF1＞C_AF0＞C_AS1＞C_AS0，则执行应急关机程序，否则进入步骤5)，其中，电流波动率C_AF表示为 n为燃料电池稳定运行工况下，电堆输出电流的采样个数；m为燃料电池变载运行工况下，电堆输出电流的采样个数；I_i为燃料电池域控制器每个采样周期T₀读取的燃料电池电堆输出电流；分别对应为n或m个采样周期T₀内，燃料电池电堆输出电流的平均值；电堆输出电流的采样个数n＞m ；C_AF1、C_AF0、C_AS1、C_AS0为燃料电池系统的电流波动率故障阈值；

步骤5)、燃料电池系统是否收到关机指令，若是，执行关机程序，并实时检测燃料电池电堆氢气进口压力P₁与氢气出口压力P₂，判断以下是否同时满足：P₁与P₂之间的压力差ΔP₃小于设定的压力差阈值P₃₀，且P₂在当前设定目标压力阈值P₂₀的10％范围内；若同时满足则直接关机，只要有一个无法满足则进入步骤6)；

步骤6)、调整氢气子系统PCV比例阀开度和氢循环泵转速，若压力差ΔP₃仍超过设定故障阈值P₃₁，或者氢气出口压力P₂超过当前设定目标压力阈值P₂₀的15％范围，则执行应急关机程序。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池缺氢检测与诊断方法，其特征在于：每套燃料电池系统的电流波动率故障阈值C_AF1、C_AF0、C_AS1、C_AS0以及电堆输出电流的采样个数n、m参数根据膜电极MEA活性面积、催化剂配方、双极板流场结构、衰减程度进行修正。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池缺氢检测与诊断方法，其特征在于：所述步骤4)中判断燃料电池系统进入变载工况的条件是燃料电池域控制器发送目标运行功率不等于当前DCDC变频器输出拉载功率。

4.如权利要求1所述的一种燃料电池缺氢检测与诊断方法，其特征在于：所述步骤6)执行应急关机程序后，缩短气体吹扫时间，同时将故障信息通过故障等级和故障代码告知整车，且将故障信息储存到域控制器内部，若故障解决，则需下次域控制器上电进行人工清除故障信息。

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