CN116505032A - 燃料电池系统的故障检测方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池系统的故障检测方法、装置、设备及存储介质，所述故障检测方法包括：根据输入的需求功率和反馈信号计算实际控制信号；获取实际电堆系统的实际输出值，以及电堆理论模型的期望输出值；根据所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果确定所述燃料电池系统是否存在故障。本发明通过建立模型可以有效检测燃料电池系统是否故障，并且能够根据所述期望输出值与实际输出值的比较结果得到的反馈信号修正实际控制信号，以此减少故障带来的电池损坏，从而提高了燃料电池系统的安全性以及使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统领域，特别是涉及燃料电池系统的故障检测方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
质子交换膜燃料电池是目前应用最为广泛的燃料电池技术，具有工作效率高、无污染、运行噪音低等优点。目前的燃料电池系统的故障检测多依据现有的传感器或执行部件的反馈信息，这些传感器或执行部件出现完全故障或失效很容易被探测和识别，但当燃料电池系统出现早期故障或部分失效时，系统存在的偏差较小很难被系统探测和识别，但会造成燃料电池系统使用时存在潜在的危险，并且对燃料电池的使用寿命造成影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中当燃料电池系统出现早期故障或部分失效导致系统输出出现异常但难被系统探测出，提供一种燃料电池系统的故障检测方法、电子设备及存储介质。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明第一方面提供了一种燃料电池系统的故障检测方法，所述故障检测方法包括：
根据输入的需求功率和反馈信号计算实际控制信号；
获取实际电堆系统响应于所述实际控制信号得到的实际输出值，以及电堆理论模型响应于所述实际控制信号得到的期望输出值，其中，所述实际电堆系统包括依次连接的执行单元和实际电堆；
根据所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果确定所述燃料电池系统是否存在故障；其中，所述反馈信号为所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果。
较佳地，所述根据所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果确定所述燃料电池系统是否存在故障的步骤具体包括：
若所述实际输出值和所述期望输出值之间的差值大于第一设定值，则确定所述燃料电池系统存在故障。
较佳地，所述确定所述燃料电池系统是否存在故障的步骤具体包括：
确定所述燃料电池系统中的输入传感器是否存在故障，其中，所述输入传感器用于采集目标信号，并将所述目标信号输入所述实际电堆；
或者，
确定所述燃料电池系统中的输入管道是否存在故障，其中，所述输入管道用于物质传输。
较佳地，所述故障检测方法还包括：若根据所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果确定所述燃料电池系统不存在故障，则根据所述实际控制信号和理论控制信号的比较结果检测所述燃料电池系统中的执行单元是否存在故障；其中，所述理论控制信号为针对所述燃料电池系统预设的理论控制模型响应于所述需求功率得到的控制信号。
较佳地，所述根据所述实际控制信号和理论控制信号的比较结果检测所述燃料电池系统中的执行单元是否存在故障的步骤具体包括：
若所述实际控制信号和所述理论控制信号之间的差值大于第二设定值，则确定所述燃料电池系统中的执行单元存在故障。
较佳地，所述故障检测方法还包括：根据所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果执行相应的操作；
或者，
根据所述实际控制信号和理论控制信号的比较结果执行相应的操作。
较佳地，所述故障检测方法还包括：
在确定所述输入传感器存在故障的情况下，
若所述目标输入传感器的类型为第一类型，则将所述目标输入传感器的输出信号替换为设定值；
若所述目标输入传感器的类型为第二类型，则根据与所述目标输入传感器相关的其他输入传感器的输出信号更新所述目标输入传感器的输出信号；
其中，所述目标输入传感器为存在故障的输入传感器。
本发明的第二方面提供一种故障检测装置，所述故障检测装置包括：
计算模块，用于根据输入的需求功率和反馈信号计算实际控制信号；
获取模块，用于获取实际电堆系统响应于所述实际控制信号得到的实际输出值，以及电堆理论模型响应于所述实际控制信号得到的期望输出值，其中，所述实际电堆系统包括依次连接的执行单元和实际电堆；
确定模块，用于根据所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果确定所述燃料电池系统是否存在故障；其中，所述反馈信号为所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果。
本发明的第三方面提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面所述的故障检测方法。
本发明的第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的故障检测方法。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：本发明根据电堆理论模型和理论控制模型对分别燃料电池系统的电堆和控制系统进行仿真，通过将电堆的期望输出值与实际输出值进行比较，以及将实际控制信号和理论控制信号进行比较，通过比较的结果可以有效检测燃料电池系统是否故障，及时发现燃料电池系统早期故障或部分失效造成的潜在危险，并且能够根据所述期望输出值与实际输出值的比较结果得到的反馈信号修正实际控制信号，以此减少故障带来的电池损坏，从而提高了燃料电池系统的安全性与使用寿命，并且保障了用户的安全。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种燃料电池系统的故障检测方法的流程图。
图2为本发明实施例1提供的一种燃料电池系统的故障检测方法的应用场景图。
图3为本发明实施例1提供的一种理论控制模型的结构图。
图4为本发明实施例2提供的一种燃料电池系统的故障检测装置的模块示意图。
图5为本发明实施例3提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例提供一种燃料电池系统的故障检测方法，如图1所示，故障检测方法包括：
S1、根据输入的需求功率和反馈信号计算实际控制信号；
S2、获取实际电堆系统1响应于实际控制信号得到的实际输出值，以及电堆理论模型2响应于实际控制信号得到的期望输出值；
具体地，如图2所示，实际电堆系统1包括依次连接的执行单元3和实际电堆4；
在具体实施中，执行单元3为执行实际控制信号的执行部件的集合，其中：空气路的执行部件包括空气滤清器、空压机、背压阀等；氢气路的执行部件包括氢气喷射器、排气排水阀等；冷却路的执行部件包括节温器、水泵、散热器等。
S3、根据实际输出值和期望输出值的比较结果确定燃料电池系统是否存在故障；
具体地，如图2所示，反馈信号为实际输出值和期望输出值的比较结果。
在一可实施的方案中，步骤S1包括：
(1)根据需求功率和反馈信号计算所需氢气流量、空气流量以及温度；
(2)氢气路根据所需氢气流量确定氢气路的供应压力，空气路根据所需空气流量确定空气路的供应压力，而冷却路根据所需温度确定冷却路的供应压力；
(3)将所需供应压力分别转化为实际控制信号，例如空气路的所需供应压力转化为空压机的转速值；其中，实际控制信号包括氢气路控制信号、空气路控制信号和冷却路控制信号。
在一可实施的方案中，步骤S3包括：
S301、若实际输出值和期望输出值之间的差值大于第一设定值，则确定燃料电池系统存在故障。
具体地，步骤S301具体包括：
确定所述燃料电池系统中的输入传感器5是否存在故障，其中，所述输入传感器5用于采集目标信号，并将所述目标信号输入所述实际电堆4；
或者，确定所述燃料电池系统中的输入管道6是否存在故障，其中，所述输入管道用于物质传输。
在本实施例中，以氢气路为例，目标信号为电堆氢气入口压力，执行单元3为氢喷阀：当目标氢气压力为180kPa，则氢喷阀的实际控制信号为50％，但输入传感器5显示电堆氢气入口压力为160kPa，则实际控制信号会加大氢喷百分比，即此时氢喷阀的实际控制信号为70％，使得输入传感器5显示的氢气入口压力为180kPa，即达到目标氢气压力，而电堆理论模型2依然以氢气压力为180kPa进行仿真，此时(以电流值为例)实际电堆系统1中实际输出的电流值大于电堆理论模型2的期望输出的电流值，并且两者之间的差值大于第一设定值，则表明实际电堆系统1的输入传感器5存在故障或氢气路的输入管道6堵塞。
在一可实施的方案中，步骤S3还包括：
S302、在同一输入管道中，根据其他输入传感器5的信号判断故障类型。
在本实施例中，以氢气路为例，目标信号为电堆氢气入口压力，执行单元3为氢喷阀：若确定实际电堆系统1的输入传感器5存在故障或氢气路的输入管道6堵塞，则在一可实施方案中，根据氢气路的温度传感器进行故障类型的判断；具体地，若氢喷阀的出口温度不在正常范围内，则表明故障类型为输入管道6故障，反之，若氢喷阀的出口温度在正常范围内，则表明故障类型为输入传感器5故障。
在一可实施方案中，故障检测方法还包括：
S4、根据所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果确定所述燃料电池系统不存在故障，则根据实际控制信号和理论控制信号的比较结果检测燃料电池系统中的执行单元3是否存在故障；其中，根据所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果确定所述燃料电池系统不存在故障是指燃料电池系统的输入传感器和输入管道均不存在故障。
具体地，如图2所示，实际控制信号为响应于系统需求功率和反馈信号得到的控制信号，而理论控制信号为针对燃料电池系统预设的理论控制模型7响应于需求功率得到的控制信号。
在一可实施的方案中，步骤S4包括：
若实际控制信号和理论控制信号之间的差值大于第二设定值，则确定燃料电池系统中的执行单元3存在故障。在本实施例中，以氢气路为例，目标信号为电堆氢气入口压力，执行单元3为氢喷阀：当目标氢气压力为180kPa，则氢喷阀的实际控制信号为开度50％，但输入传感器5显示电堆氢气入口压力为160kPa，则实际控制信号会加大氢喷百分比，即此时氢喷阀的实际控制信号为开度70％，使得输入传感器5显示的氢气入口压力为180kPa，即达到目标氢气压力，此时(以电流值为例)实际电堆系统1中实际输出的电流值等于电堆理论模型2的期望输出的电流值，但氢喷阀的实际控制信号和理论控制信号开度相差20％，差值大于第二设定值，则表明氢喷阀出现故障，即执行单元3存在故障。
在一可实施的方案中，步骤S3之后还包括以下步骤：根据实际输出值和期望输出值的比较结果执行相应的操作。
在一可实施的方案中，步骤S4之后还包括以下步骤：故障检测方法还包括：根据实际控制信号和理论控制信号的比较结果执行相应的操作。
在具体实施中，根据步骤S3和步骤S4的比较结果执行相应的操作：输出故障警告信息、正常关机或者紧急关机。
在本实施例中，以步骤S4为例：
(1)若实际控制信号值和理论控制信号值相差小于第一阈值，则此种情况不影响燃料电池系统的正常使用，属于一级故障，此时燃料电池系统发出异常警告但仍正常运行；
(2)若实际控制信号值和理论控制信号值相差大于第一阈值小于第二阈值，则此种情况会影响燃料电池系统的正常使用，但不会造成燃料电池系统的损坏，属于二级故障，此时燃料电池系统正常关机；
(3)若实际控制信号值和理论控制信号值相差大于第二阈值，则此种情况会造成燃料电池系统的损坏，属于三级故障，此时燃料电池系统紧急关机；
具体地，正常关机流程是首先燃料电池系统的电堆在低电流状态下运行进行初步降温，并且消耗残余燃料，直至燃料电池系统电堆中最小单电池电压小于设定电压时，断开各线路并且对各管道密封处理，关机结束。
具体地，紧急关机流程直接断开各线路并且对各管道密封处理即刻关机。
在一可实施的方案中，根据步骤S302确定输入传感器5存在故障后的步骤还包括：
若目标输入传感器的类型为第一类型，即此类输入传感器发生故障不会造成燃料电池系统的损坏，则将目标输入传感器的输出信号替换为设定值；
若目标输入传感器的类型为第二类型，即此类输入传感器发生故障会对燃料电池系统造成损坏，则根据与目标输入传感器相关的其他输入传感器的输出信号更新目标输入传感器的输出信号；
其中，目标输入传感器为存在故障的输入传感器5。
在本实施例中，以空气路为例，空气路的出口压力作为燃料电池系统的重要监控值需要保证准确性，而空压机出口压力传感器和电堆空气压力传感器均在监控空气路的出口压力(即均为第二类型的输入传感器)，若空压机出口压力传感器错误，则为了减少故障带来的电池损坏，可根据空压机出口压力值和电堆空气压力值的相关性替换空压机出口压力传感器的显示值。
在具体实施中，以空气路为例，目标信号为空气路压力值，执行单元3为空压机，输入传感器为空压机出口压力传感器和电堆空气压力传感器，其中空压机出口压力传感器已故障：当目标空压机出口压力值为0.8Mpa，则空压机的转速应为15000r/s，但由于空压机出口压力传感器故障，则空压机出口压力值为0.8Mpa时，空压机的实际转速已达到20000r/s，此时电堆空气压力传感器的显示值为0.92Mpa，根据相关性运算后得到空压机出口压力值应为0.87Mpa，则空压机出口压力值更新为0.87Mpa，则此时实际电堆4的实际输出值大于期望输出值，则反馈信号使实际控制信号降低空压机的转速，直至实际输出值和期望输出值小于第一设定值，从而减少了因空压机出口压力传感器故障造成的电池损害。
在本实施例中，若目标输入传感器为第一类型，则将此目标输入传感器的输出信号用默认信号替换即可。
在一可实施的方案中，根据步骤S302确定输入管道6存在故障后的步骤还包括：以降功率模式运行，并发出维修警告。
在具体实施中，如图3所示，理论控制模型7包括阴极子模型8、阳极子模型9和/或冷却子模型10。
本发明根据电堆理论模型2和理论控制模型7对分别燃料电池系统的电堆和控制系统进行仿真，通过将电堆的期望输出值与实际输出值进行比较，以及将实际控制信号和理论控制信号进行比较，通过比较的结果可以有效检测燃料电池系统是否故障，及时发现早期故障或部分失效造成的潜在危险，并且能够根据所述期望输出值与实际输出值的比较结果得到的反馈信号修正实际控制信号，以此减少故障带来的电池损坏，从而提高了燃料电池系统的安全性与使用寿命，并且保障了用户的安全。
实施例2
本实施例提供了一种故障检测装置41，用于实现前述实施例1的故障检测方法，如图4所示，故障检测装置41包括：
计算模块42，用于根据输入的需求功率和反馈信号计算实际控制信号；
获取模块43，用于获取实际电堆系统1响应于实际控制信号得到的实际输出值，以及电堆理论模型2响应于实际控制信号得到的期望输出值，其中，实际电堆系统1包括依次连接的执行单元3和实际电堆4；
确定模块44，用于根据实际输出值和期望输出值的比较结果确定燃料电池系统是否存在故障；其中，反馈信号为实际输出值和期望输出值的比较结果。
在可选的一种实施方式中，确定模块44具体用于当实际输出值和所述期望输出值之间的差值大于第一设定值时，确定燃料电池系统存在故障。
在可选的一种实施方式中，确定模块44具体用于确定燃料电池系统中的输入传感器5是否存在故障，其中，输入传感器5用于采集目标信号，并将目标信号输入实际电堆4；
或者，
确定模块44具体用于确定燃料电池系统中的输入管道6是否存在故障，其中，输入管道6用于物质传输。
在可选的一种实施方式中，故障检测装置41还包括检测模块45，在根据实际输出值和期望输出值的比较结果确定燃料电池系统不存在故障时，检测模块45用于根据实际控制信号和理论控制信号的比较结果检测燃料电池系统中的执行单元3是否存在故障；其中，理论控制信号为针对燃料电池系统预设的理论控制模型7响应于所述需求功率得到的控制信号。
在可选的一种实施方式中，检测模块45具体用于当实际控制信号和理论控制信号之间的差值大于第二设定值，则检测出燃料电池系统中的执行单元3存在故障。
在可选的一种实施方式中，故障检测装置41还包括执行模块46，执行模块46用于根据实际输出值和期望输出值的比较结果执行相应的操作；或者，根据实际控制信号和理论控制信号的比较结果执行相应的操作。
在可选的一种实施方式中，执行模块46具体用于在确定输入传感器5存在故障的情况下，
若目标输入传感器的类型为第一类型，则执行模块46将目标输入传感器的输出信号替换为设定值；
若目标输入传感器的类型为第二类型，则执行模块46根据与目标输入传感器相关的其他输入传感器的输出信号更新所述目标输入传感器的输出信号；其中，目标输入传感器为存在故障的输入传感器5。
实施例3
本实施例提供了一种电子设备，如图5所示，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现前述实施例1的故障检测方法。图5显示的电子设备50仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
电子设备50可以以通用计算设备的形式表现，例如其可以为服务器设备。电子设备50的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理器51、上述至少一个存储器52、连接不同系统组件(包括存储器52和处理器51)的总线53。
总线53包括数据总线、地址总线和控制总线。
存储器52可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(RAM)521和/或高速缓存存储器522，还可以进一步包括只读存储器(ROM)523。
存储器52还可以包括具有一组(至少一个)程序模块524的程序/实用工具525，这样的程序模块524包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
处理器51通过运行存储在存储器52中的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如本发明实施例1的故障检测方法。
电子设备50也可以与一个或多个外部设备54(例如键盘、指向设备等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口55进行。并且，模型生成的设备50还可以通过网络适配器56与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图5所示，网络适配器56通过总线53与模型生成的设备50的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合模型生成的设备50使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、RAID(磁盘阵列)系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了电子设备的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。
实施例4
本发明还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述实施例1的故障检测方法。
其中，可读存储介质可以采用的更具体可以包括但不限于：便携式盘、硬盘、随机存取存储器、只读存储器、可擦拭可编程只读存储器、光存储器件、磁存储器件或上述的任意合适的组合。
在可能的实施方式中，本发明还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行实现实施例1的故障检测方法。
其中，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明的程序代码，所述程序代码可以完全地在用户设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户设备上部分在远程设备上执行或完全在远程设备上执行。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种燃料电池系统的故障检测方法，其特征在于，所述故障检测方法包括：
根据输入的需求功率和反馈信号计算实际控制信号；
获取实际电堆系统响应于所述实际控制信号得到的实际输出值，以及电堆理论模型响应于所述实际控制信号得到的期望输出值，其中，所述实际电堆系统包括依次连接的执行单元和实际电堆；
根据所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果确定所述燃料电池系统是否存在故障；其中，所述反馈信号为所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果。
2.根据权利要求1所述的故障检测方法，其特征在于，所述根据所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果确定所述燃料电池系统是否存在故障的步骤具体包括：
若所述实际输出值和所述期望输出值之间的差值大于第一设定值，则确定所述燃料电池系统存在故障。
3.根据权利要求2所述的故障检测方法，其特征在于，所述确定所述燃料电池系统是否存在故障的步骤具体包括：
确定所述燃料电池系统中的输入传感器是否存在故障，其中，所述输入传感器用于采集目标信号，并将所述目标信号输入所述实际电堆；
或者，
确定所述燃料电池系统中的输入管道是否存在故障，其中，所述输入管道用于物质传输。
4.根据权利要求1所述的故障检测方法，其特征在于，所述故障检测方法还包括：若根据所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果确定所述燃料电池系统不存在故障，则根据所述实际控制信号和理论控制信号的比较结果检测所述燃料电池系统中的执行单元是否存在故障；其中，所述理论控制信号为针对所述燃料电池系统预设的理论控制模型响应于所述需求功率得到的控制信号。
5.根据权利要求4所述的故障检测方法，其特征在于，所述根据所述实际控制信号和理论控制信号的比较结果检测所述燃料电池系统中的执行单元是否存在故障的步骤具体包括：
若所述实际控制信号和所述理论控制信号之间的差值大于第二设定值，则确定所述燃料电池系统中的执行单元存在故障。
6.根据权利要求4所述的故障检测方法，其特征在于，所述故障检测方法还包括：根据所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果执行相应的操作；
或者，
根据所述实际控制信号和理论控制信号的比较结果执行相应的操作。
7.根据权利要求3所述的故障检测方法，其特征在于，所述故障检测方法还包括：
在确定所述输入传感器存在故障的情况下，
若目标输入传感器的类型为第一类型，则将所述目标输入传感器的输出信号替换为设定值；
若所述目标输入传感器的类型为第二类型，则根据与所述目标输入传感器相关的其他输入传感器的输出信号更新所述目标输入传感器的输出信号；
其中，所述目标输入传感器为存在故障的输入传感器。
8.一种燃料电池系统的故障检测装置，其特征在于，所述故障检测装置包括：
计算模块，用于根据输入的需求功率和反馈信号计算实际控制信号；
获取模块，用于获取实际电堆系统响应于所述实际控制信号得到的实际输出值，以及电堆理论模型响应于所述实际控制信号得到的期望输出值，其中，所述实际电堆系统包括依次连接的执行单元和实际电堆；
确定模块，用于根据所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果确定所述燃料电池系统是否存在故障；其中，所述反馈信号为所述实际输出值和所述期望输出值的比较结果。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7中任意一项所述的故障检测方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任意一项所述的故障检测方法。
Priority Applications (1)
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| CN202310276798.1A CN116505032A (zh) | 2023-03-21 | 2023-03-21 | 燃料电池系统的故障检测方法、装置、设备及存储介质 |
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