CN116505030A - 一种燃料电池系统的中冷器漏气诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃料电池系统的中冷器漏气诊断方法，首先在燃料电池系统运行前，对中冷器冷却腔的冷却液压力进行检测，并与诊断压力P比较，若中冷器冷却腔的冷却液压力大于诊断压力P，则判定中冷器内部发生漏气状况；若中冷器冷却腔的冷却液压力等于诊断压力P，则判定中冷器内部正常；然后在燃料电池系统运行过程中，对中冷器冷却腔的冷却液压力进行检测，并与压力阈值P1比较，若中冷器冷却腔压力等于压力阈值P1，则判定中冷器内部无漏气，否则判断电堆的单电池最小电压与单电池平均电压之差是否大于电压阈值，若是则判定中冷器内部漏气，若否则判断中冷器正常。本发明在不增加额外的检测设备下，能够快速诊断中冷器是否发生异常。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统的中冷器漏气诊断方法。
背景技术
燃料电池系统一般都包括氢气子系统、空气子系统和冷却液子系统，氢气和空气中的氧气在燃料电池系统的电堆内部进行电化学反应，为了使得电化学反应处于最优的反应状态，冷却液子系统控制电堆处于理想的温度状态。
其中，空气子系统中空气的供应是需要通过空压机将外界的空气高压输送进去电堆，而空气在通过空压机高压输送后，会变成高温空气，而高温空气会严重影响电堆内部的电化学反应，因此需要对高温空气进行冷却。
现有技术中，一般是通过增设一个中冷器对高温空气进行冷却。中冷器内部主要分成水路和空路，水路和空路交错设计，高温空气通过空路时，高温空气接触水路外壁，水路降低空气温度。水路的冷却液连通了冷却液子系统，冷却液子系统间接对高温空气进行冷却。正常情况下，中冷器的水路和空路是断绝开的，水路的水不会进入空路，空路的空气不会进入水路。
然而，当中冷器的水路和空路之间发生渗透情况下，即代表中冷器已发生损坏，空气就会渗透入冷却液子系统中，而冷却液子系统中的冷却液就会渗透入空气子系统中，这样就会极大破坏了冷却液子系统的冷却作用，久而久之会造成冷却液子系统失效，而且冷却液渗透进去空气子系统中，冷却液进入电堆阴极，会造成水淹，电化学反应效率大大降低。对应中冷器的损坏，严重的话会使得整个燃料电池系统无法运行。
因此，需要实时或者定期对中冷器进行检测，检测其是否发生渗水或漏气状况。由于燃料电池系统在燃料电池汽车的内部，很难肉眼判断对中冷器进行检测。现有技术中，一般都是燃料电池系统发生状况的时候，拆开燃料电池系统再拆开中冷器，并查看中冷器是否发生损坏情况，费时费力，并且是燃料电池系统已经处于异常状态了；或者，需要对中冷器外接一个检测设备，来实时检测中冷器是否发生异常，这样会增加燃料电池系统的成本。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池系统的中冷器漏气诊断方法，在不增加额外的检测设备下，能够快速诊断中冷器是否发生异常，省时省力，并大大节约诊断成本。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池系统的中冷器漏气诊断方法，所述燃料电池系统包括电堆、空压机、旁通阀、背压阀、进气隔离阀、高温膨胀水箱、水泵以及散热器，所述电堆包括空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口；所述燃料电池系统还包括中冷器和三通阀，所述中冷器包括空气腔和冷却腔，空气腔包括热空气入口和冷空气出口，冷却腔包括中冷器冷却液入口和中冷器冷却液出口，所述空压机连接中冷器的热空气入口，中冷器的冷空气出口通过进气隔离阀连接电堆的空气入口，中冷器的冷空气出口连接旁通阀，电堆的空气出口连接背压阀；所述三通阀包括A端、B端和C端，电堆的冷却液出口、高温膨胀水箱、水泵、散热器以及三通阀的B端依次连接，三通阀的C端连接电堆的冷却液入口和中冷器的中冷器冷却液入口，中冷器的中冷器冷却液出口连接电堆的冷却液出口，水泵出口连接三通阀的A端，电堆的冷却液出口连接水泵入口；电堆的冷却液出口连接高温膨胀水箱入口；高温膨胀水箱出口连接水泵入口；
所述中冷器漏气诊断方法包括以下步骤：
确定中冷器冷却腔诊的诊断压力P；
燃料电池系统运行前，打开三通阀且三通阀开度为E，开启水泵并控制水泵的转速为n1；检测中冷器冷却腔压力是否等于诊断压力P，若等于则进入下一步；若中冷器冷却腔压力小于诊断压力P，则维持水泵运作，直至中冷器冷却腔压力恢复至诊断压力P；
中冷器冷却腔压力等于诊断压力P，维持水泵转速为n1和三通阀开度为E；进气隔离阀和背压阀处于关闭状态，开启空压机，控制空压机的转速为n2，调整旁通阀使得中冷器空气腔压力大于诊断压力P；检测中冷器冷却腔的冷却液压力是否大于诊断压力P，若中冷器冷却腔的冷却液压力大于诊断压力P，则判定中冷器内部发生漏气状况；若中冷器冷却腔的冷却液压力等于诊断压力P，则判定中冷器内部正常；
其中，所述三通阀开度为E，即三通阀的B端开度为E，A端开度为F，C端开度为全开状态，E+F=100%，E大于F。
进一步的，所述确定中冷器冷却腔诊的诊断压力P，其具体为：燃料电池系统在启动前，对中冷器进行压力测试，打开三通阀且三通阀开度为E，开启水泵并控制水泵转速为n1，检测此时的中冷器冷却腔压力即为诊断压力P。
进一步的，所述的一种燃料电池系统的中冷器漏气诊断方法，还包括以下步骤：
确定中冷器冷却腔诊的压力阈值P1；
启动燃料电池系统，使燃料电池系统处于设定功率W运行，并控制进气隔离阀、旁通阀和背压阀开度，以及控制空压机转速，使得中冷器空气腔压力大于压力阈值P1；水泵转速控制为n3，将三通阀开度调为G，判断中冷器冷却腔压力是否在压力阈值P1，若中冷器冷却腔压力等于压力阈值P1，则判定中冷器内部正常；所述三通阀开度调为G，即三通阀的B端开度为G，A端开度为H，G+H=100%，C端开度为全开状态；
当中冷器冷却腔压力大于压力阈值P1，则打开散热器的高温风扇排气口，排出冷却液中的空气；当中冷器冷却腔压力达到压力阈值P1后，关闭散热器的高温风扇排气口，经过设定时间段后，重新判断中冷器冷却腔压力是否等于压力阈值P1，若中冷器冷却腔压力等于压力阈值P1，则判定中冷器内部无漏气；如果中冷器冷却腔压力大于压力阈值P1，停止运行燃料电池系统运行，并静置燃料电池系统一段时间t，重新启动燃料电池系统运行，检测电堆电压，判断电堆的单电池最小电压与单电池平均电压之差是否大于电压阈值，若是则判定中冷器内部漏气；若电堆的单电池最小电压与单电池平均电压之差小于等于电压阈值，则判断中冷器正常。
进一步的，所述确定中冷器冷却腔诊的压力阈值P1，具体为：控制燃料电池系统处于设定功率W运行，并控制水泵转速为n3，将三通阀开度调为G，检测此时的中冷器冷却腔压力即为压力阈值P1。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明能够快速诊断中冷器是否发生异常，在不增加额外的检测设备下，省时省力，并大大节约诊断成本；本发明通过二次诊断，能够保证中冷器漏气诊断过程更加可靠。
附图说明
图1为本发明燃料电池系统的结构示意图。
图2为本发明中冷器的结构示意图。
图3为本发明燃料电池系统在启动前中冷器漏气诊断方法的步骤流程框图。
图4为本发明燃料电池系统在运行中中冷器漏气诊断方法的步骤流程框图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
本实施例公开一种燃料电池系统，如图1所示，包括电堆1、供氢单元2、引射器3、气水分离器4、空压机5、中冷器6、旁通阀7、背压阀8、进气隔离阀9、高温膨胀水箱10、水泵11、散热器12以及三通阀13，所述电堆1包括氢气入口、氢气出口、空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口。
供氢单元2、引射器3和电堆1的氢气入口依次连接，电堆1的氢气出口连接气水分离器4，气水分离器4连接引射器3，气水分离器4用于将氢气出口的混合气体（水蒸气和氢气）进行气水分离，将分离的水进行存储以及将分离的氢气重新输入至引射器3；明显的，电堆1、供氢单元2、引射器3和气水分离器4形成燃料电池系统的氢气子系统。
如图2所示，中冷器6包括空气腔和冷却腔，空气腔包括热空气入口和冷空气出口，冷却腔包括中冷器冷却液入口和中冷器冷却液出口，空压机5连接中冷器6的热空气入口，中冷器6的冷空气出口通过进气隔离阀9连接电堆1的空气入口，中冷器6的冷空气出口连接旁通阀7，电堆1的空气出口连接背压阀8；明显的，电堆1、空压机5、中冷器6、旁通阀7、背压阀8和进气隔离阀9形成燃料电池系统的空气子系统。
所述三通阀13包括A端、B端和C端，电堆1的冷却液出口、高温膨胀水箱10、水泵11、散热器12以及三通阀13的B端依次连接，三通阀13的C端连接电堆1的冷却液入口和中冷器6的中冷器冷却液入口，中冷器6的中冷器冷却液出口连接电堆1的冷却液出口，水泵11出口连接三通阀13的A端，电堆1的冷却液出口连接水泵11入口；电堆1的冷却液出口连接高温膨胀水箱10入口；高温膨胀水箱10出口连接水泵11入口；明显的，电堆1、高温膨胀水箱10、水泵11、散热器12以及三通阀13形成燃料电池系统的冷却子系统。另外，冷却子系统还作用于中冷器6，冷却液带走中冷器6的热量，使得通过中冷器6的热空气变成冷空气。所述散热器12包括高温风扇排气口121，所述高温风扇排气口121也用于排出冷却液中的空气，高温膨胀水箱排气较慢，当高温膨胀水箱内部空气压力大于等于1.5bara才开始排气，而直接打开高温风扇排气口121即可实现快速排气。
本实施例公开一种燃料电池系统的中冷器漏气诊断方法，其应用于上述燃料电池系统内，如图3所示，包括以下步骤：
燃料电池系统在启动前，需要对中冷器进行压力测试，来获取中冷器冷却腔诊的诊断压力P，具体为：打开三通阀13且三通阀开度为E，即三通阀13的B端开度为E，A端开度为F，C端开度是无需控制的且一直都是全开状态，E+F=100%，E大于F，优选的，开度E设为60%，则开度F为40%；开启水泵11并控制水泵11转速为n1，检测此时的中冷器冷却腔压力即为诊断压力P，所述转速n1优选设为2000rpm；
由于各个燃料电池系统的功率不一致，中冷器规格、三通阀规格以及空冷器规格也会不一致，因此获取到的中冷器的诊断压力P，对于每个燃料电池系统来说都会不一致，对于具体的三通阀开度、水泵11转速以及下述的空压机转速是不能唯一确定的；
燃料电池系统运行前，打开三通阀13且三通阀开度为E，开启水泵11并控制水泵11的转速为n1；从电堆1冷却液出口出来的冷却液，一部分冷却液直接进入水泵11，另一部分冷却液通过高温膨胀水箱10后再进入水泵11，高温膨胀水箱10用于排出混入冷却液中的气体；检测中冷器冷却腔压力是否等于诊断压力P，若等于则进入下一步；中冷器冷却腔压力小于诊断压力P，则意味着冷却子系统的冷却液中渗有空气（可能是上一次燃料电池系统运行过程中冷却液渗入了空气），而冷却液中渗有空气则会使得中冷器冷却腔压力低于诊断压力P，需要维持水泵11运作，直至冷却液中的空气完全从高温膨胀水箱10，当冷却液中的空气完全排除来后，中冷器冷却腔压力就会恢复至诊断压力P，此过程主要用于排出冷却液渗有的空气；此过程中，就算中冷器冷却腔已经发生漏气状况，外界空气也不会渗透进去中冷器冷却腔内，因为空气子系统的空压机没有运转，中冷器空气腔无空气流动，中冷器冷却腔压力远大于中冷器空气腔压力，空气无法进入中冷器冷却腔；
中冷器冷却腔压力等于诊断压力P，维持水泵11转速为n1和三通阀开度为E；开启空压机5，控制空压机5的转速为n2，所述转速n2优选设为50000 rpm，调整旁通阀7，进气隔离阀9和背压阀8处于关闭状态，此时空气未进入电堆，以免操作错误损坏电堆，使得中冷器空气腔压力大于诊断压力P，由于中冷器空气腔压力大于中冷器冷却腔压力，此时通过中冷器内部两侧压力差判断中冷器是否泄露，若中冷器发生漏气情况，则中冷器空气腔的空气就会渗入中冷器冷却腔的冷却液中；检测中冷器冷却腔的冷却液压力是否大于诊断压力P，若中冷器冷却腔的冷却液压力大于诊断压力P，则判定中冷器内部发生漏气状况；若中冷器冷却腔的冷却液压力等于诊断压力P，则判定中冷器内部正常；其中，中冷器冷却腔的冷却液压力不会出现小于诊断压力P的情况，因为中冷器发生漏气情况，冷却液混进空气，则中冷器冷却腔的冷却液压力只会大于诊断压力P。
上述判断的是燃料电池系统运行前中冷器是否发生漏气情况，会存在这样的一种意外情况：中冷器在燃料电池系统运行前检测没有问题，但是检测完成后，燃料电池系统停机过程（下一次启动前）中，中冷器因为内部老化，也有可能发生故障，因此需要在下一次燃料电池系统运行过程对中冷器进行检测。以下为燃料电池系统运行期间对中冷器进行监测，如图4所示，具体为：
燃料电池系统运行中，需要对中冷器进行故障诊断，预先获取中冷器冷却腔诊的压力阈值P1，具体为：控制燃料电池系统处于设定功率W运行，功率W优选为30kW，并控制水泵11转速为n3，转速n3优选为2500 rpm，将三通阀开度调为G，即三通阀13的B端开度为G，A端开度为H，G+H=100%，C端开度是无需控制且一直都是全开状态，优先的开度G等于100%，则开度H为0%；检测此时的中冷器冷却腔压力即为压力阈值P1，因为水入压力变化与水泵转速及三通阀开度有函数关系，检测此时的中冷器冷却腔压力即为压力阈值P1；由于每个电堆1的单电池片数会不一样，导致每个电堆1的功率也会不一样，因此所述的设定功率W是不能唯一确定的，需要根据不同额定功率的电堆来设置；
启动燃料电池系统，使燃料电池系统处于设定功率W运行，并控制进气隔离阀9、旁通阀7和背压阀8开度，以及控制空压机转速，使得中冷器空气腔压力大于压力阈值P1；水泵11转速控制为n3，优选的n3设置为2500rpm；将三通阀开度调为G，判断中冷器冷却腔压力是否在压力阈值P1，若中冷器冷却腔压力等于压力阈值P1，则判定中冷器内部正常；其中，中冷器冷却腔的冷却液压力不会出现小于诊断压力P的情况，因为中冷器发生漏气情况，冷却液混进空气，则中冷器冷却腔的冷却液压力只会大于压力阈值P1；
当中冷器冷却腔压力大于压力阈值P1，则打开散热器12的高温风扇排气口121，高温风扇排气口121能够快速实现排气，排出冷却液中的空气；当中冷器冷却腔压力达到压力阈值P1后，关闭散热器12的高温风扇排气口121，经过设定时间段（所述设定时间段优先设置为10分钟）后，重新判断中冷器冷却腔压力是否在压力阈值P1，若中冷器冷却腔压力等于压力阈值P1，则判定中冷器内部无漏气，此种情况说明燃料电池系统在启动前冷却液排气不彻底，从而引起中冷器冷却腔压力大于压力阈值P1；如果中冷器冷却腔压力大于压力阈值P1，停止运行燃料电池系统运行，并静置燃料电池系统一段时间t（优选的，一段时间t设置为5h-12h）后，重新启动燃料电池系统运行，检测电堆1电压，判断电堆1的单电池最小电压与单电池平均电压之差是否大于电压阈值，所述电压阈值设为0.020V，若是则电堆1发生单低状况，从而判定中冷器内部漏气，说明中冷器内部已互通，此种情况是燃料电池系统静置一段时间t后，中冷器冷却腔的水渗漏到空气腔中，当运行时，空气腔的水被带到电堆中从而造成电堆1发生单低状况；若电堆1的单电池最小电压与单电池平均电压之差小于等于电压阈值，则判断中冷器正常。
本实施例能够快速诊断中冷器是否发生异常，在不增加额外的检测设备下，省时省力，并大大节约诊断成本。通过二次诊断，能够保证中冷器漏气诊断过程更加可靠。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。
Claims (4)
1.一种燃料电池系统的中冷器漏气诊断方法，所述燃料电池系统包括电堆、空压机、旁通阀、背压阀、进气隔离阀、高温膨胀水箱、水泵以及散热器，所述电堆包括空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口，其特征在于，所述燃料电池系统还包括中冷器和三通阀，所述中冷器包括空气腔和冷却腔，空气腔包括热空气入口和冷空气出口，冷却腔包括中冷器冷却液入口和中冷器冷却液出口，所述空压机连接中冷器的热空气入口，中冷器的冷空气出口通过进气隔离阀连接电堆的空气入口，中冷器的冷空气出口连接旁通阀，电堆的空气出口连接背压阀；所述三通阀包括A端、B端和C端，电堆的冷却液出口、高温膨胀水箱、水泵、散热器以及三通阀的B端依次连接，三通阀的C端连接电堆的冷却液入口和中冷器的中冷器冷却液入口，中冷器的中冷器冷却液出口连接电堆的冷却液出口，水泵出口连接三通阀的A端，电堆的冷却液出口连接水泵入口；电堆的冷却液出口连接高温膨胀水箱入口；高温膨胀水箱出口连接水泵入口；
所述中冷器漏气诊断方法包括以下步骤：
确定中冷器冷却腔诊的诊断压力P；
燃料电池系统运行前，打开三通阀且三通阀开度为E，开启水泵并控制水泵的转速为n1；检测中冷器冷却腔压力是否等于诊断压力P，若等于则进入下一步；若中冷器冷却腔压力小于诊断压力P，则维持水泵运作，直至中冷器冷却腔压力恢复至诊断压力P；
中冷器冷却腔压力等于诊断压力P，维持水泵转速为n1和三通阀开度为E；进气隔离阀和背压阀处于关闭状态，开启空压机，控制空压机的转速为n2，调整旁通阀使得中冷器空气腔压力大于诊断压力P；检测中冷器冷却腔的冷却液压力是否大于诊断压力P，若中冷器冷却腔的冷却液压力大于诊断压力P，则判定中冷器内部发生漏气状况；若中冷器冷却腔的冷却液压力等于诊断压力P，则判定中冷器内部正常；
其中，所述三通阀开度为E，即三通阀的B端开度为E，A端开度为F，C端开度为全开状态，E+F=100%，E大于F。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的中冷器漏气诊断方法，其特征在于，所述确定中冷器冷却腔诊的诊断压力P，其具体为：燃料电池系统在启动前，对中冷器进行压力测试，打开三通阀且三通阀开度为E，开启水泵并控制水泵转速为n1，检测此时的中冷器冷却腔压力即为诊断压力P。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的中冷器漏气诊断方法，其特征在于，还包括以下步骤：
确定中冷器冷却腔诊的压力阈值P1；
启动燃料电池系统，使燃料电池系统处于设定功率W运行，并控制进气隔离阀、旁通阀和背压阀开度，以及控制空压机转速，使得中冷器空气腔压力大于压力阈值P1；水泵转速控制为n3，将三通阀开度调为G，判断中冷器冷却腔压力是否在压力阈值P1，若中冷器冷却腔压力等于压力阈值P1，则判定中冷器内部正常；所述三通阀开度调为G，即三通阀的B端开度为G，A端开度为H，G+H=100%，C端开度为全开状态；
当中冷器冷却腔压力大于压力阈值P1，则打开散热器的高温风扇排气口，排出冷却液中的空气；当中冷器冷却腔压力达到压力阈值P1后，关闭散热器的高温风扇排气口，经过设定时间段后，重新判断中冷器冷却腔压力是否等于压力阈值P1，若中冷器冷却腔压力等于压力阈值P1，则判定中冷器内部无漏气；如果中冷器冷却腔压力大于压力阈值P1，停止运行燃料电池系统运行，并静置燃料电池系统一段时间t，重新启动燃料电池系统运行，检测电堆电压，判断电堆的单电池最小电压与单电池平均电压之差是否大于电压阈值，若是则判定中冷器内部漏气；若电堆的单电池最小电压与单电池平均电压之差小于等于电压阈值，则判断中冷器正常。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统的中冷器漏气诊断方法，其特征在于，所述确定中冷器冷却腔诊的压力阈值P1，具体为：控制燃料电池系统处于设定功率W运行，并控制水泵转速为n3，将三通阀开度调为G，检测此时的中冷器冷却腔压力即为压力阈值P1。
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